Wie funktionieren Solarmodule?

Sonnenkollektoren werden schnell zu einer sehr attraktiven Option für erneuerbare Energien, die letztendlich unglaublich vorteilhaft für die Umwelt sein könnte. Der Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie hat sich in den letzten Jahrzehnten dramatisch verbessert und ist heute effizienter denn je. Die Nutzung von Solarenergie gibt es seit Jahren in kleinen Geräten wie Taschenrechnern, aber jetzt sprechen viele davon, Häuser und Unternehmen mit diesen Paneelen zu versorgen.

Solar ist eine der vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen, die derzeit verfügbar sind, da Solarenergie reichlich vorhanden ist. Die Strahlen, die von der Sonne ausgehen, können fast 1.000 Watt Energie für jeden Quadratmeter der Erdoberfläche produzieren. Durch das Sammeln dieser Energie müssten wir uns nie wieder auf schädliche fossile Brennstoffe verlassen. Eine Solar-PV-Anlage nutzt Sonnenlicht, um Strom zu erzeugen, mit dem Sie Ihr Zuhause oder Büro mit Strom versorgen können, um Ihren Kohlenstoff-Fußabdruck und die Auswirkungen auf die Umwelt zu reduzieren.

Solarenergie wird mit der Energie erzeugt, die von der Sonne erzeugt wurde. Ein Solarpanel kann mit der Sonnenenergie arbeiten, die von der Sonne stammt. Jedes Solarpanel enthält viele verschiedene Siliziumzellen oder Solarzellen. Sie sind Bausteine von Sonnenkollektoren. Die Energie der Sonne wird von diesen Solarzellen absorbiert. Die von der Sonne gewonnene Sonnenenergie wird mit Hilfe eines Solarpanels in Strom umgewandelt.

Aus diesem Grund ist es wichtig, genau zu verstehen, wie Sonnenkollektoren funktionieren und wie sie zur Stromerzeugung für das durchschnittliche Haus verwendet werden können.

1. Die auf den Dächern installierten Sonnenkollektoren absorbieren das Sonnenlicht (Photonen) der Sonne.

2. Das Silizium und die Leiter im Panel wandeln das Sonnenlicht in Gleichstrom (DC) um, der dann in den Wechselrichter fließt.

3. Der Wechselrichter wandelt dann Gleichstrom in Wechselstrom (Wechselstrom) um, den Sie zu Hause verwenden können.

4. Überschüssiger Strom, der von Ihnen nicht genutzt wird, kann wieder ins Netz eingespeist werden.

5. Wenn Ihre Sonnenkollektoren weniger Strom produzieren, als Sie zu Hause benötigen, können Sie jederzeit Strom vom Versorgungsunternehmen kaufen.

Der Prozess der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität

• Sonnenkollektoren verwenden einen speziellen Prozess der Umwandlung von Photonen in Elektronen, um einen Strom zu erzeugen, indem sie eine spezielle Art von Zelle verwenden, die als Photovoltaikzelle bekannt ist. Diese Zellen befinden sich häufig auf der Vorderseite von Taschenrechnern und kleinen Geräten. Wenn mehrere von ihnen miteinander verbunden sind, werden sie gemeinsam als Solarpanel bezeichnet.

• Photovoltaikzellen bestehen aus halbleitenden Materialien wie Silizium. Der Halbleiter absorbiert das Licht der Sonne. Wenn dies geschieht, klopfen die Photonen im Sonnenlicht einige der Elektronen im halbleitenden Material los, wodurch sie in einem elektrischen Strom fließen können.

• Innerhalb jeder Zelle gibt es ein elektrisches Feld, das verwendet wird, um diesen Elektronenfluss in eine bestimmte Richtung zu rationalisieren. Wenn diese Elektronen auf einen Metallkontakt treffen, der auf der Photovoltaikzelle platziert ist, kann er zur Stromversorgung von Geräten verwendet werden.

Die Verwendung von Silizium

• Silizium besteht in kristalliner Form, wobei jedes Siliziumatom vierzehn Elektronen in einem speziellen Aufbau aus drei verschiedenen Schalen hält. Zwei dieser Schalen sind voll und halten zwei bzw. acht Elektronen. Die dritte Schale, die die letzten vier Elektronen enthält, ist nur halb voll. Um die letzte Hülle zu füllen, teilt sich das Silizium Elektronen mit vier nahe gelegenen Atomen. Dies gibt ihm seine kristalline Struktur.

• In seiner natürlichen Form ist Silizium kein besonders gut leitfähiges Material, da es im Gegensatz zu anderen leitfähigen Materialien wie Kupfer keine freien Elektronen aufweist. Um die Bewegung dieser Elektronen freizusetzen, ist das Silizium in Sonnenkollektoren eine spezielle, unreine Form von Silizium. Durch die Vermischung anderer Atome mit den Siliziumatomen entsteht eine ungerade Anzahl freier Elektronen. Diese Elektronen bilden keine Bindungen und können sich daher frei bewegen, wenn sie von Licht getroffen werden.

• Um zu verhindern, dass Photonen vom Material abprallen, wird eine Antireflexbeschichtung auf die Zellen aufgebracht. Sehr oft wird eine Glasabdeckung über die Oberseite gelegt, um das Silizium vor äußeren Elementen zu schützen.

Das elektrische Feld

• Wenn positives und negatives Silizium miteinander in Kontakt kommen, werden die freien Elektronen auf der einen Seite zur anderen gezogen. Wenn sich die beiden vermischen, bilden sie eine Art Barriere, die als elektrisches Feld bekannt ist. Dieses Feld drückt Elektronen vom positiven Silizium zum Negativen, lässt sie aber nicht in die andere Richtung fließen.

