Heute sind Sonnenkollektoren zu echten alternativen Stromversorgungsquellen für ein Privathaus geworden. Sie sind auf dem Markt weit verbreitet, und der Einsatz eines Solar-Minikraftwerks ist durchaus rentabel. Diese Situation ist auf das ständige Wachstum der Produktion von Solarmodulen und zusätzlicher Ausrüstung, einen Rückgang der Preise für Systemelemente und infolgedessen der Erzeugungskosten zurückzuführen.
Inhalt
- Das Funktionsprinzip der Solarbatterie
- Arten von Sonnenkollektoren
- Solarzellen aus monokristallinem Silizium
- Polykristalline Siliziumzellen
- Batterien aus amorphem Silizium
- Dünnschicht-CdTe-Batterien
- Polymer-Solarmodule
- Die Wahl der Sonnenkollektoren
- Art der
- Leistung und Spannung
- Installation von Sonnenkollektoren
- Oft gefragt
- Videoüberprüfung mit Berechnungen für Sonnenkollektoren
Das Funktionsprinzip der Solarbatterie
Jede Solarbatterie ist ein photovoltaischer Konverter, der Licht verwendet, um elektrische Energie zu erzeugen. Gegenwärtig hat der photoelektrische Effekt in Halbleitermaterialien praktischen Wert.
Der Effekt beruht auf dem Auftreten freier elektrischer Ladungsträger in inhomogenen Halbleiterstrukturen bei Bestrahlung mit Lichtphotonen. Es wird in verschiedenen Halbleitern beobachtet - basierend auf Silizium, Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, großen Polymermolekülen.
Aufgrund des Auftretens freier Ladungsträger, deren Energie nicht ausreicht, um die Bandlücke zu überwinden, entsteht zwischen den Elektroden des Elements eine Potentialdifferenz (Spannung). Wenn externe Stromkreise angeschlossen werden, entsteht zwischen ihnen ein elektrischer Strom.
Schema von Sonnenkollektoren
Fotozellen auf Basis verschiedener Halbleiter wandeln verschiedene Teile des Sonnenspektrums in elektrische Energie um: So fangen kristalline Siliziummodule bis zu 80 % der Strahlung rotverschoben ein, Folienelemente auf Basis von amorphem Silizium können auch im Infrarotbereich arbeiten, Titandioxid absorbiert violette und ultraviolette Strahlen.
In einigen Laborproben kamen die Forscher an die 50-Prozent-Marke heran. Werden die gleichen Ergebnisse in der industriellen Produktion erzielt, können die Erzeugungskosten im Vergleich zum heutigen Niveau um mehr als die Hälfte gesenkt werden.
Arten von Sonnenkollektoren
Das Hauptmerkmal der Klassifizierung von Solarmodulen sind die bei der Herstellung verwendeten Halbleitermaterialien. Heute sind mehr als 80 % von Solarmodulen auf Siliziumbasis belegt. Es sind diese Typen, die die größtmögliche kommerzielle Nutzung erfahren haben, sie werden von der überwiegenden Mehrheit der in der Branche tätigen Verkäufer angeboten.
Silizium-Solarmodule wiederum sind unterteilt in:
Arten von Silizium-Solarmodulen
Solarzellen aus monokristallinem Silizium
Monokristalline Solarzellen sind elektrisch verbundene Zellen aus dünnen (240 Mikrometer) Silizium-Monokristall-Wafern. Optische Achsen sind in die gleiche Richtung orientiert, hochreines Material (mehr als 99,99%) wird verwendet. Dies gewährleistet eine maximale Umwandlungseffizienz.Bei einem theoretisch möglichen Wirkungsgrad für ein Siliziumelement von 30 % sind es in Serienmustern 18-24 %.
Äußerlich sind Einkristallbatterien leicht zu unterscheiden - sie haben eine tiefschwarze Farbe, das Element wird beim Schneiden zu einem regelmäßigen Quadrat (Rechteck) mit abgeschnittenen Ecken geformt.
Die Technologie zur Herstellung solcher Solarzellen ist Kostenrekordhalter unter den Siliziumzellen. Die hohen Produktionskosten erklären sich durch die komplexen Prozesse der Reinigung der Rohstoffe, der Züchtung eines Einkristalls und des genauen Schneidens.
Infolgedessen haben monokristalline Batterien den höchsten Preis - etwa 0,9 bis 1,1 Dollar pro 1 W Leistung.
