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Aufbau u. Funktion

 
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Aufbau und Funktion von Solarzellen

Die SolarzelleSolarzelle
SolarzelleDie Solarzelle ist der Grundbaustein der Stromerzeugung aus der Sonnenenergie (Solarstrahlung). Die Solarzelle besteht aus lichtempfindlichen Halbleitern (Material meist Silizium), die beim Auftreffen von Licht eine Gleichspannung von maximal 0,7 Volt abgeben können. Mehrere Solarzellen werden zu einem Solarstrommodul verschaltet (Reihenschaltung), wodurch sich eine höhere Spannung von z. B. 12 oder 24 Volt ergibt. Man unterscheidet monokristalline, polykristalline und amorphe Zellen
ist die kleinste Einheit einer solaren Stromversorgungsanlage. Die Stromerzeugung der Solarzellen beruht auf dem fotovoltaischen Prinzip.

Polykristaline Solarzellen erkennt man an den typischen hell- bis tiefblauen Farbtönen und bizarren Strukturen, die an Eiskristalle erinnern.
Monokristaline Zellen zeigen eine tiefblaue homogene Fläche. Einzelne Siliziumzellen werden zu größeren EinheitenEinheiten
Physikalische Einheiten der Energie:
  • 1 GJ GigaJoule = 1000 MJ (MegaJoule)
  • 1 MJ = 1000 kJ (kiloJoule)
  • 1 kJ = 1000 J (Joule),
  • 1 GWh (GigaWattstunde) = 1000 MWh (MegaWattstunden)
  • 1 MWh = 1000 kWh (kiloWattstunden)
  • 1 kWh = 1000 Wh (Wattstunden)
  • Umrechnung: 1 kWh = 3,6 MJ = 860 kcal,
veraltet: eine kcal kilocalorie = 1000 Kalorien
durch ReihenschaltungReihenschaltung
Bei der Stromerzeugung durch Solarmodule werden einzelne Module in Reihe, also hintereinander geschaltet. Dabei wird der Pluspol des einen mit dem Minuspol des folgenden und dessen Pluspol wieder mit dem nächstfolgenden Modul usw. usf. zusammengeschaltet, um die elektrische Spannung zu erhöhen. In einer Reihenschaltung von Heizkörpern kann die Leistung eines vorhandenen Heizkörpers durch zusätzliche Montage eines zweiten Heizkörpers mit minimalem Verohrungsaufwandes erfolgen. Zur Erhöhung der Spannung werden auch Batterien in Reihe geschaltet. So ergeben drei NiMh-Akkumulatoren mit einer Spannung von 1,2 Volt in Reihe geschaltet eine Spannung von 3,6 Volt.
verbunden
Die Funktionsweise der Stromerzeugung mit einer Solazelle zeigt nebenstehende Abbildung. Die Solarzelle besteht aus jeweils einer n- und p-leitenden Siliziumschicht. Durch die energiereiche SolarstrahlungSolarstrahlung
Die Solarstrahlung ist die von der Sonne in den Weltraum ausgehende Energie. Sie entsteht infolge der Kernfusion im Sonneninneren. Die auf die Erde auftreffende durchschnittliche  Solarstrahlungsleistung beträgt 1.000 W/m². Die in Mitteleuropa auftreffende und damit theoretisch nutzbare Energiemenge macht etwa 1000 kWh/m² im Jahr aus. Man unterscheidet direkte Strahlung und diffuse Strahlung.
werden an der Grenzflächeauf einer solchen Struktur Ladungsträger "freigeschlagen". Es entsteht eine SpannungSpannung
Die elektrische Spannung - häufig auch als Stromspannung bezeichnet - gibt die Ladungsdifferenz zwischen zwei Polen (Minuspol und Pluspol) an. Die Höhe der Spannung wird in Volt (V) angegeben. Das Formelzeichen ist U. Man unterscheidet Gleichspannung (Batterie, Betriebspannung im Computer, Solarstrommodul) und Wechselspannung (Steckdose, Dynamo).
wie bei einer BatterieBatterie
Die Batterie ist eine Ansammlung von galvanischen Elementen (bzw. Zellen bei Akkumulatoren), die Strom abgeben können. Aus der Anzahl der Elemente bzw. Zellen - die in Reihe geschaltet sind - ergibt sich die nutzbare Spannung. Eine 9-Volt-Batterie bsw. entsteht aus der Reihenschaltung von 6 Elementen mit je 1,5 Volt. Die Höhe der Spannung der Elemente bzw. Zellen ergibt sich aus der chemischen Zusammensetzung. Als Batterie wird auch eine Zusammenstellung von Heizöltanks (z.B. 3 mal 1500 Liter) verstanden (Batterietank).
, die bei Anschluß eines Verbrauchers zu einem Stromfluß führt. Bildquelle: Verbraucherzentrale NRW
LadereglerLaderegler
Ein Laderegler ist eine elektronische Baugruppe, die zwischen den Ausgang von Solarstrom-Modulen und den Akkumulator geschaltet wird. Der Laderegler hat die Aufgabe, die Beladung des Akkumulators zu überwachen, um seine optimale Lebensdauer zu sichern. Er sorgt für ständiges Nachregeln (tracking) der Leistungsentnahme um den MPP-Punkt herum. Der Laderegler schützt außerdem den Akkumulator vor zu tiefer Entladung (Lebensdauerverkürzung durch Tiefentladung), in dem er den Verbraucher bei Unterschreitung einer bestimmten Klemmenspannung abschaltet.
zur Vermeidung der Überladung der Batterie und zur Vermeidung zu tiefer Entladung der Batterie bei autarken Anlagen

Das fotovoltaische Prinzip bezeichnet einen Vorgang, bei dem bei bestimmten, übereinander angeordneten, Halbleiterschichten unter dem Einfluss von LichtLicht
Licht ist der sichtbare Teil der Sonnenstrahlung und der künstlichen Beleuchtung. Weißes Licht setzt sich aus einem Gemisch von Strahlen verschiedener Wellenlängen zwischen 380 bis 780 nm (Nanometer) zusammen. Eine Lampe, die nicht alle Wellenlängen aussendet, gibt farbige Dinge verzerrt wieder. So fehlt dem Licht einer Leuchtstoffröhre bzw. einer Energiesparlampe häufig der gelb-rote Anteil.
freie Ladungsträgerfreie Ladungsträger
Freie Ladungsträger sind für den Transport von elektrischer Energie erforderlich. Ladungsträger sind negativ geladene Elektronen und positiv geladene Elektronenlöcher.
, also positive Ladungen ("Löcher") bzw. negative Ladungen (ElektronenElektron
Ein Elektron ist ein negativ geladenes Teilchen, ein Ladungsträger. Bewegen sich Elektronen in einem Leiter, Halbleiter oder Elektrolyt, fließt elektrischer Strom. Ein Überschuss an Elektronen führt zu einer negativen Aufladung (Minuspol einer Batterie).
) entstehen. Über ein außen angeschlossenes Kabel können sich die Elektronen vom Minuspol durch einen Verbraucher (z.B. eine Glühlampe) zum Pluspol der Solarzelle bewegen. Es fließt ein GleichstromGleichstrom
Bei einem Gleichstrom fließen Ladungsträger (Elektronen) ohne Richtungswechsel in eine Richtung vom Minuspol (Kathode) zum Pluspol (Anode). Angetrieben wird der Gleichstrom in einem Stromkreis von der Gleichspannung einer entsprechenden Quelle, z.B. einer Batterie. Spezielle Umwälzpumpen und Gleichstromventilatoren für die Lüftungstechnik sind sehr sparsam im Verbrauch und lassen sich mit Hilfe moderner Elektronik gut regeln.
.