• Wenn Photonen auf die photovoltaische Zelle treffen, werden Elektronen-Loch-Paare auseinander gebrochen. Wenn dies geschieht, wird das Elektron freigesetzt und ein Raum wird verfügbar, um von einem anderen Elektron gefüllt zu werden. Das Elektron bewegt sich zur negativen Seite, während sich das Loch zur positiven Seite bewegt, wodurch ein Ungleichgewicht in der elektrischen Neutralität der Zelle entsteht. Durch das Einfügen von Leitern können wir diese Bewegung von Elektronen verwenden, um einen Strom zu erzeugen, während das elektrische Feld eine Spannung erzeugt. Das Produkt dieser beiden ist Macht.

Potenzieller Energieverlust

Eines der Hauptprobleme der Solarenergie ist die Tatsache, dass sie oft weniger effizient ist als andere Formen der Energieerzeugung und im Vergleich zu Gegenstücken wie der Verbrennung fossiler Brennstoffe nur geringe Strommengen liefert. Es gibt viele Gründe für diesen Energieverlust.

• Eine der Hauptursachen für Energieverluste ist die Tatsache, dass das Licht der Sonne in vielen verschiedenen Wellenlängen kommt. Einige dieser Wellenlängen funktionieren genau wie erwartet, wobei Photonen Elektron-Loch-Paare trennen. Einige von ihnen haben jedoch nicht die Energie, diese Paare zu trennen und sie harmlos zu passieren. Andere haben immer noch zu viel Energie, was bedeutet, dass ein großer Teil der Energie verloren geht, weil mehr Energie vorhanden ist, als benötigt wird, um ein Elektron freizuschlagen, aber nicht genug, um noch mehr freizuschlagen.

• Während ein anderes Material weniger Energie benötigen würde, um seine Elektronen freizuschlagen, würde dies bedeuten, dass die Spannung des Materials viel niedriger wäre. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, muss ein Gleichgewicht zwischen der von der Solarzelle erzeugten Spannung und dem erzeugten Strom hergestellt werden. Ohne diese Balance geht die Effizienz verloren.

• Metall wird normalerweise am Boden der Zellen platziert, um die Elektronen zu leiten. Diese Platten sammeln jedoch nicht die gesamte erzeugte Energie, da einige durch die Oberseite verloren gehen. Das Abdecken der Oberseite würde bedeuten, das Sonnenlicht zu verlieren, während das Anbringen von Leitern an der Außenseite der Zelle erfordern würde, dass sich die Elektronen viel weiter bewegen. Aus diesem Grund werden die Zellen häufig durch ein dünnes Gitter des Metalls bedeckt, um zu helfen, den Abstand zu verringern, den die Elektronen reisen müssen.

Die Verwendung von Solarenergie

• Durch Anbringen von Sonnenkollektoren auf dem Dach eines Hauses können Photovoltaikzellen zur Stromerzeugung verwendet werden, die direkt von der Stromversorgung des Hauses genutzt oder zunehmend in großen Batterien gespeichert werden kann, mit denen das Haus wie ein Generator mit Strom versorgt werden kann. Wenn Sie in einer dunkleren Region der Welt leben, wird der Wirkungsgrad dieser Sonnenkollektoren natürlich stark reduziert.

• Solarenergie kann auch an Stromnetze verkauft werden, wenn ein Überschuss an Strom erzeugt wird. Dies bedeutet, dass, wenn die Sonne hell scheint, Sie Solarzellen verwenden können, um Ihre Geräte mit Strom zu versorgen und sogar etwas Geld zu verdienen, wenn Sie einen Überschuss an Energie erzeugen. Ähnlich, sollte die Sonne nicht scheinen, Sie werden immer noch an das Hauptversorgungsnetz angeschlossen, mit dem Sie Energie von ihnen kaufen können, wenn Sie sich nicht auf Batterien oder Generatoren verlassen möchten.

• Sonnenkollektoren sind auch in Raumfahrzeugen üblich, um Strom für Bordcomputer und andere elektrische Geräte zu erzeugen. Dies ist vor allem auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Wirksamkeit von Sonnenkollektoren im Weltraum nicht beeinträchtigt wird und die Sonne immer scheint, was bedeutet, dass die Fahrzeuge eine zuverlässige Energiequelle haben, ohne schwere Brennstoffe oder Batterien mitnehmen zu müssen. Diese Platten sind oft auf Satelliten und Discovery Crafts wie Shuttles und Handwerk wie die Mars-Rover gefunden.

Jedes Solarpanel enthält viele verschiedene Siliziumzellen oder Solarzellen. Jede Solarzelle erzeugt ein paar Volt Strom. Photonen treffen auf die Oberfläche dieser Solarzellen und erzeugen dann einen elektrischen Strom. Das Dach ist der übliche Ort, an dem Sonnenkollektoren zu Hause oder in Büros installiert werden, damit es die erforderliche Sonneneinstrahlung erhält. Die Photovoltaikmodule auf dem Solarpanel wandeln die Sonnenenergie in elektrische Energie um. Der Strom, der durch diese Paneele erzeugt wird, ist meist Gleichstrom (Gleichstrom), der mit Hilfe eines Wechselrichters in Wechselstrom (Wechselstrom) umgewandelt wird. Silizium ist eines der Hauptmaterialien, die normalerweise zur Herstellung eines Solarmoduls verwendet werden.

Bildnachweis: Thomas Kohler , Hafen von San Diego