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Sonnenenergie
Eine animierte Kurzerklärung zu Solarenergie: Gewinnung, Nutzung und Speicherung
Interaktives Diagramm des Solarenergiekreislaufs: Sonnenlicht trifft auf die Module und erzeugt Gleichstrom, ein Wechselrichter wandelt diesen für den Hausgebrauch in Wechselstrom um, der Überschuss lädt tagsüber einen Batteriespeicher auf, und nachts entlädt sich die Batterie, um das Haus zu versorgen. Wechseln Sie zwischen Tag und Nacht, um die Umkehr des Stromflusses zu sehen.
Wechseln Sie zwischen Tag und Nacht, um die umgekehrte Strömung zu beobachten
Durch Umschalten des Schalters oben kann zwischen Tag- und Nachtmodus gewechselt werden – dabei wird das Leuchten des Panels schwächer, die Flusslinien auf der Batterieleitung ändern ihre Richtung und der Ladezustand sinkt, wenn vom Laden zum Entladen umgeschaltet wird.
So hängen die sechs Phasen zusammen:
1.
Sonnenlicht → Paneele — Photonen treffen auf die Photovoltaikzellen und lösen Elektronen, wodurch Gleichstrom erzeugt wird.
Sonnenlicht → Paneele — Photonen treffen auf die Photovoltaikzellen und lösen Elektronen, wodurch Gleichstrom erzeugt wird.
2.
Solarmodule → Wechselrichter — dieser rohe Gleichstrom wird zum Wechselrichter geleitet, der als Übersetzer des Systems fungiert.
Solarmodule → Wechselrichter — dieser rohe Gleichstrom wird zum Wechselrichter geleitet, der als Übersetzer des Systems fungiert.
3.
Wechselrichter → Wechselstrom — Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, die Form, die die Steckdosen und Geräte in Ihrem Haus tatsächlich verwenden.
Wechselrichter → Wechselstrom — Der Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, die Form, die die Steckdosen und Geräte in Ihrem Haus tatsächlich verwenden.
4.
Nutzung — Wechselstrom fließt direkt ins Haus zur sofortigen Nutzung — Beleuchtung, Haushaltsgeräte, alles läuft in Echtzeit.
Nutzung — Wechselstrom fließt direkt ins Haus zur sofortigen Nutzung — Beleuchtung, Haushaltsgeräte, alles läuft in Echtzeit.
5.
Speicher – alles, was das Haus nicht nutzt, wird in den Akku geleitet und für später aufgeladen.
Speicher – alles, was das Haus nicht nutzt, wird in den Akku geleitet und für später aufgeladen.
6.
Nachtentladung – sobald die Sonne untergeht und die Paneele nicht mehr arbeiten, kehrt die Batterie die Richtung um und speist Strom über den Wechselrichter zurück, um das Haus bis zum Sonnenaufgang mit Strom zu versorgen.
Nachtentladung – sobald die Sonne untergeht und die Paneele nicht mehr arbeiten, kehrt die Batterie die Richtung um und speist Strom über den Wechselrichter zurück, um das Haus bis zum Sonnenaufgang mit Strom zu versorgen.
Diagramm eines Wechselrichters: Gleichstrom fließt in eine Schaltbrücke, in der zwei diagonale Schalterpaare abwechselnd schalten und eine Rechteckwelle erzeugen, die zu einer sauberen Sinuswelle geglättet wird.
Gleichstromeingang
Die Batterie oder die Solarzellen liefern eine konstante Spannung – der Strom fließt nur in eine Richtung, wie ein Fluss ohne Strömungsumkehr.
Die Batterie oder die Solarzellen liefern eine konstante Spannung – der Strom fließt nur in eine Richtung, wie ein Fluss ohne Strömungsumkehr.
Die Schaltbrücke
Im Inneren des Wechselrichters befinden sich vier elektronische Schalter (üblicherweise Transistoren – IGBTs oder MOSFETs), die in einer sogenannten H-Brücke angeordnet sind. Sie sind in zwei diagonalen Paaren verschaltet. Es ist immer nur ein Paar geschlossen.
Im Inneren des Wechselrichters befinden sich vier elektronische Schalter (üblicherweise Transistoren – IGBTs oder MOSFETs), die in einer sogenannten H-Brücke angeordnet sind. Sie sind in zwei diagonalen Paaren verschaltet. Es ist immer nur ein Paar geschlossen.
