Im folgenden Artikel erklärt Georg Scharfenberg, wie aus der Solarzelle der Solargenerator aufgebaut ist, mit dem aus der Sonne der elektrische Strom für die Energiewende erzeugt wird. Der folgende Artikel ist der vierte in einer kleinen Serie zur Erzeugung Erneuerbarer Energien aus Photovoltaik.
Hier geht’s zu den ersten drei Bausteinen:
(1) Grüner Strom aus der Steckdose
(2) Energiewende mit Fotovoltaik
(3) Mitgestalten der Energiewende durch Erneuerbare Energien vor Ort
Georg Scharfenberg ist emeritierter Professor der OTH in Regensburg und ein ausgewiesener Experte für Energietechnik.Er liefert uns mit seiner Reihe eine Einführung, die in die Tiefe geht, aber trotzdem auch für Interessierte Laien verständlich sein sollte.
Photovoltaik-Anlage – Stromgenerator der Sonnenenergie
Den Aufbau einer Photovoltaik-Anlage, ausgehend von einem Hausdach, habe ich bereits im Artikel zur „Energiewende mit Fotovoltaik“ gezeigt. Es ist hier noch einmal in Abb. 1 als Anlagenprinzip wiedergegeben, mit dem elektrische Energie aus der ‚unendlichen Energiequelle‘, der Sonne, Strom erzeugt werden kann. Das gilt für jedes Hausdach, aber auch für Industrie- und Gewerbedächer, für Parkplatzüberdachungen oder für Freiflächenanlagen.
Die Photovoltaikzelle ist Energiewandler
Der Schlüssel zur direkten Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie liegt in der Photovoltaikzelle. Das Prinzip ist vor mehr als 180 Jahren durch den französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt worden. Die ersten Anwendungen haben wir aber erst Ende der 50er Jahre in der Raumfahrt zur elektrischen Versorgung von Satelliten kennengelernt.
Heute ist die Photovoltaikzelle das tragende Basiselement der erneuerbaren Energien neben den Erzeugern aus Windenergie. Die Photovoltaikzelle, auch PV-Zelle oder auch Solarzelle genannt, ist ein Halbleiterbauelement, das typischerweise aus zwei unterschiedlichen Silizium-Halbleiterschichten (unterschiedlich ‚dotiert‘) besteht, die in der Solarzelle in zwei Ebenen übereinander liegen. Ohne zu tief einzusteigen, soll hier erläutert werden, dass das Sonnenlicht von außen die obere Schicht durchdringt und in der Übergangszone (Grenzschicht) zur darunterliegenden Halbleiterebene absorbiert wird. Die Absorption, der in der Zelle nutzbaren Lichtenergie, führt zur Ladungstrennung und stellt zwei entgegengesetzte Ladungen bereit. Die unterschiedlichen Ladungen liegen als elektrische Gleichspannung an unterschiedlichen Elektroden (Anschlüssen) mit der positiven Elektrode (Plus +) und der negativen Elektrode (Minus -).
Die Nutzenergie kann an den Elektroden, in Abb. 2 an den Anschlüssen (Plus +) und (Minus -) durch elektrische Leiter abgenommen werden. Die Bezeichnung „Verbraucher“ in Abb. 2 ist symbolisch zu verstehen, denn eine einzelne Silizium-Solarzelle stellt lediglich eine elektrische Gleichspannung von ca. 0,5 Volt (0,5 V) bei optimaler Solarbestrahlung zur Verfügung.
Das Solarmodul
Um eine nutzbare Einheit („Solarmodul“) zu erhalten, befinden sich z.B. 60 Solarzellen in serieller Kontaktierung (Leiterbahnen) gemeinsam auf einem Träger und sind z.B. unter Glas in einem Aluminiumrahmen als montagefähiges Solarmodul verbaut. Das Solarmodul bietet auf der Rückseite je einen Plus- und Minus-Anschluss. Bezogen auf das aufgeführte Beispiel mit 60 Solarzellen im Solarmodul, wird eine Modul-Leerlaufspannung (unbelastetes Modul) von 60 x 0,5 V = 30 V an den Anschlüssen auftreten. Die mechanischen Maße eines Solarmoduls sind stark abhängig von der Anzahl der Solarzellen im Modul, während die typischen Maße einer Silizium-Solarzelle 156 mm x 156 mm bis 217 mm x 217 mm betragen.
Der Solargenerator
Der für ein Projekt benötigte „Stromgenerator“ (PV-Generator oder Solargenerator genannt) muss je nach Anwendungsfall eine spezifische Leistung bereitstellen. Ohne im ersten Schritt auf Details einzugehen, ist ein Generator in Abb. 3 mit den gezeigten Teilen wie folgt strukturiert:
Der Solarstring bestimmt die Generatorspannung
Aufbauend auf dem Konzept des Solarmoduls, bestehend aus einer Anzahl seriell geschalteter Solarzellen, wird ein Solarstring gleichermaßen nun aus einer Anzahl seriell, durch Kabelverdrahtung verbundener Solarmodule aufgebaut. Damit wird die Höhe der Generatorspannung durch die Anzahl der in Serie verbundenen Modulen festgelegt.
Zum Beispiel: Modulspannung 30 V, Anzahl der Module im String 20
ergibt eine Stringspannung (Generatorspannung) von 600 V (Leerlauf)
Parallele Solarstrings bestimmen die Generatorleistung
Wie in Abb. 3 gezeigt, kann der Generator zwei oder drei parallel geschaltete Strings enthalten. Der String, der an den Wechselrichter angeschaltet ist, stellt den Stringstrom zur Verfügung. Wie ich nachfolgend zeige, ist am „Arbeitspunkt“ eine bestimmte Stringleistung als Produkt aus Stringspannung mit Stringstrom zu erwarten. Wird für den PV-Generator eine Leistung benötigt, die die Stringleistung eines einzelnen Strings übersteigt, sind entsprechend, mit gleichem Aufbau, parallele Strings zu ergänzen. Die Generatorleistung ergibt sich dann aus der Summe der parallel geschalteten Strings.
Ein Blick hinter die Kulissen
Um im zweiten Schritt stärker die Hintergründe zu erläutern, dem sich ein reales Projekt unterwerfen muss, möchte ich auf wichtige Details der Solarzellen eingehen.
- Sonnenlicht erreicht den Erdboden
Die solare Leistung der Sonne außerhalb der Erdatmosphäre beträgt 1.361 W/m2. Der Wert wird als Solarkonstante bezeichnet.
Auf dem Weg durch die Atmosphäre sind verschiedene Effekte gegeben, die die maximal am Erdboden auftretende solare Leistung der Sonne abschwächen. Es wird mit einer maximalen Einstrahlungsleistung von 1.000 W/m2 in unserer Region auf einer optimal zur Sonne ausgerichteten Solargeneratorfläche gerechnet.
Wie wir wissen, setzt sich das Sonnenlicht (Photonen) aus allen Farben (Spektralfarben) zwischen Infrarot (niedrigere Leistung, hier Leistungsdichte) bis hin zum Ultraviolett (hohe Leistung) zusammen. Dieses Farbspektrum kann mit Wellenlängen charakterisiert werden. Es können dem Sonnenlicht infrarote Anteile bis 2.500 nm (Nanometer Wellenlänge) bzw. dem UV-Anteil (Ultraviolett) etwa bei 380 nm Wellenlänge zugeordnet werden (siehe Abb. 4). Die grau unterlegte Fläche entspricht der terrestrischen Sonnenstrahlung. Hierbei wird erkennbar, dass die auf der Erde auftreffende solare Leistungsdichte nicht kontinuierlich ist und auch Einschnitte hat. Dieses ist z.T. durch die Wechselwirkungen des Sonnenlichts in der Atmosphäre bedingt.
- Spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle
Aus Abb. 4 ist zudem der Verlauf eines Leistungsanteils als rote Fläche zu entnehmen. Dieses ist der energetische Anteil, der von der Silizium-Solarzelle aus dem Sonnenlicht am Erdboden genutzt werden kann. Es ist erkennbar, dass ein erheblicher Anteil der Sonnenenergie durch die Solarzelle nicht nutzbar ist, was bedeutet, dass das Sonnenlicht nur zu einem Teil in elektrischen Strom gewandelt wird. Dieser Anteil bestimmt den Wirkungsgrad der Solarzelle (siehe weiter hinten). Der nicht nutzbare Anteil entsteht als Wärme und muss über das Solarmodul abgeführt werden. Hier setzen Entwicklungen zu Hybrid-PV/T-Kollektor-Modulen an, die Solarmodule mit thermischen Absorbern kombinieren, damit die thermische Energie nicht verloren geht.