Der StromStrom
Strom ist der Fluss von Ladungsträgern in einem elektrischen Leiter. Durch einen eingeschalteten elektrischen Verbraucher, z.B. eine Glühlampe, fließt ein Strom. Der Strom wird angetrieben von der Spannung, die an den beiden Polen bzw. Kontakten des Verbrauchers anliegt. Die Höhe des Stromes (Stromstärke) ist abhängig von der Höhe der Spannung und des elektrischen Widerstandes des Leitungsnetzes und des elektrischen Verbrauchers.
einer Solarzelle kann zum Betrieb verschiedener elektrischer Geräte wie Lampen, Ventilatoren, Pumpen, Fernseh- und Radiogeräte oder auch in einem AkkumulatorAkkumulator
Der Akkumulator speichert elektrische Energie durch Veränderung chemischer Substanzen. Der Akkumulator ist im Gegensatz zur Batterie wieder aufladbar, d. h. die chemischen Vorgänge sind umkehrbar. Im Kfz-Bereich werden Bleiakkus, in der Unterhaltungselektronik Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- oder Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Akkumulatoren dürfen nicht in den Hausmüll gegeben werden, sondern sind dem Handel für eine Wiederverwertung (Recycling) zuzuführen.
gespeichert werden. Mit Hilfe eines WechselrichtersWechselrichter
Ein Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung. Solarstrommodule erzeugen zunächst eine Gleichspannung, die zur Nutzung der üblicherweise vorhandenen Haushaltgeräte in eine netzkonforme Wechselspannung umgewandelt werden muss. Moderne Wechselrichter arbeiten mit Hilfe von elektronischen Bauelementen nahezu verlustfrei.
kann aus der GleichspannungGleichspannung
Gleichspannung liegt vor, wenn sich die Polarität einer Spannungsquelle nicht ändert, es gibt also einen Minus- und einen Pluspol. Ist an beiden Polen ein Verbraucher angeschlossen, z.B. eine Glühlampe, fließt ein Gleichstrom, d.h. ein gerichteter Strom in eine Richtung. Gleichspannung wird benötigt in allen elektronischen Geräten mit Halbleitern und wird bereitgestellt durch Batterien, Akkumulatoren, Solarzellen, Brennstoffzellen oder entsprechende Netzteile. Im Gegensatz dazu liefert unser Hausnetz eine Wechselspannung bzw. Wechselstrom.
auch eine WechselspannungWechselspannung
Bei einer Wechselspannung wechselt die Polarität an einem Pol in bestimmter Frequenz von Minus nach Plus und umgekehrt. Die Frequenz des Stromnetzes in Deutschland beträgt 50 Hz, d.h. die Polarität wechselt also 50 mal in der Sekunde. Bei Geräten, die mit Wechselspannung betrieben werden, muss keine Polung beachtet werden (im Gegensatz zum Austausch von Gleichspannung liefernden Batterien für elektronische Geräte).
mit 230V gewandelt werden.

Die überwiegende Zahl der heute gebauten Solarzellen wird aus dem Element SiliziumSilizium
Silizium ist das Grundmaterial der Computertechnik und Solarzellen schlechthin. Es kommt in der Natur in Form von Siliziumoxid in nahezu unbegrenztem Ausmaß vor (Sand). Für die Anwendung muss Silizium allerdings in hochreiner kristalliner Form verarbeitet, d.h. entsprechend aufbereitet werden. Man unterscheidet n-Silizium und p-Silizium. Bei der Herstellung von Brennwertgeräten wird von einigen Herstellern eine Legierung aus eine Aluminium-Silizium als wenig korrosionsanfälliger Kesselwerkstoff eingesetzt.
hergestellt. Dieses Element kommt als Siliziumdioxid (Sand, Steine) in großer Menge in der Erdkruste vor. Vor seiner Verwendung muss es in einem aufwendigen chemischen Prozess zu hochreinem Silizium gewandelt werden. Neben Silizium werden noch andere vielversprechende Materialien für Solarzellen erprobt. Sie besitzen zur Zeit jedoch noch keine nennenswerte praktische Bedeutung.

Silizium selbst ist ein guter Isolator, leitet den Strom also nicht.

Beim Betrachten von Solarzellen oder #Solarmodulen werden verschiedene Farben und Strukturen sichtbar.

Zum Schutz gegen gegen Umwelteinflüsse werden Solarzellen in Glasscheiben oder transparente Kunststoffflächen eingebettet, luftdicht verschlossen und meist mit einem stabilisierenden Metall-Rahmen versehen. Module aus kristallinem Silizium werden heute nach dem Internationalen Standard IEC 61215 zertifiziert. Für Module aus amorphem Silizium gilt IEC 61646.



© by f.nowotka | zuletzt geändert am: 11.01.2005 | 70111 x gelesen


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