Zusammensetzung und Arbeitsprinzip von Photovoltaik-Stromerzeugungssystemen

Zusammensetzung und Arbeitsprinzip von Photovoltaik-(PV)-Stromerzeugungssystemen

Ein Photovoltaik-(PV)-Stromerzeugungssystem besteht hauptsächlich aus PV-Modulen, einem Regler, einem Wechselrichter, Batterien und anderen Zubehörteilen (Batterien sind für an das Stromnetz angeschlossene Systeme nicht erforderlich). Abhängig davon, ob sie auf das öffentliche Stromnetz angewiesen sind, werden PV-Systeme in Stand-alone- und Netzverbundsysteme unterteilt. Stand-alone-Systeme arbeiten unabhängig vom Versorgungsnetz. Sie sind mit Energiespeicherbatterien ausgestattet, um eine stabile Systemstromversorgung zu gewährleisten, die auch während der Nacht oder an verlängerten bewölkten/regnerischen Tagen, wenn die Solarenergieerzeugung nicht ausreicht, den Strombedarf decken kann.

Unabhängig vom Systemtyp bleibt das Arbeitsprinzip gleich: PV-Module wandeln Sonnenlicht in Gleichstrom (DC) um, der dann durch einen Wechselrichter in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird, um Stromverbrauch oder Netzanschluss zu ermöglichen.

1. Photovoltaik-(PV)-Module

PV-Module sind die Kernkomponente des gesamten Energieerzeugungssystems. Sie werden durch die Kombination einzelner Photovoltaikzellen hergestellt, die mit Laserschneidemaschinen oder Drahtsägemaschinen in verschiedene Größen zugeschnitten werden. Da die Spannungs- und Stromausgabe einer einzelnen Solarzelle sehr gering ist, werden zunächst mehrere Zellen in Reihe geschaltet, um eine höhere Spannung zu erzielen, und dann parallel, um den Strom zu erhöhen. Die Anordnung enthält einen Blockdioden (um den Rückwärtsstrom zu verhindern) und wird in einem Rahmen aus Edelstahl, Aluminium oder nichtmetallischen Materialien eingeschlossen. Es wird vorne mit hartem Glas, hinten mit einem Rückwandfolie, mit Stickstoffgas gefüllt und luftdicht verschlossen. Mehrere in Reihe und Parallel geschaltete PV-Module bilden ein PV-Array (auch als Solarkollektor bezeichnet).

Arbeitsprinzip: Wenn Sonnenlicht auf die Halbleiter p-n-Schicht einer Solarzelle trifft, werden Elektron-Loch-Paare erzeugt. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes am p-n-Übergang bewegen sich Löcher in Richtung der p-Region und Elektronen in Richtung der n-Region. Wenn der Stromkreis geschlossen ist, fließt Strom. Die Hauptfunktion der PV-Module besteht darin, Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln, entweder um sie in Batterien zu speichern oder um elektrische Lasten direkt zu versorgen.

Arten von PV-Modulen:

• Einkristallsilizium:Wirkungsgrad ≈ 18%, bis zu 24% — der höchste aller PV-Typen. In der Regel mit hartem Glas und wasserfestem Harz eingekapselt, was sie widerstandsfähig und langlebig macht (Lebensdauer bis zu 25 Jahre).

• Polykristallsilizium:Wirkungsgrad ≈ 14%. Ähnlicher Herstellungsprozess wie beim Einkristall, aber mit geringerem Wirkungsgrad, niedrigeren Kosten und kürzerer Lebensdauer. Allerdings ist es einfacher herzustellen, verbraucht weniger Energie und hat geringere Produktionskosten, was zu einer weiten Verbreitung führt.

• Amorphes Silizium (Dünnschicht):Wirkungsgrad ≈ 10%. Herstellung erfolgt mit einem vollständig anderen Dünnschichtprozess, bei dem nur wenig Silizium und Energie benötigt werden. Der Hauptvorteil ist eine bessere Leistung bei schwachem Licht.

2. Regler (für Stand-alone-Systeme verwendet)

Der Solarladeregler ist ein automatisches Gerät, das Überladen und Entladen der Batterien verhindert. Ausgestattet mit einem Hochgeschwindigkeits-CPU-Mikroprozessor und einem hochpräzisen A/D-Wandler fungiert er als mikrocomputerbasiertes Datenerfassungs- und Überwachungssystem. Er kann Betriebsdaten in Echtzeit schnell erfassen, den Systemstatus überwachen und historische Daten speichern, um präzise und ausreichende Informationen zur Bewertung der Systemplanung und der Komponentenverlässlichkeit bereitzustellen. Er unterstützt auch serielle Kommunikation für die zentrale Verwaltung und Fernsteuerung mehrerer PV-Unterstationen.

3. Wechselrichter

Ein Wechselrichter wandelt den Gleichstrom (DC), der von den Solarpaneele erzeugt wird, in Wechselstrom (AC) um, sodass er mit standardmäßigen AC-betriebenen Geräten kompatibel ist. Der PV-Wechselrichter ist eine Schlüsselkomponente des Balance-of-System (BOS) und verfügt über spezielle Funktionen wie Maximum Power Point Tracking (MPPT) und Abschirmungsschutz.

Arten von Solarenergie-Wechselrichtern:

• Standalone-Wechselrichter:Verwendet in Stand-alone-Systemen. Das PV-Array lädt die Batterie, und der Wechselrichter zieht Gleichstrom aus der Batterie, um AC-Lasten zu versorgen. Viele standalone-Wechselrichter enthalten integrierte Batterieladegeräte, die die Batterie mit AC-Strom aufladen können. Diese Wechselrichter sind nicht mit dem Netz verbunden und benötigen keinen Abschirmungsschutz.

• Netzverbund-Wechselrichter:Speist AC-Strom zurück ins Versorgungsnetz. Seine Ausgangswelle muss in Phase, Frequenz und Spannung mit dem Netz übereinstimmen. Er schaltet automatisch ab, wenn das Netz getrennt wird, um Sicherheit zu gewährleisten. Er bietet keine Notstromversorgung bei Netzausfällen.

• Batteriereserve-Wechselrichter:Eine spezielle Art von Wechselrichter, die Batterien als primäre Stromquelle verwendet und einen Ladegerät zum Aufladen enthält. Überschüssiger Strom kann ins Netz zurückgespeist werden. Bei Netzausfällen kann er AC-Strom zu bestimmten Schaltkreisen liefern und verfügt daher über Abschirmungsschutz.

4. Batterie (nicht erforderlich in Netzverbundsystemen)

Die Batterie ist die Energiespeichereinheit im PV-System. Gängige Arten sind versiegelte Bleiakkus, Flutbleiakkus, Gel-Akkus und Nickel-Cadmium-Alkalibatterien. Versiegelte Blei- und Gel-Akkus sind am weitesten verbreitet.

Arbeitsprinzip: Tagsüber trifft Sonnenlicht auf die PV-Module, erzeugt Gleichspannung und wandelt Licht in Strom um. Diese Energie wird an den Regler gesendet, der das Überladen verhindert, und dann in der Batterie gespeichert, um später bei Bedarf verwendet zu werden.