Wie erhöht man die Effizienz von Solarmodulen? Was macht ein Solarpanel effizienter?

Diese Seite kann Affiliate-Links enthalten, bitte lesen Sie unsere Offenlegungsrichtlinien hier.

Die Effizienz eines Solarmoduls ist ein wichtiger Faktor bei der Verwendung als tragfähige Stromquelle – je höher der Wirkungsgrad, desto kostengünstiger wird die Installation . Ständige Forschung bringt jedoch Ergebnisse, und die Entwicklung dieser Technologie und die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen stehen im Mittelpunkt.

Als Wissenschaftler 1839 mit der Erforschung dieser Technologie begannen, prognostizierten sie, dass der Wirkungsgrad von Solarzellen bis 1948 einen Wirkungsgrad von 1% erreichen würde – dies wurde als gut angesehen. Heute haben wir Solarzellentechnologien, die einen Wirkungsgrad von 40% oder mehr erreichen, aber mit hohen Kosten und im Allgemeinen für spezielle Bemühungen wie die Weltraumforschung der NASA verwendet werden.

Aber was ist mit uns auf der Erde?

Es gibt drei gängige Methoden, um die Effizienz von Solarmodulen zu maximieren: Solarkonzentratoren, die das Sonnenlicht intensiver konzentrieren, Solarspiegel, die mehr Licht auf die Solarmodulfläche reflektieren, und Auto-Tracking, das der Sonne folgt, wenn sie sich über den Himmel bewegt.

Woraus bestehen Solarzellen und wie funktionieren sie?

Das Solarpanel, auch Solarmodul genannt, wird technisch als PV oder Photovoltaik bezeichnet. Es besteht aus mehreren einzelnen Solarzellen. Diese Solarzellen definieren die Art des Solarmoduls.

Einige Panels sind schwarz und einige blau. Einige haben diamantweiße Formen zwischen den horizontalen und vertikalen Linien und einige haben diese Diamanten nicht.

Die Farbe, das Design und die Größe des Solarpanels hängen von der Art der verwendeten Solarzelle ab. Die Form des Sonnenkollektors ist entworfen, um die maximale Nutzung der verfügbaren Fläche zu erhalten und die Rechteckform macht es nur „handlicher“ und billiger herzustellen.

Grundsätzlich ist der Kern der Stromerzeugung aus einer Solaranlage die Solarzelle.

Es gibt viele Arten von Solarzellen. Die drei Haupttypen, die verwendet werden und heute auf dem Markt erhältlich sind, sind:

• Monokristalliner oder einzelner Siliziumkristall
  Polykristalliner oder Multisiliziumkristall
  Dünnfilm (kann amorphes Silizium oder andere Substanzen wie Cadmium, Kupfer und Gallium usw. sein)

Die Wirkungsgrade dieser drei Arten von Solarzellen sind:

• Monokristallin : 22%
• Polykristallin: 15%
• Dünnschicht: 10%

Selbst der höchste Wirkungsgrad von monokristallinen Solarmodulen ist aus Laiensicht nicht allzu gut. Warum so niedrig? In diesen hochtechnologischen Zeiten scheint es unglaublich, dass wir keine supereffizienten Photovoltaikzellen für den Einsatz in unseren Häusern haben können.

Warum sind Solarmodule so ineffizient?

Diese Solarzellen sind aufgrund des Herstellungsprozesses, des Materials, aus dem sie bestehen, und des Prozesses, mit dem diese Materialien elektrische Energie erzeugen, so ineffizient.

Das Sonnenlicht besteht ebenfalls aus Energiepaketen oder Photonen. Diese Photonen treffen auf das Solarpanel und tauschen ihre Energie mit Elektronen im Material aus, die über Silizium-PN-Übergänge fließen und Strom erzeugen.

Der Prozess der Energieumwandlung und der Energieverlust innerhalb des Prozesses hängt von der Art des Solarmaterials (Silizium) ab, aus dem die Solarzellen hergestellt werden.

Bei Solarzellen auf Siliziumbasis verlieren sie, wenn sie die energiereichen Photonen des Lichts der Sonne empfangen, 23% ihrer Energie, weil sie nicht energisch genug sind, um Elektronen im Siliziumkristallgitter anzuregen.

Weitere 33% sind so energiereich, dass beim Auftreffen auf Sonnenmaterial Energie in Form von Wärme verloren geht.

Rund 16% gehen dabei durch die Elektronen selbst verloren. Theoretisch können Solarzellen aus Silizium einen maximalen Wirkungsgrad von etwa 33% erreichen, aber für praktische Zwecke beträgt der maximale Wirkungsgrad für kommerzielle Solarmodule praktisch 22%.

