Photovoltaik

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Allgemein:

1. Amorphe Solarzellen aus Silizium
   
   
   Bei den amorphen Solarzellen wird das Silizium mit geringem Energieaufwand auf eine Trägerschicht (meist Glas) aufgedampft. Man spricht hier auch von Dünnschicht-Zellen, weil die Siliziumschicht wesentlich dünner ist als bei den beiden anderen Methoden. Diese Zellen sind in der Herstellung in bezug auf Strom und Spannung variabel. Dabei ist die Anzahl der Streifen (Zellenelemente) ausschlaggebend für die erzielbare Spannung und die Länge der Streifen ist ausschlaggebend für den erzielbaren Strom. Bei dieser Zellen-Art kann man von Solarmodulen sprechen. Amorphe Solarzellen haben außer ihrem geringen Wirkungsgrad (5 bis 10%) noch einen anderen Nachteil: Diese Zellen haben eine geringere Lebensdauer, weil das aufgedampfte Silizium altert und der Wirkungsgrad sich mit den Jahren verschlechtert. Typisch für amorphe Solarzellen ist die streifenförmige Oberflächenstruktur.
   
   
   
2. Polykristalline Solarzellen aus Silizium
   
   
   Die Herstellung dieser Zellen erfolgt durch Giessen in Blöcke, die nach Erkalten in dünne Scheiben von meistens 100 mm x 100 mm geschnitten werden. Diese Zellen werden als Ganze, Halbe-, Viertel- oder Achtel-Zellen angeboten. Polykristalline Zellen haben einen Wirkungsgrad von 10 bis 13% und sind zu einem günstigen Preis im Handel zu beziehen. Typisch für die polykristalline Solarzelle ist ihre unregelmäßige, mosaikartige Oberflächenstruktur.
   
   
   
3. Monokristalline Solarzellen aus Silizium
   
   
   Monokristalline Zellen, das sagt schon der Name, bestehen aus einem Monokristall d.h. der Kristall wurde aus einer (hochreinen ) Siliziumschmelze Millimeter für Millimeter zu einem großen Kristall gezogen und danach in dünne Scheiben geschnitten. Diese Herstellung ist ein sehr zeit- und energieaufwendiger Prozess. Diese Zellen haben den größten Wirkungsgrad von bis zu 17% und sind teurer als die polykristallinen Zellen. Typisch für die monokristallinen Solarzellen ist die runde einfarbig-blaue Form, die aber zur besseren Flächenausnutzung etwas rechteckförmig auf 103 mm x 103 mm beschnitten wurden.
   
   
   
4. Vergleich des Zellenmaterials
   
   

   Zellen-Vergleich
   Typ	amorph	polykristallin	monokristallin
   Wirkungsgrad	5-10%	11-13%	14-17%
   Leerlaufspannung	0.7 V	0.573 V	0.59 V
   Nennspannung	0.4 V	0.46 V	0.47 V
   Kurzschlussstrom		3.05 A	3.3 A
   Pmax		1.3 W	1.48 W

   
   
   

5. Temperaturabhängigkeit
   

   Temperaturabhängigkeit eines  5V Moduls:
   Temperatur	20 Grad	30 Grad	40 Grad	50 Grad
   Nennspannung	4.6 V	4.6 V	4.6 V	4.6 V
   Nennstrom	1082 mA	1012 mA	941 mA	871 mA
   Pmax	4.977 W	4.655 W	4.328 W	4.006 W

   Durch die Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Solarzelle,  je nach Jahreszeit, unterschiedlich. Im Sommer sind Temperaturen um die 50 Grad und mehr möglich.
     Bei steigender Zellentemperatur verringert sich die Zellenspannung um ca. 3mV/K, wobei
   der Strom um ca. 0.1% je K steigt, d.h. es entsteht ein Leistungsverlust. Bei einem 12V-Modul (zum Laden von 12V-Bleiakkus), bei dem die Nennspannung bei ca. 16.56 V liegt, ergibt sich ein Spannungsverlust von 108mV/K. Das sind, bei einem Temperaturanstieg von 25 Grad auf 50 Grad, 2.7 Volt. 

