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Ein Solarmodul erzeugt keinen direkten Wechselstrom. Ein Halbleiter-pn-Übergang spaltet die Energie eines Photons in ein Elektron und ein Loch auf. Der von den Zellen erzeugte Gleichstrom wird in Reihe und parallel geschaltet und anschließend mittels MPPT (Maximum Power Point Tracking) und einem Leistungsfilter in nutzbaren Strom umgewandelt. Die Betrachtung von einzelnen Solarmodulen auf Dächern bis hin zu Solarkraftwerken im Megamaßstab, Batterien und dem Strommarkt als ein System verbindet die Stromerzeugung mit dem Netzbetrieb.
Beispiel für eine Photovoltaikanlage im KraftwerksmaßstabBild: Photovoltaic Module im Solarpark Travers (Kkiefuik, CC BY 4.0), Wikimedia Commons. Eine Layout-Fotografie, keine direkte Messung der Leistungs- oder Wirkungsgradwerte in diesem Artikel.
0. Die 30-Sekunden-Version
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Die Leistung einer Solarzelle wird durch das Produkt aus Spannung (P=VI) und Strom (V) bestimmt. Mehr Sonneneinstrahlung erhöht hauptsächlich den Strom; höhere Temperatur senkt die Spannung.
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Die Strom-Spannungs-Kennlinie hat einen einzigen maximalen Leistungspunkt (MPP), und der MPPT-Regler passt den Arbeitspunkt des DC/DC-Wandlers an diesen an. Verschattung kann mehrere lokale Leistungsspitzen verursachen.
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Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um und regelt Leistungsfaktor, Blindleistung, Oberschwingungen und Inselnetzunterdrückung. Mit einer Batterie kann der Überschuss am Mittag in den Abend verschoben werden.
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Dach-, Agri-Photovoltaik-, schwimmende und Offshore-Anlagen sind je nach Standort unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Temperatur, Reflexion, Wartung, Netzkapazität und Umwelteinflüssen ausgesetzt.
Perowskite, Tandemzellen, Recycling und netzbildende Wechselrichter werden derzeit erforscht, müssen aber hinsichtlich Lebensdauer, Verkapselung, Lead-Management, Finanzierbarkeit und Wartung evaluiert werden.
1. Der pn-Übergang wandelt Licht in Strom um
Abbildung 1 – Trennen Sie die Verluste für Zellumwandlung, Temperatur, Verschattung, Verkabelung, Leistungsaufbereitung und Abregelung, bevor Sie zwei PV-Systeme vergleichen.
Wenn die Energie E_{ph}=hc/\lambda eines Photons, das auf eine Solarzelle trifft, die Bandlücke E_g des Halbleiters übersteigt, wird ein Elektron-Loch-Paar erzeugt. Das elektrische Feld in der Verarmungszone des pn-Übergangs trennt die beiden in entgegengesetzte Richtungen und treibt so einen Strom durch den externen Stromkreis. Ein idealisierter Zellstrom kann wie folgt geschrieben werden:
wobei I_{ph} der Photostrom ist. I_0 Dunkelstrom, q Elementarladung, n Idealitätsfaktor und T absolute Temperatur. Nahe der Leerlaufspannung V_{oc} fällt der Strom stark ab; nahe dem Kurzschlussstrom I_{sc} ist die Spannung nahezu null. Der Knick in dieser Kurve ist der MPP (Maximum Power Point).
Die Reihenschaltung von Zellen erhöht die Spannung; die Parallelschaltung erhöht den Strom. Die Bypass-Dioden eines Moduls verhindern Hotspots, an denen eine Teilverschattung eine ganze Zellreihe in Sperrrichtung vorspannt und Wärme erzeugt. Verschattung, Schmutz, Schnee und Alterung verändern die I-V-Kennlinie jeder Zellreihe, daher werden bei der Leistungsüberwachung Spannung, Strom und Temperatur gemeinsam erfasst.