Solarzellen auf Siliziumbasis wurden unter Laborbedingungen mit einem Wirkungsgrad von 40% aufgezeichnet, und es gibt andere Materialien mit photovoltaischen Eigenschaften. Diese sind im Moment zu teuer, daher sind Siliziumsolarzellen derzeit das einzige Spiel in der Stadt.

Das Glenn Research Center der NASA hat eine Hybridsolarzelle aus Silizium, Dünnschichtmaterialien und Selen mit Wirkungsgraden zwischen 30% und 40% entwickelt.

Wenn die Produktionskosten gesenkt werden, könnte dies die Zukunft der Solarzellen mit dem doppelten Wirkungsgrad bestehender Solarzellen sein.

Was ist Bestrahlungsstärke und Sonneneinstrahlung?

Die Effizienz der Stromerzeugung aus einem Solarpanel hängt auch von der Menge an Sonnenlicht ab, die auf seine Oberfläche fällt.

Zwei verwendete Solarbegriffe sind wichtig, um die Sonnenenergie zu verstehen, die auf die Erde fällt, und wie wir sie messen. Es ist eine Möglichkeit zu messen oder zu berechnen, wie viel Strom wir mit unserem Solarpanel erzeugen können.

• Die Bestrahlungsstärke ist die Leistung (Energiemenge pro Zeiteinheit) des Sonnenlichts pro Flächeneinheit (Watt / sq. m oder W/m2).
• Sonneneinstrahlung ist die Energie des Sonnenlichts pro Flächeneinheit über die Zeit (kilo Wattstunde / sq. m oder kWh/m2).

Wenn die Sonneneinstrahlung hoch ist, desto höher ist die Stromerzeugung aus Sonnenkollektoren und eine bessere Effizienz. Bei festen Solarmodulen geschieht dies nicht kontinuierlich, da sie den ganzen Tag nicht der Sonne zugewandt sind.

Dies ist der Grund, warum feste Sonnenkollektoren zu beiden Seiten des Mittags ineffizient sind, selbst wenn das Solarpanel-Array genau im besten Winkel vom Boden platziert ist und nach Süden zeigt (wenn in der nördlichen Hemisphäre).

Wie man Sonnenkollektoren mit einem Solarkonzentrator effizienter macht

Die Verwendung eines Solarkonzentrators für Sonnenkollektoren kann deren Effizienz um bis zu 40% steigern. Einige Unternehmen haben diese Technologie kommerzialisiert und es ist sehr effizient, wenn auch ein wenig teuer.

Eine Linse, die als ‚Fresnel-Linse‘ bezeichnet wird, wird verwendet, um Sonnenlicht auf die Solarzelle zu konzentrieren. Diese Solarzellen werden in Abhängigkeit von der Konzentration der Linse hergestellt. Linsen mit niedriger Konzentration arbeiten mit Siliziumzellen und erfordern keine Nachführung oder Kühlung.

Objektive mit mittlerer Konzentration arbeiten mit Silizium-, Cadmium- und Tellurid-Solarzellen, die etwas Kühlung und Nachführung erfordern.

Hohe konzentration objektiv arbeit mit multi-junction oder multi-material zelle und erfordern umfangreiche kühlung und tracking.

Konzentrierende Sonnenkollektoren werden auf eine bestimmte Weise hergestellt – sie sind nicht wie herkömmliche Sonnenkollektoren. Das Sonnenlicht konzentriert sich auf einen sehr kleinen Bereich, in dem die Solarzelle platziert ist.

Die Konzentration des Sonnenlichts auf ein herkömmliches Solarpanel nützt nicht viel und kann das Solarpanel durch übermäßige Bestrahlung schädigen, was zu Wärme führt, was auch die Gesamteffizienz verringert.

Steigerung der Effizienz von Solarmodulen mit Spiegeln – Solarreflektormodulen

Die Forschung zur Verbesserung von Solarmodulsystemen ist sehr vielversprechend. Verschiedene Forscher in den USA und Indien haben versucht, Spiegel neben den Sonnenkollektoren hinzuzufügen. Diese Spiegel, wenn sie in bestimmten Winkeln gehalten werden, erhöhen die Stromerzeugung von Paneelen um bis zu 30%.

Überhitzung von Solarmodulen ist zu vermeiden, wenn diese Technologie kommerzialisiert werden soll, aber es wird ein Segen für kältere Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung sein. Eine im IEEE Journal of Photovoltaic veröffentlichte Arbeit belegt den erfolgreichen Einsatz von Spiegeln als Reflektoren in Solarparks zur Steigerung der Energieausbeute.

So erhöhen Sie die Leistung des Solarmoduls durch Optimierung des Winkels des Panels

Idealerweise sollte das Solarmodul senkrecht zur Sonne stehen, und dies geschieht, wenn es in einem bestimmten Winkel zum Boden platziert wird. Bei einem festen Solarpanel in einem bestimmten Winkel vom Boden aus ist die Sonnenenergie, die auf ein Solarpanel trifft, nur tagsüber maximal.