Richtungsumkehr
Wenn sich das erste Adernpaar schließt, fließt der Strom in eine Richtung durch den Ausgang. Bruchteile einer Sekunde später öffnet sich dieses Paar, und das andere diagonal gegenüberliegende Adernpaar schließt sich – wodurch der Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung gelenkt wird. Dieser Wechsel wiederholt sich 50 oder 60 Mal pro Sekunde (entsprechend der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz, je nach Land).
Wenn sich das erste Adernpaar schließt, fließt der Strom in eine Richtung durch den Ausgang. Bruchteile einer Sekunde später öffnet sich dieses Paar, und das andere diagonal gegenüberliegende Adernpaar schließt sich – wodurch der Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung gelenkt wird. Dieser Wechsel wiederholt sich 50 oder 60 Mal pro Sekunde (entsprechend der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz, je nach Land).
Eine abgehackte Rechteckwelle
Ein so schneller Richtungswechsel erzeugt eine zackige, blockartige Wellenform – technisch gesehen bereits Wechselstrom, aber nicht die gleichmäßige Welle, die Ihre Geräte erwarten.
Ein so schneller Richtungswechsel erzeugt eine zackige, blockartige Wellenform – technisch gesehen bereits Wechselstrom, aber nicht die gleichmäßige Welle, die Ihre Geräte erwarten.
Glättung
Das ursprüngliche Rechtecksignal durchläuft einen Filter – üblicherweise Spulen und Kondensatoren –, der die scharfen Kanten abrundet und es in das saubere Sinussignal formt, das an Ihre Steckdosen gelangt. Hochwertige Wechselrichter mit „reiner Sinuswelle“ führen mehr Schaltvorgänge durch (eine Technik namens Pulsweitenmodulation), um vor der Filterung eine nahezu perfekte Sinuswelle zu erzeugen; günstigere Wechselrichter mit „modifizierter Sinuswelle“ verzichten auf einen Teil dieser Optimierung, was für die meisten Geräte ausreichend ist, aber bei empfindlicher Elektronik Probleme verursachen kann.
Das ursprüngliche Rechtecksignal durchläuft einen Filter – üblicherweise Spulen und Kondensatoren –, der die scharfen Kanten abrundet und es in das saubere Sinussignal formt, das an Ihre Steckdosen gelangt. Hochwertige Wechselrichter mit „reiner Sinuswelle“ führen mehr Schaltvorgänge durch (eine Technik namens Pulsweitenmodulation), um vor der Filterung eine nahezu perfekte Sinuswelle zu erzeugen; günstigere Wechselrichter mit „modifizierter Sinuswelle“ verzichten auf einen Teil dieser Optimierung, was für die meisten Geräte ausreichend ist, aber bei empfindlicher Elektronik Probleme verursachen kann.
Querschnitt einer Solarzelle: Sonnenlicht trifft auf die n-Typ- und p-Typ-Siliziumschichten und schlägt am pn-Übergang ein Elektron heraus. Das Elektron wandert nach oben durch den Frontkontakt, durch einen äußeren Stromkreis, der ein Gerät versorgt, und zurück durch den Rückkontakt, um den Kreislauf zu schließen.
Folgendes passiert tatsächlich im Inneren dieser dünnen Scheibe:
Dotiertes Silizium, zwei Wege
Eine Solarzelle besteht aus Silizium, das gezielt mit Spuren von Fremdatomen dotiert wurde. Die obere Schicht (n-Typ) ist mit einem Element dotiert, das ein Elektron mehr als Silizium besitzt, wodurch ein Überschuss an freien Elektronen entsteht. Die untere Schicht (p-Typ) ist mit einem Element dotiert, das ein Elektron weniger besitzt, wodurch „Löcher“ entstehen – Lücken, in denen sich ein Elektron aufhalten könnte.
Eine Solarzelle besteht aus Silizium, das gezielt mit Spuren von Fremdatomen dotiert wurde. Die obere Schicht (n-Typ) ist mit einem Element dotiert, das ein Elektron mehr als Silizium besitzt, wodurch ein Überschuss an freien Elektronen entsteht. Die untere Schicht (p-Typ) ist mit einem Element dotiert, das ein Elektron weniger besitzt, wodurch „Löcher“ entstehen – Lücken, in denen sich ein Elektron aufhalten könnte.
Der Übergang erzeugt ein eingebautes elektrisches Feld.
An der Stelle, wo diese beiden Schichten aufeinandertreffen – dem p-n-Übergang – wandern Elektronen von der n-Seite auf die p-Seite und füllen dort nahegelegene Löcher. Diese Migration erzeugt ein kleines, permanentes elektrisches Feld direkt am Übergang, das von der n- zur p-Dotierung gerichtet ist. Dieses Feld ist die Ursache des gesamten Effekts.
An der Stelle, wo diese beiden Schichten aufeinandertreffen – dem p-n-Übergang – wandern Elektronen von der n-Seite auf die p-Seite und füllen dort nahegelegene Löcher. Diese Migration erzeugt ein kleines, permanentes elektrisches Feld direkt am Übergang, das von der n- zur p-Dotierung gerichtet ist. Dieses Feld ist die Ursache des gesamten Effekts.
Ein Photon löst das Problem
Wenn ein Photon des Sonnenlichts genügend Energie besitzt, trifft es auf ein Siliziumatom nahe dem pn-Übergang und löst ein Elektron vollständig heraus, wodurch ein Loch entsteht. Ohne diese Reaktion würde das Elektron einfach in das Loch zurückfallen und seine Energie als Wärme abgeben. Doch dazu kommt es nicht.
Wenn ein Photon des Sonnenlichts genügend Energie besitzt, trifft es auf ein Siliziumatom nahe dem pn-Übergang und löst ein Elektron vollständig heraus, wodurch ein Loch entsteht. Ohne diese Reaktion würde das Elektron einfach in das Loch zurückfallen und seine Energie als Wärme abgeben. Doch dazu kommt es nicht.
Das Feld trennt sie.
Das elektrische Feld des Übergangs erfasst das freigesetzte Elektron und drängt es zur n-Seite, während das Loch zur p-Seite gedrängt wird. Diese Trennung erzeugt eine Spannung – genau wie die Ladungstrennung in einer Batterie.
Das elektrische Feld des Übergangs erfasst das freigesetzte Elektron und drängt es zur n-Seite, während das Loch zur p-Seite gedrängt wird. Diese Trennung erzeugt eine Spannung – genau wie die Ladungstrennung in einer Batterie.
Der Rest erledigt der Stromkreis.
Das Elektron kann gegen das Magnetfeld nicht durch den pn-Übergang zurückfließen, daher ist sein einziger Weg zurück der lange Umweg: durch die n-Schicht, in das Metallkontaktgitter auf der Vorderseite, durch die Verdrahtung, durch das angeschlossene Gerät, zurück in den rückseitigen Metallkontakt und in die p-Schicht – wo es sich mit einem Loch rekombiniert und den Stromkreis schließt. Dieser stetige Strom von Elektronen, der den langen Weg nimmt, multipliziert mit Milliarden von Photonen pro Sekunde, ist der Strom, den ein Solarmodul erzeugt.
Das Elektron kann gegen das Magnetfeld nicht durch den pn-Übergang zurückfließen, daher ist sein einziger Weg zurück der lange Umweg: durch die n-Schicht, in das Metallkontaktgitter auf der Vorderseite, durch die Verdrahtung, durch das angeschlossene Gerät, zurück in den rückseitigen Metallkontakt und in die p-Schicht – wo es sich mit einem Loch rekombiniert und den Stromkreis schließt. Dieser stetige Strom von Elektronen, der den langen Weg nimmt, multipliziert mit Milliarden von Photonen pro Sekunde, ist der Strom, den ein Solarmodul erzeugt.
Ein einzelnes Solarmodul erzeugt auf diese Weise nur einen Bruchteil eines Volts. Deshalb werden in realen Solarmodulen viele Zellen in Reihe geschaltet, um eine nutzbare Spannung zu erreichen, bevor der Gleichstrom zum Wechselrichter geleitet wird.
Sobald der Wechselstrom den Wechselrichter verlässt, fließt er durch den Hauptverteilerkasten Ihres Hauses – denselben Sicherungskasten, der auch für Netzstrom verwendet wird – und von dort an folgt das System einer festgelegten Prioritätsreihenfolge:
1.