2. MPPT: Verfolgung des maximalen Leistungspunktes
Die maximale Leistungsbedingung P(V)=V I(V) ist
Zu den gängigen MPPT-Verfahren gehören Perturb & Observe (Hill-Climbing), bei dem die Betriebsspannung leicht angepasst und die Leistungsreaktion beobachtet wird, und die inkrementelle Leitwertregelung, die die Leistung gemäß dI/dV=-I/V steuert. Bei plötzlichen Änderungen der Sonneneinstrahlung können diese Verfahren fälschlicherweise der vorherigen Erhöhung oder Senkung folgen. Daher kombiniert die Forschung Wettersensoren, mehrere Strings und prädiktive Regelung.
3. Leistungskonditionierer und Netzanschluss
Der Gleichstromausgang der PV-Anlage wird über einen Aufwärtswandler, einen Zwischenkreiskondensator und einen H-Brücken- oder Dreiphasenwechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Die netzfolgende Regelung, die die Netzphase mittels einer PLL verfolgt und den Strom in eine Sinuswelle formt, ist gängig. Da die weitere Stromversorgung durch Dach-PV-Anlagen während eines Netzausfalls für die Arbeiter gefährlich ist, sind eine Anti-Inselbildungs-Erkennung und eine entsprechende Abschaltung erforderlich.
In schwachen Netzen mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien gewinnt die netzbildende Regelung – bei der der Wechselrichter als Spannungsquelle fungiert, anstatt lediglich die Netzspannung zu verfolgen – zunehmend an Bedeutung. Synchronmaschinen, virtuelle Oszillatoren und Droop-Regelung ermöglichen eine schnelle Reaktion auf Frequenzabweichungen und Spannungsschwankungen. Dabei geht es nicht um den Austausch des Halbleitermaterials der Solarzelle, sondern um die Anpassung der Regelung und des Schutzes des Leistungswandlers an das gesamte Stromnetz.
4. Bestrahlungsstärke, Temperatur und Installationswinkel
Mit der Bestrahlungsstärke auf der Ebene G [W/m²], der Modulfläche A und dem Wirkungsgrad \eta lässt sich die momentane Leistung näherungsweise wie folgt berechnen:
Der Wirkungsgrad \eta sinkt mit einem Temperaturkoeffizienten. Der Abstand zum Dachmaterial, die rückseitige Belüftung, die Montagekonstruktion, der Azimut, der Neigungswinkel und das reflektierte Licht beeinflussen die jährliche Stromerzeugung. Bifaziale Module nutzen die Bodenreflexion (Albedo), daher muss auch die Beschaffenheit des Installationsbodens – weißer Kies, Schnee, Ackerland – berücksichtigt werden. Design.
Agrivoltaikanlagen müssen darauf achten, dass die Pflanzen nicht zu stark beschattet werden, die Paneele ausreichend verschattet sind und genügend Freiraum für die Arbeitshöhe von Landmaschinen vorhanden ist. Bei schwimmenden Anlagen müssen der kühlende Effekt der Wasseroberfläche, die Verankerung, Wellen, die Verkabelung sowie die Auswirkungen auf Algen und Wasserqualität berücksichtigt werden. Eine alleinige Maximierung der Stromerzeugung kann die Nachteile für Ernteerträge und Wartungsfreundlichkeit außer Acht lassen.
5. Batterien und Prognose
Überschüssiger Solarstrom lädt eine Batterie für die Entladung am Abend oder bei Bewölkung. Ihr Energieinhalt E lässt sich mit der Batterieleistung P_b und den Lade- und Entladewirkungsgraden aktualisieren:
SOC (SOC = obere/untere Grenze), Temperatur, Degradation und Verbindungskapazität. Alle diese Faktoren werden als Einschränkungen berücksichtigt. Die Vorhersage von Wolkenschatten einige Minuten im Voraus ermöglicht die Entscheidung, ob die Batteriekapazität genutzt oder eine Leistungsreduzierung in Kauf genommen werden soll.