Solche Elemente haben noch einen weiteren gravierenden Nachteil: Aufgrund der genauen Ausrichtung der optischen Achsen der Kristalle kann die optimale Rückstrahlung nur dann erzielt werden, wenn die Sonnenstrahlen senkrecht zur Ebene des Elements einfallen. Bei einer signifikanten Änderung des Beleuchtungswinkels sowie des Streulichts wird eine starke Abnahme der Erzeugung beobachtet.
Polykristalline Siliziumzellen
Polykristalline Siliziumzellen
In polykristallinen Batterien enthält die Zelle eine Vielzahl von Kristallen mit zufälliger Orientierung der optischen Achsen. Ihre Herstellung erfordert keine Rohstoffe mit einem hohen Reinigungsgrad - sekundäre Quellen (insbesondere recycelte Siliziumbatterien), Abfälle aus der metallurgischen Produktion können verwendet werden.
Als Ergebnis werden die Herstellungskosten stark reduziert. Allerdings sinkt dadurch auch die Umwandlungseffizienz – die besten Muster weisen eine Effizienz von 15-18% auf.
Äußerlich sind polykristallin regelmäßige rechteckige Platten von gesättigter blauer Farbe. Die Kosten für die Erzeugung "blauer" Panels betragen etwa 0,7-0,9: pro 1 W.Gleichzeitig zeigen sie eine deutlich geringere Reduzierung der diffusen Beleuchtung und des Lichteinfalls bei anderen Winkeln als 90 Grad.
Batterien aus amorphem Silizium
Sie werden aus amorphem (nicht kristallinem) Silizium a-Si hergestellt, indem Siliziumhydriddampf auf einem flexiblen Substrat abgeschieden wird. Dadurch wird bereits bei einer Schichtdicke von mehreren Mikrometern ein stabiler photoelektrischer Effekt erzielt.
Der technologische Prozess ist aufgrund der minimalen Menge an erforderlichen Siliziumrohstoffen, geringeren Anforderungen an seine Reinheit und des Fehlens komplexer Vorgänge wie dem Züchten und Schneiden eines Kristalls erheblich billiger.
Die Umwandlungseffizienz beträgt etwa 8-11%, die Erzeugungskosten liegen im Bereich von 0,5-0,7% pro 1 W. Der Hauptnachteil solcher Batterien ist die geringe Umwandlungseffizienz, die eine große Fläche erfordert, um die erforderliche Leistung bereitzustellen. Dies wird jedoch durch die Möglichkeit der Installation auf jeder Oberfläche mehr als ausgeglichen - ein flexibles Substrat erfordert nicht einmal Sockel und spezielle Strukturen für die Installation.
Zudem können moderne polymorphe Module im Infrarotbereich arbeiten, was Effizienzverluste bei diffuser Beleuchtung deutlich reduziert. Damit beträgt der Anteil amorpher Elemente heute etwa 10 % des Weltmarktes.
Dünnschicht-CdTe-Batterien
Dünnschicht-CdTe-Batterien
Solarzellen auf Basis von Cadmiumtellurid (CdTe) können eine echte Alternative zu Siliziumzellen werden. Derzeit zeigen sie eine durchschnittlich 20 % höhere Umwandlungseffizienz als ähnliches amorphes Silizium bei 20 % niedrigeren Kosten.Dies wird aufgrund der einzigartigen Eigenschaften des Halbleiters erreicht, der für die optimale Bandlücke sorgt.
Solche Paneele werden hergestellt, indem eine Schicht aus Halbleitermaterial auf dünne Filme aufgebracht wird. Die Technologie steht noch einer begrenzten Anzahl von Herstellern zur Verfügung, die Serienproduktion solcher Batterien wurde jedoch bereits von der amerikanischen Firma First Solar gestartet.
Polymer-Solarmodule
Bei Polymer-Solarmodulen wird der photoelektrische Effekt durch eine Schicht aus „Polymer-Halbleiter“ – großen Molekülen organischer Verbindungen – bereitgestellt. Gegenwärtig steht die Technologie solcher Produkte kurz vor dem Einsatz in der Großproduktion (einige europäische Unternehmen haben bereits eine kommerzielle Produktion aufgebaut).
Polymer-Solarmodule
Der Umwandlungswirkungsgrad solcher Geräte wird auf 8–11 % geschätzt. Aufgrund der rekordverdächtig günstigen Produktion, der Verwendung flexibler Polymermaterialien und der fehlenden Entsorgungsprobleme werden Polymer-Solarmodule in naher Zukunft ernsthaft mit bereits hergestellten Produkten konkurrieren können.