Ihre Haushaltsgeräte werden vorrangig mit Strom versorgt. Alles, was Ihr Haus gerade verbraucht – Licht, Kühlschrank, Heizung/Klimaanlage, alles, was läuft – wird direkt aus der Solarstromproduktion bezogen. Das geschieht sofort und automatisch; es gibt keine Verzögerung oder Umschaltung.
Ihre Haushaltsgeräte werden vorrangig mit Strom versorgt. Alles, was Ihr Haus gerade verbraucht – Licht, Kühlschrank, Heizung/Klimaanlage, alles, was läuft – wird direkt aus der Solarstromproduktion bezogen. Das geschieht sofort und automatisch; es gibt keine Verzögerung oder Umschaltung.
2.
Überschüssiger Strom lädt die Batterie. Produzieren Ihre Solarmodule mehr Strom, als das Haus in diesem Moment verbraucht (was um die Mittagszeit häufig vorkommt), wird der Überschuss in den Akku geleitet, bis dieser voll ist.
Überschüssiger Strom lädt die Batterie. Produzieren Ihre Solarmodule mehr Strom, als das Haus in diesem Moment verbraucht (was um die Mittagszeit häufig vorkommt), wird der Überschuss in den Akku geleitet, bis dieser voll ist.
3.
Jeder darüber hinausgehende Strom wird ins Netz eingespeist. Sobald die Batterie aufgeladen ist und das Haus zufrieden ist, wird die zusätzliche Produktion in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Abhängig von Ihrem Energieversorger und Ihrem Land erhalten Sie dafür entweder eine Gutschrift (Net Metering), werden zu einem Großhandelspreis gekauft oder in manchen Situationen überhaupt nicht vergütet – es lohnt sich, die Richtlinien Ihres spezifischen Energieversorgers zu prüfen.
Jeder darüber hinausgehende Strom wird ins Netz eingespeist. Sobald die Batterie aufgeladen ist und das Haus zufrieden ist, wird die zusätzliche Produktion in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Abhängig von Ihrem Energieversorger und Ihrem Land erhalten Sie dafür entweder eine Gutschrift (Net Metering), werden zu einem Großhandelspreis gekauft oder in manchen Situationen überhaupt nicht vergütet – es lohnt sich, die Richtlinien Ihres spezifischen Energieversorgers zu prüfen.
4.
Wenn die Solarenergie nicht ausreicht, springt das Stromnetz ein. Bei einer bewölkten Periode oder wenn der Bedarf die Leistung Ihrer Solarmodule übersteigt (beispielsweise wenn Klimaanlage und Backofen gleichzeitig eingeschaltet werden), wird die Differenz aus dem Stromnetz gedeckt – oder, falls vorhanden und geladen, zunächst aus der Batterie, bevor das Stromnetz überhaupt angezapft wird.
Wenn die Solarenergie nicht ausreicht, springt das Stromnetz ein. Bei einer bewölkten Periode oder wenn der Bedarf die Leistung Ihrer Solarmodule übersteigt (beispielsweise wenn Klimaanlage und Backofen gleichzeitig eingeschaltet werden), wird die Differenz aus dem Stromnetz gedeckt – oder, falls vorhanden und geladen, zunächst aus der Batterie, bevor das Stromnetz überhaupt angezapft wird.
Ein intelligenter Stromzähler am Netzanschlusspunkt erfasst all diese Daten – wie viel Strom Sie importieren und exportieren – und genau darauf basiert Ihre Stromrechnung (oder Gutschrift).
Eine Besonderheit: Die genaue Priorität zwischen „Batterie laden“ und „Einspeisung ins Netz“ lässt sich bei den meisten modernen Systemen einstellen. Manche priorisieren das Laden der Batterie für eine sichere Notstromversorgung; andere die Einspeisung, wenn ihr Energieversorger dafür gut bezahlt.
Eine Besonderheit: Die genaue Priorität zwischen „Batterie laden“ und „Einspeisung ins Netz“ lässt sich bei den meisten modernen Systemen einstellen. Manche priorisieren das Laden der Batterie für eine sichere Notstromversorgung; andere die Einspeisung, wenn ihr Energieversorger dafür gut bezahlt.
Interaktives Diagramm des Ladens und Entladens einer Solarbatterie: Lithium-Ionen bewegen sich zwischen einer Kathode und einer Anode durch einen Elektrolyten, angetrieben von einem Ladegerät beim Laden und freigesetzt, um eine Last beim Entladen zu versorgen. Umschalten zwischen Laden und Entladen zeigt, wie Ionen- und Elektronenfluss sowie die Pfeile die Richtung wechseln.