6. Aktuelle Technologie und Forschung
Ein typisches PV-System besteht heute aus kristallinen Siliziumzellen, einem String- oder Mikro-Wechselrichter, einem Überwachungsgateway, Schutzschaltern, Erdung/Blitzschutz und gegebenenfalls einer Batterie. Leistungsvergleiche sollten neben dem Nennwirkungsgrad auch den Teillastwirkungsgrad, die Standby-Leistung in der Nacht, den MPPT-Spannungsbereich, die Fehlerstromerkennung, Firmware-Updates per Fernzugriff, Ersatzteile und die Beständigkeit gegenüber Salz- und Schneelasten berücksichtigen.
Die Forschung konzentriert sich auf Tandemzellen mit Perowskit unterschiedlicher Bandlücke auf Silizium, leichte Dünnschichten für gekrümmte Oberflächen, langlebige Verkapselung, Bleirückgewinnung und -recycling, netzbildende Wechselrichter und den Betrieb von PV-Anlagen in Kombination mit Batterien, Wasserstoff und Lastmanagement. Selbst bei hohem Wirkungsgrad im Labormaßstab sind die Gleichmäßigkeit großer Module, die Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen sowie Garantien von über 25 Jahren von entscheidender Bedeutung. Die Wiederverwertung am Ende der Lebensdauer stellt weiterhin eine Hürde für die Kommerzialisierung dar.
7. Überwachung, Wartung und Sicherheit
Um einen Leistungsabfall festzustellen, müssen wetterbereinigte Sollwerte mit den tatsächlichen Messwerten verglichen werden. Überprüfen Sie Ausreißer im Strangstrom, Temperaturunterschiede der Module, den Isolationswiderstand des Wechselrichters, die Lichtbogenerkennung, die Sicherungen in den Anschlusskästen und die Kabelverbinder. Infrarotaufnahmen von Drohnen können Hotspots aufspüren, jedoch beeinflussen Reflexionen, Wind und Messwinkel die Ergebnisse. Daher sollte die Anomaliebestimmung durch elektrische Messungen abgeglichen werden.
Gleichstromlichtbögen können auch nach dem Auslösen eines Leistungsschalters bestehen bleiben. Mitarbeiter sollten davon ausgehen, dass die Erzeugungsspannung so lange anliegt, wie das Modul Sonnenlicht erhält, und die relevanten elektrischen Sicherheitsvorschriften sowie die Anweisungen des Herstellers befolgen. Bei gemeinsam genutzten Batterien muss die Brandbekämpfung – Löschen, Isolierung, Wiederzünden und Koordination mit Feuerwehr und Energieversorgern – in den Plan integriert werden.
8. Fazit
Solarenergie ist ein kontinuierliches System, das die Photokonversion der Zellen, MPPT, DC/DC-Wandlung, den Wechselrichter, den Transformator, die Überwachung, die Speicherung und den Netzschutz umfasst. Beim Vergleich der jährlichen Erzeugung sollten die verschiedenen Komponenten berücksichtigt werden. Bestrahlungsstärke, Temperatur, Verschattung, Verschmutzung, Degradation, Umwandlungsverluste und Leistungsdrosselung sollten unter denselben Bedingungen betrachtet werden. Bei der Lektüre über Perowskit- oder netzbildende Wechselrichter sollten daher auch Demonstrationskapazität, Langlebigkeit, Wartung, Recyclingfähigkeit und Sicherheit über den gesamten Lebenszyklus hinweg berücksichtigt werden.
Bedeutet eine Solarleistung von 1 kW 24 kWh pro Tag?
Die Nennleistung gilt unter bestimmten Bedingungen; die Module erzeugen nachts keinen Strom. Die Energieerzeugung hängt von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur und den Verlusten im Laufe der Zeit ab.
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