Hersteller entwickeln auch aktiv Solarmodule auf der Grundlage von:
- Galliumarsenid, Kupfer-Indium-Galliumselenide (CGIS);
- Hybridtechnologien, bei denen mehrere Halbleiterelemente auf unterschiedlicher Basis in verschiedenen Teilen des Sonnenspektrums arbeiten;
- photosensibilisierte Zellen, mit Gretzel-Kolben als Arbeitselement;
- Nanoantennen, in denen Sonnenlicht als elektromagnetische Strahlung EMF induziert usw.
Die Wahl der Sonnenkollektoren
Bei der Auswahl von Solarmodulen müssen nicht nur der Typ, sondern auch die elektrischen Parameter - Leistung und Spannung - bestimmt werden.
Art der
Wählen Sie den Typ des Solarmoduls aus den Einstrahlungsbedingungen (Anzahl der Sonnentage, Strahlungsintensität):
- Daher eignen sich monokristalline Siliziumbatterien gut für die Installation in den südlichen Regionen.
- In der Mittelspur und anderen russischen Gebieten wären polykristalline Paneele die beste Option, die sich bei diffusen Lichtverhältnissen gut bewährt haben.
- In nördlichen Breiten sollte verstärkt auf amorphe Module geachtet werden, die es ermöglichen, ohne zusätzlichen Installationsaufwand eine nennenswerte Batteriefläche zu schaffen.
Auch die Kategorie Qualität erfordert Aufmerksamkeit. Bei der Kennzeichnung von Batterien wird dieser Parameter als Grad A, B oder C angegeben. Ceteris paribus, Produkte der Klasse A sollten bevorzugt werden - sie halten 20-30 Jahre bei geringer (nicht mehr als 20 %) Verschlechterung.
Niedrigere Qualitätskategorien werden Produkten auf der Grundlage der Ergebnisse von Werkstests zugeordnet, die während des Betriebs eine Abweichung von den Nennparametern von nicht mehr als 5% (Grad B) und 30% (Grad C) aufweisen.
Leistung und Spannung
Die Leistung der Panels wird wie folgt bestimmt:
Berechnen Sie den durchschnittlichen Gesamtstromverbrauch (gemäß den Anzeigen des Stromzählers, der Stromrechnung). Für den durchschnittlichen Tagesverbrauch werden die Monatszahlen durch die Anzahl der Tage dividiert.- 20-30 % werden zu dem erzielten Ergebnis addiert, um unter Berücksichtigung des Umrechnungsfaktors (Verluste bei Batterieladung und Wechselrichterbetrieb) eine Marge zu erhalten.
- Basierend auf den erhaltenen Daten wird die Ausgangsleistung der Paneele unter Berücksichtigung der Dauer der Tageslichtstunden berechnet. Für Berechnungen werden jeweils 6 Stunden benötigt, die Batterieleistung sollte den durchschnittlichen Verbrauch um das Vierfache übersteigen.
- Panelspannung auswählen. Hersteller bieten in der Regel Akkus mit einer Ausgangsspannung von 12V an.Um jedoch Speicher zu laden und die Effizienz der Wandlung von Gleichspannung in Wechselspannung am Wechselrichter (insbesondere bei hoher Leistung) zu erhöhen, sind höhere Werte rentabler.
Standardnutzung:- 12 V für Anlagen bis 1 kW.
- 24 V oder 36 V - bis 5 kW.
- 48 V - mehr als 5 kW.
Solche Spannungen erhält man durch Reihenschaltung von Panels.
- Die Spitzenleistung wird ermittelt, indem die Leistung aller Verbraucher im Haus aufsummiert wird.
- Die Spitzenleistung wird mit einem Spielraum von 10-20% bestimmt, beispielsweise für die Anlaufströme von Elektromotoren und den Betrieb der Heizelemente des Warmwassersystems, Wasch- und Spülmaschinen usw.
- Die Spitzenleistung bestimmt den maximalen Strom der Panels.
- Die Nachschlagewerke finden den Sonneneinstrahlungskoeffizienten (im Sommer und Winter) für das Gebiet.