   Für diese Tabelle wurde die Nennspannung konstant gehalten, in deren Folge der Strom sinkt. Es ist zu sehen, das auf Grund der Erwärmung der Solarmodule die Leistung um 1/5 bis zu 1/4 sinkt. Die Leistungswerte die vom den Herstellern angeben werden, sind auf 25 Grad Celsius bezogen. Wie man aus der Tabelle ersehen kann, liegt die Leistung bei Betriebstemperatur wesentlich unter den Werten die vom Herstellen angegeben werden. Das sollte man bei der Konzeption seiner Solarmodule beachten.
   
   

Sonnendaten

1. Durchschnittliche Sonnenscheindauer im Raum Magdeburg
   
   

   Sonnenscheindauer in Stunden pro Monat  (Werte von www.dwd.de)

   Wie aus dem Diagramm zu sehen ist, lag die durchschnittliche Sonnenscheindauer, in meinem Einzugsbereich, im Sommer bei ca. 225 Sonnenstunden pro Monat. In den Wintermonaten sinkt die Sonnenscheindauer auf ca. 55 Sonnenstunden ab. Das ist nur noch 1/4 der in Sommer erreichbaren Zeit. 
   
   
   

2. Durchschnittliche Sonnenscheindauer in Deutschland 
   
   

   Durchschnittliche Sonnenscheindauer  in Stunden pro Jahr

   Wie zu sehen ist, weicht die Sonnenscheindauer regional ab. Der Durchschnitt liegt bei 1550 Stunden pro Jahr.
   
   
   

    

3. Berechnung von Photovoltaik-Daten
   
   
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Facts:

• die optimale Spannung bei höchstmöglicher Leistung liegt bei mono-/polykristallinen Zellen zwischen 0.457 und 0.47 Volt/Zelle bei 1000 W/m² (schöner Sonnentag) und 25 Grad Celsius Zellentemperatur und AM1.5
  (Datenblatt des Herstellers beachten)
• der optimale Winkel der Solarmodule beträgt 90 Grad zur Sonne = optimale Leistungsausbeute
• Helligkeit der Sonne im Sommer ca. 100.000 Lux, im Winter ca. 20.000 Lux
• 1 Sonnenscheinstunde = direkte Strahlung von mehr als 120 W/m² während einer Stunde 
• MPP = Maximum Power Point = der Wert der Zellenspannung, bei der die maximale Leistung erreicht wird.
  Dieser Wert der Zellenspannung ist die Nennspannung.
• Beleuchtungsstärke (auch Bestrahlungsstärke genannt) ist die Helligkeit einer beleuchteten Fläche (Solargenerator). Ihre Einheit ist das LUX. (Sonne, Juni, zu Mittag = 100.000 Lux im Dezember 9.000 Lux).
• die Globalstrahlung der Sonne in Deutschland beträgt zwischen 1000 u. 1100 W/m²
  (Unter Globalstrahlung versteht man die, auf einen waagerecht gelegenen Quadratmeter der Erdoberfläche, auftreffende Sonnenenergie)
  • Sonnenschein, klarer bis leicht diffuser Himmel 
    Sommer: 600-1000 W/m² 
    Winter:     300-  500 W/m² 
  • Sonnenschein bei leichter bis mittlerer Bewölkung 
    Sommer: 300-600 W/m² 
    Winter:     150-300 W/m² 
  • stark bewölkt bis nebelig 
    Sommer: 100-300 W/m² 
    Winter:       50-150 W/m² 
• der vieljährige Jahresdurchschnittswert der Globalstrahlung liegt in Deutschland bei 1037 KWh/m².

Modulvergleich: