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Wie funktioniert eine PV-Anlage?

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Eingestellt 3, Mär 2015 in Photovoltaik von Sebastian
Die Antwort auf diese grundlegende Frage sollte hier nicht fehlen.
   

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Beantwortet 3, Mär 2015 von Martin Werner (2,069 Punkte)

Eine PV-Anlage besteht aus mehreren Komponenten. Im Folgenden gehe ich vom verbreitetsten Fall einer (Aufdach-)Anlage mit (Überschuss-)Einspeisung ins Wechselstromnetz aus. Zu einer Anlage gehören folgende Komponenten:

  • Module
  • DC-Kabel
  • Wechselrichter
  • AC-Kabel
  • Erzeugungszähler
  • Einspeisezähler
  • Verknüpfungspunkt zum Wechselstromnetz.

Die am schwierigsten zu erklärenden Teile sind die Module, oder eigentlich die Zellen, aus denen die Module bestehen. Eine Photovoltaik-(PV-)zelle besteht in den meisten Fällen aus kristallinem, hochreinem und dotiertem (mit gezielten Verunreinigungen) Silizium. Sie wandelt Lichtenergie (im allgemeinen Sonnenlicht) in elektrische Energie um, ist also das physikalische Kernstück einer PV-Anlage. Durch die zugeführte Energie werden freie Ladungsträger (negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher) erzeugt. Um aus diesen Ladungen einen elektrischen Strom zu erzeugen, ist es nötig, die erzeugten freien Ladungsträger in unterschiedliche Richtungen zu lenken. Dies gechieht durch einen Übergang zwischen einer positiven Überschussladungen dotierten n(+)-Schicht und einer negativ dotierten p(-)-Schicht. Um das gewünschte Profil zu erzeugen, wird gewöhnlich eine dünne Oberflächenschicht stark n-dotiert, die dickere Schicht darunter schwach p-dotiert. Das hat eine Raumladungszone mit hoher Weite zur Folge. Wenn in dieser Zone nun Photonen einfallen und Elektron-Loch-Paare erzeugen (innerer Photoeffekt), so werden durch das elektrische Feld die Löcher zum untenliegenden p-Material beschleunigt und umgekehrt die Elektronen zum n-Kontakt auf der (sonnenzugewandten) Oberseite. Die Spannung einer einzelnen Zelle erreicht dabei maximal 0,5 V. Durch Serienschaltung von 60 oder 72 Zellen zu den Modulen erreicht man maximale Modulspannungen von typisch 30 V bzw. 36 V (Gleichspannung).

Mehrere Module werden nun wieder in Serie (zu einem String) verbunden, so dass Stringspannungen von bis zu 1000 V erreicht werden. Dies ist dann die maximale Eingangsspannung des Wechselrichters, der aus der Gleichspannung und dem (in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung) variierenden Gleichstrom Wechselstrom erzeugt. Dabei werden Spannung und Strom auf der Gleichstromseite so angepasst, dass der Wechselrichter nach Möglichkeit das unter den gegebenen bedingungen erzielbare Energiemaximum erreicht (MPP = Maximum Power Point).

Bei netzgebundenen Anlagen muss der Wechselrichter nicht nur für die gleiche Spannung wie im Netz sorgen, sondern auch für die Synchronisation mit der Netzfrequenz. Bei Anlagen mit Überschusseinspeisung wird zunächst der im Hauskreis benötigte Strombedarf gedeckt und nur der Überschuss eingespeist.

Obiges ist eine stark vereinfachte Darstellung, die wissenschaftlich vielleicht nicht ganz korrekt, aber dafür hoffentlich auch für physikalische Laien verständlich ist. Eine detaillierte Darstellung findet sich u.a. in Wikipedia unter den aufgeführten Stichworten.

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