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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Solarzellen und Module. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Methode, aus Sonnenlicht Strom zu erzeugen, ist seit langem bekannt. Das Phänomen des photoelektrischen Effekts wurde erstmals 1839 von E. Becquerel beobachtet. Dieses Phänomen wurde jedoch erst 1873 bemerkt, als W. Smith einen ähnlichen Effekt entdeckte, als er eine Selenplatte mit Licht bestrahlte. Schon im zwanzigsten Jahrhundert. Es wurde die Silizium-Solarzelle erfunden, die in den 50er Jahren einen hohen Grad an Perfektion erreichte. Der einfachste Aufbau einer Solarzelle auf Basis von monokristallinem Silizium ist in Abb. 1 dargestellt. In geringer Tiefe von der Oberfläche des p-Schicht-Siliziumwafers wird ein pn-Übergang mit einem dünnen Metallkontakt gebildet.
Auf der Rückseite der Platte ist ein durchgehender Metallkontakt angebracht. Wenn eine Solarzelle beleuchtet wird, erzeugen die absorbierten Photonen ungleichgewichtige Elektron-Loch-Paare. Elektronen, die in der p-Schicht in der Nähe des pn-Übergangs erzeugt werden, nähern sich dem pn-Übergang und werden durch das elektrische Feld in den n-Bereich transportiert. In ähnlicher Weise werden überschüssige Löcher, die in der n-Schicht entstehen, teilweise auf die p-Schicht übertragen. Dadurch erhält die n-Schicht eine zusätzliche negative Ladung und die p-Schicht eine positive Ladung. Die anfängliche Kontaktpotentialdifferenz zwischen den p- und n-Schichten des Halbleiters nimmt ab und im externen Stromkreis tritt Spannung auf. Der negative Pol der Quelle entspricht der n-Schicht und der positive Pol der p-Schicht. Im Gegensatz zu anderen Stromquellen hängen die Eigenschaften von Solarzellen von der auf die Oberfläche einfallenden Lichtmenge ab. Beispielsweise kann eine einziehende Wolke die Leistungsabgabe um mehr als 50 % reduzieren. Darüber hinaus haben Solarzellen unterschiedliche Parameter und müssen daher nach Ausgangsstrom sortiert werden. Durch Belasten des Elements können Sie ein Diagramm der Ausgangsleistung gegenüber der Spannung erstellen (Abb. 2). Die Spitzenleistung entspricht einer Spannung von 0,47 V.
Um Solarzellen unter gleichen Bedingungen miteinander zu vergleichen, ist es daher notwendig, sie so zu laden, dass die Ausgangsspannung 0,47 V beträgt. Die ausgewählten Zellen müssen in Reihe gelötet werden, um eine höhere Spannung zu erhalten, oder parallel gelötet werden, um eine höhere Spannung zu erhalten höherer Strom. Auch eine Seriell-Parallel-Verbindung ist möglich. Ein wichtiger Punkt ist das Temperaturregime. Wenn das Element um ein Grad über 25 °C erhitzt wird, verliert es 0,002 V. Zum Vergleich zeigt Abb. 3 eine Familie von Strom-Spannungs-Kennlinien für Temperaturen von 25 und 60 °C. An einem strahlend sonnigen Tag erwärmen sich die Elemente auf 60–70 °C. Dies ist der Hauptgrund für den Rückgang des Wirkungsgrades von Solarzellen (normalerweise beträgt er 10-16 %). Ein 100x100 mm großes Element kann also 1...1,6 W erzeugen.
Die Parallel- und Reihenschaltung von Solarzellen wird als Solarmodul bezeichnet. Beim Laden von Batterien mit einer Nennspannung von 12 V werden in der Regel 36 Solarzellen benötigt, was 16...17 V ergibt. Eine solche Reserve gegenüber der Spannung einer vollen Batterieladung (14,4 V) ist notwendig um Verluste im Ladegerät auszugleichen. Alle Photovoltaikanlagen können in zwei Typen unterteilt werden: autonom und an das Stromnetz angeschlossen (Letztere liefern überschüssige elektrische Energie in das Netz). Ein autonomes System besteht aus einer Reihe von Solarmodulen, die auf einer Tragstruktur platziert sind, einer Batterie, einem Lade-/Entladeregler für die Batterie und Verbindungskabeln. Wenn der Verbraucher Wechselspannung benötigt, wird diesem Kit ein DC-zu-AC-Wechselrichterwandler hinzugefügt. Die Berechnung des FES umfasst: Ermittlung der Nennleistung der Module, deren Anzahl, Anschlussplan, Auswahl des Typs und der Kapazität der Batterie, der Leistung des Wechselrichters und des Lade-Entlade-Reglers. Die Leistung der Verbraucher ist in den Produktdatenblättern angegeben. Die Wechselrichterleistung muss auf Basis der Gesamtleistung der Verbraucher multipliziert mit 1,25 ausgewählt werden. Es ist zu beachten, dass einige Verbraucher zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme ein Vielfaches der Nennleistung verbrauchen (Elektromotoren). Der Nennbereich der Wechselrichter beträgt 150, 300, 500, 800, 1500, 2500, 5000 W. Bei Leistungen über 1 kW wird die Stationsspannung mit mindestens 48 V gewählt. Bestimmung der Batteriekapazität. Die Batteriekapazität wird aus einem Standardkapazitätsbereich ausgewählt. Und die berechnete Kapazität erhält man, indem man die Gesamtleistung der Verbraucher durch das Produkt aus Batteriespannung und Entladetiefe der Batterie dividiert. Wenn beispielsweise die Gesamtleistung der Verbraucher 1000 W beträgt, inkl. pro Tag und die Entladetiefe einer 12-V-Batterie beträgt 50 %, dann beträgt die berechnete Kapazität 1000/(12x0,5) = 167 Ah. Diese Berechnung wurde für die Bedingung durchgeführt, dass alle Tage sonnig sind. Ermittlung der Gesamtleistung und Anzahl der Solarmodule. Der Durchschnittswert der Sonneneinstrahlung für verschiedene Breitengrade und verschiedene Monate im Jahr wird in meteorologischen Tabellen angegeben. Beispielsweise beträgt bei einem Breitengrad von 50° der Wert der Sonneneinstrahlung im Juli 180 kWh/m2, wenn der Standort nach Süden in einem Winkel von 40° zum Horizont ausgerichtet ist. Das bedeutet, dass die Sonne im Juli im Durchschnitt 180 Stunden (6 Stunden pro Tag) mit einer Intensität von 1000 W/m2 scheint. Das Modul mit der Leistung Pw erzeugt im gewählten Zeitraum folgende Energiemenge: W = k Pw E/1000, wobei E der Sonneneinstrahlungswert für den ausgewählten Zeitraum ist; k ist ein Koeffizient von 0,5 im Sommer und 0,7 im Winter (er berücksichtigt die Korrektur für die Erwärmung von Elementen in der Sonne). Beispielsweise werden bei einer Modulleistung von 1000 W und E = 180 kWh/m2 im Juli 90 kWh Strom erzeugt. Anhand dieser Daten können Sie die Gesamtleistung der Module berechnen und durch Division durch die Leistung eines Moduls die Anzahl der Module berechnen.
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