Verwenden Sie für weitere Berechnungen die Formel:
P = Kc * Wn * Ki, unter Berücksichtigung
- Кс – saisonaler Koeffizient, für die Sommerzeit wird er mit 0,5 angenommen, für den Winter mit 0,7;
- Ki ist der Sonneneinstrahlungskoeffizient für Sommer- und Winterzeit;
- Wn ist die Nennleistung des Moduls.
Nach Auswahl mehrerer Batteriemodelle in den Katalogen der Hersteller wird für jedes von ihnen die Erzeugungsleistung im Winter und Sommer berechnet.
Dann wird die erforderliche Anzahl von Panels bestimmt, indem der oben berechnete durchschnittliche Stromverbrauch (mit einer Marge) durch die Erzeugungsleistung dividiert wird. Berechnungen werden für die Winter- und Sommerperioden durchgeführt, daher nehmen sie einen größeren Wert an.
Nach Berechnungen prüfen:
- Maximale Strombelastung des Panels durch Spitzenverbrauch. Ist der Maximalstrom größer als der von den parallel geschalteten Akkus gelieferte, sollten leistungsstärkere gewählt werden.
- Budget. Die Gesamtkosten der Paneele werden ermittelt und mit dem für ihren Kauf bereitgestellten Betrag verglichen.
- Quadrat. Die Gesamtfläche der Paneele wird berechnet und mit der Fläche des für die Installation vorgesehenen Platzes verglichen. Reicht der Platz nicht aus, werden sie auf stärkere Akkus umgerechnet.
Installation von Sonnenkollektoren
Es gibt keine strengen Anforderungen für die Installation von Solarmodulen. Der Sonnenkollektor kann schräg, auf einer senkrechten oder waagrechten Fläche montiert werden. Gleichzeitig werden starre Paneele (mono- und polykristallin) auf einem starren Rahmen installiert und an den Befestigungspunkten mit vollständigen Befestigungselementen befestigt. Batterien auf einem elastischen Träger ermöglichen das Verlegen auf unebenen Flächen (z. B. einem welligen Dach).
Die Verbindungen zwischen den Feldern werden mit Litzenleitern mit Endstücken ausgeführt. Der Querschnitt stromführender Elemente errechnet sich aus dem Wert des Bemessungs- und Maximalstroms.
Bei der Wahl des Standorts und des Installationswinkels sollte die Hauptbedingung für eine maximale Erzeugung berücksichtigt werden - der Einfall von Sonnenlicht senkrecht zur Ebene der Batterie.
Dies kann erreicht werden:
- Ausrichtung der Module in Richtung Süden.
- Indem sie in einem Winkel platziert werden, der der geografischen Breite des Gebiets entspricht.
- Die Änderung des Neigungswinkels innerhalb von +/- 20 % im Winter und Sommer.
Darüber hinaus ist es bei Einkristall-Panels wichtig, auf das Fehlen von Abschattungen zu achten – bei diffusem Licht sinkt ihre Effizienz dramatisch.
Oft gefragt
Batterien der Klasse A haben normalerweise eine Garantie von 15-25 Jahren. Während dieser Zeit überschreitet die Abnahme der Indikatoren vom Nominalwert 20% nicht.
Die Sonneneinstrahlung in diesen Bereichen trägt nicht zum effizienten Betrieb monokristalliner Batterien bei. Mittels drehbarer Nachführvorrichtungen für die Leuchte kann die Position leicht verbessert werden, aber ihre Implementierung erhöht die Kosten der gesamten Installation erheblich.
Nicht unbedingt, die meisten Hersteller sagen, dass natürlicher Niederschlag ausreicht, um den Staub für den normalen Betrieb abzuwaschen. Mehrmals pro Saison ist es jedoch nicht überflüssig, mit Wasser aus einem Schlauch zu sprühen. Achten Sie natürlich darauf, den Schnee im Winter nach Schneefällen zu entfernen.
Mit der richtigen Berechnung der Anzahl der Paneele und der zusätzlichen Ausrüstung (Batterien, Wechselrichter) wird das Solarkraftwerk die Stromversorgung des Hauses vollständig bewältigen, ohne Quellen zu duplizieren.
Die meisten kleinen Hersteller verwenden Module von Unternehmen aus den TOP 10. Die Reputation eines Herstellers lässt sich leicht auf der Website von Kalifornien (https://gosolarcalifornia.org/equipment/pv_modules.php) oder dem europäischen TÜV (https://www .tuev-sued.de /industry_and_consumer_products/certificates) Labore.
Videoüberprüfung mit Berechnungen für Sonnenkollektoren