- Solarzellen-Technologien und Wirkungsgrade
Im bisherigen Anteil des Artikels habe ich Solarzellen auf der Basis von Siliziummaterial behandelt. Dieses Halbleitermaterial dominiert den Markt für die Photovoltaiktechnologie. Dabei ist zwischen monokristallinem und polykristallinem Material zu unterscheiden. Monokristalline Solarzellen sind aus einem Einkristall entstanden. Die Herstellung ist aufwendiger und damit teurer gegenüber polykristallinen Solarzellen. Aktuell haben monokristalline Solarmodule den größten Marktanteil aufgrund des besseren Wirkungsgrads.
Neben den genannten Technologien auf der Basis von kristallinem Siliziummaterial, sind zudem Dünnschicht-Technologien in amorphem Silizium und anderen Halbleitermaterialien mit kleinem Marktanteil angewandt.
| Technologien | Wirkungsgrad | Bemerkung |
| Monokristalline Solarzellen | 20 % bis 22,5 % | Aufwendige Herstellung, Schwachlichtnutzung vorteilhaft, Zuverlässigkeit 25 Jahre |
| Polykristalline Solarzellen | 17 % bis 20 % | Herstellung relativ einfacher, Schwachlichtnutzung weniger vorteilhaft, Zuverlässigkeit 25 Jahre |
| Dünnschicht Solarzellen | 10 % bis 13 % | Einfache Herstellung, geringes Gewicht, gute Schwachlichtnutzung Zuverlässigkeit 20 Jahre |
| Forschungs- und Entwicklungsbereich | ||
| Multijunction-Solarzellen | ca. 25 % | Mehrere Halbleitermaterialien (z.B. 3 Ebenen) wandeln unterschiedliche Lichtwellenlängen in elektrische Energie |
| III-V Solarzellen | ca. 40 % | Kombination verschiedener Halbleiter-Elemente auch in Verbindung mit Linsen zur Fokussierung des Sonnenlichts |
Tabelle 1: Zusammenstellung der Kerneigenschaften zu Zelltechnologien
- Die Solarzelle ist kein statisches Element
Im Tagesverlauf erfährt der Solargenerator erhebliche Unterschiede in der Bestrahlungsstärke. Die größten Auswirkungen haben die Rotation der Erde mit dem Tagesgang und die Änderung der Höhenwinkel der Sonne infolge der Jahreszeiten. Aber auch die Bewölkung nimmt starken Einfluss auf die eingestrahlte solare Leistung am Solargenerator.
Betrachten wir die erzeugte elektrische Leistung eines Solarmoduls. Die elektrische Leistung eines Solarmoduls ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke, entstehend aus der Summe der Einzelleistungen der geschalteten Solarzellen. Damit ist das technische Verhalten des Solargenerators insgesamt von den Charakteristika der einzelnen Solarzellen abhängig. Nachstehend erfolgt die Darstellung auf Basis der Solarmoduln.
Die Modulkennlinie in Abb. 5 zeigt die typische Strom-Spannungs-Charakteristik eines Solarmoduls in einem solaren Bestrahlungszustand. Die Beispiels-Kennlinie wird aufgespannt zwischen zwei kennzeichnenden Eckpunkten:
Leerlauf: Modulspannung 30 V (keine Last), die Stromstärke beträgt 0 A
Kurzschluss: Modulspannung 0 V (extrem hohe Last), die Stromstärke beträgt 4,5 A
Der „Arbeitspunkt“ des Moduls liegt zwischen den beiden Eckpunkten und erreicht das Optimum an einem Punkt, in dem das Produkt aus Stromstärke und Spannung das Maximum hat. Dieser Punkt wird „Maximum Power Point“ (MPP) genannt.
Ohne detaillierte Ausführung soll hier gesagt werden, dass jede sich ändernden Umgebungsbedingung zu einem neuen Bestrahlungszustand führt und damit die Kennlinie dynamisch verändert, wodurch der MPP stets neu bestimmt werden muss. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter. Der Wechselrichter mit seinen Aufgaben und die Einbettung des solaren Gesamtsystems in die Umgebung des Niederspannungs- bzw. Verteilnetzes wird in einem zu dieser Serie abschließenden Artikel behandelt.