Folgendes passiert im Inneren des Akkus:
Zwei Elektroden, eine flüssige Zwischenschicht
Eine Lithiumbatterie besitzt auf der einen Seite eine Kathode (typischerweise Lithiummetalloxid) und auf der anderen Seite eine Anode (meist Graphit), die durch einen Elektrolyten getrennt sind – eine Flüssigkeit oder ein Gel, durch das Lithiumionen schwimmen können, Elektronen jedoch nicht.
Eine Lithiumbatterie besitzt auf der einen Seite eine Kathode (typischerweise Lithiummetalloxid) und auf der anderen Seite eine Anode (meist Graphit), die durch einen Elektrolyten getrennt sind – eine Flüssigkeit oder ein Gel, durch das Lithiumionen schwimmen können, Elektronen jedoch nicht.
Das Laden treibt Ionen energetisch nach oben
Wenn Solarenergie (oder Netzstrom) die Batterie lädt, drückt ein externes Ladegerät Elektronen in die Anode. Dieser elektrische Schub löst Lithiumionen von der Kathode und treibt sie durch den Elektrolyten, um sich in die Graphitstruktur der Anode einzulagern – ein Prozess, der als Interkalation bezeichnet wird. Dies ist ein energetisch „bergauf“ gerichteter Vorgang, weshalb externe Energie benötigt wird, um ihn zu ermöglichen.
Wenn Solarenergie (oder Netzstrom) die Batterie lädt, drückt ein externes Ladegerät Elektronen in die Anode. Dieser elektrische Schub löst Lithiumionen von der Kathode und treibt sie durch den Elektrolyten, um sich in die Graphitstruktur der Anode einzulagern – ein Prozess, der als Interkalation bezeichnet wird. Dies ist ein energetisch „bergauf“ gerichteter Vorgang, weshalb externe Energie benötigt wird, um ihn zu ermöglichen.
Durch die Entladung kehren die Ionen zu ihrem Ausgangszustand zurück. Sobald Sie das Ladegerät abziehen und einen Verbraucher anschließen – beispielsweise Ihr Haus nachts –, streben die Ionen zurück zur Kathode mit der niedrigeren Energie. Während sie durch den Elektrolyten zurückwandern, zwingen sie Elektronen dazu, den längeren Weg durch den externen Stromkreis zu nehmen, um die Ladung auszugleichen. Dieser Elektronenfluss durch Ihren Wechselrichter und in Ihr Haus ist der Strom, den Sie tatsächlich nutzen.
Warum sie sich nicht sofort selbst entlädt
Der Elektrolyt und eine dünne Trennschicht verhindern, dass Elektronen einen direkten Weg durch die Mitte nehmen – sie können nur über den externen Draht fließen. Dadurch wird aus „Ionen, die sich bewegen wollen“ „nutzbarer Strom“, anstatt dass sich die Batterie intern selbst kurzschließt.
Der Elektrolyt und eine dünne Trennschicht verhindern, dass Elektronen einen direkten Weg durch die Mitte nehmen – sie können nur über den externen Draht fließen. Dadurch wird aus „Ionen, die sich bewegen wollen“ „nutzbarer Strom“, anstatt dass sich die Batterie intern selbst kurzschließt.
Ladezyklen und Degradation
Jeder vollständige Lade-/Entladezyklus verursacht geringfügigen Verschleiß an den Elektrodenstrukturen. Daher wird die Lebensdauer von Batterien in Zyklenzahlen (oft 3.000–6.000+ für hochwertige Solarspeicher) und nicht in einer festen Kalenderlebensdauer angegeben – die obige Schaltfläche simuliert im Wesentlichen einen dieser Zyklen im Miniaturformat.
Jeder vollständige Lade-/Entladezyklus verursacht geringfügigen Verschleiß an den Elektrodenstrukturen. Daher wird die Lebensdauer von Batterien in Zyklenzahlen (oft 3.000–6.000+ für hochwertige Solarspeicher) und nicht in einer festen Kalenderlebensdauer angegeben – die obige Schaltfläche simuliert im Wesentlichen einen dieser Zyklen im Miniaturformat.