Wenn sie sind in Nördlichen hemisphäre, die solar panel sollte gesicht süden und wenn in Südlichen hemisphäre es sollte gesicht Norden. Der Winkel des Sonnenkollektors, bei dem es von der Erdoberfläche geneigt sein sollte, ist für verschiedene Standorte auf der Erde unterschiedlich.

Es gibt eine Reihe von Berechnungen, um den genauen Winkel des Solarmoduls zu ermitteln und den maximalen Wirkungsgrad für einen bestimmten Standort zu erzielen. Trotzdem ist die feste Ausrichtung des Panels nicht optimal, um die maximale Stromerzeugung zu erreichen. Diese Berechnungen werden entweder manuell oder mithilfe von Algorithmen durchgeführt.

Am einfachsten ist es, den Neigungswinkel +15o der Breite des Standorts für den Winter und -15o für den Sommer beizubehalten. Außerdem kann der Neigungswinkel viermal im Jahr geändert werden, um die maximale Effizienz eines festen Solarmoduls zu erzielen.

Es ist jedoch am besten, die Bewegung der Sonne zu verfolgen und das ganze Jahr über maximale Energie zu erzeugen, was teuer ist, aber eine viel höhere Rendite für die Investition in die Tracking-Ausrüstung bringt.

Saisonale und regionale Unterschiede der Einstrahlungs- oder Einstrahlungsniveaus

Eine kostenlose Quelle zur Überprüfung regionaler Variationen der Einstrahlungsniveaus wird von der NASA als Power Data Access Viewer bereitgestellt. Wenn Sie einige grundlegende Informationen über die jährliche Sonneneinstrahlung an Ihrem Standort erhalten, erhalten Sie eine gute Vorstellung vom Potenzial der Sonnenenergie und davon, wie viel Strom Sie pro Quadratmeter Sonnenkollektoren erzeugen könnten.

So erhöhen Sie die Solarpanel-Leistung durch automatischen Solar-Tracker

Die Sonnenblume, die jeder Bewegung der Sonne folgt. Dies ist tatsächlich erforderlich, um das ganze Jahr über die maximale Effizienz eines Solarmoduls zu erzielen.

Wir können nicht verhindern, dass die Wolken die Sonne blockieren, also verlieren wir offensichtlich da draußen, aber wenn die Sonne wie eine Sonnenblume vom Solarpanel verfolgt wird, arbeitet sie mit maximaler Effizienz.

Die zwei arten von tracking-single achse und dual achse.

Single axis tracking steigert die leistung von solar panel durch 20% und dual achse tracking steigert es durch 30%.

Die folgende Grafik, die in einer Studie zur Effizienz der ein- und zweiachsigen Verfolgung veröffentlicht wurde, zeigt den Vergleich von ein- und zweiachsigen Tracking-Panels mit denen von festen Panels.

Die vergleich von fest mount solar panel mit einzelnen tracker auf links graph und dual tracker auf rechts graph kann oben gesehen werden.

Die frühen Spitzenwerte um 8 Uhr morgens und 6 Uhr abends zeigen deutlich das Potenzial von Dual Tracker, die Effizienz von Solarmodulen bei Tageslicht zu steigern. Wenn unsere Sonnenkollektoren die Sonne durch zweiachsige Rotation verfolgen können, ist dies das Beste, um die Effizienz zu steigern.

Ein paar Motoren und Strahlungssensor macht es leicht möglich und sollte für alle inländischen Solaranlagen in Betracht gezogen werden.

So messen Sie die Leistung des Solarmoduls

Die Stromleistung eines Solarmoduls kann mit einem Gerät gemessen werden, das als Multimeter bezeichnet wird. Ein Multimeter misst Strom, Widerstand und Spannung in jedem Stromkreis.

Das Solarpanel sollte volles Sonnenlicht erhalten, wenn es der Sonne im optimalen Winkel zugewandt ist, und dann ermitteln Sie die Leistung des Solarpanels in diesem bestimmten Fall.

• Leistung = Ampere x Spannung

Um die Leistung eines Solarmoduls zu berechnen, müssen Sie Stromstärke und Spannung vom Multimeter erhalten und miteinander multiplizieren.

Überprüfen Sie die Rückseite oder Seite des Panels, um die Leerlaufspannung (Voc) und den Betriebsstrom as (Imp) zu ermitteln. Wenn Sie diese als Referenz verwenden, können Sie das Solarpanel überprüfen, indem Sie seine Drähte an das Multimeter anschließen und es optimieren, um Strom und Spannung zu überprüfen.

Eine gute Möglichkeit, die Leistung eines Solarmoduls über seinen gesamten Bereich zu testen, besteht darin, die Leitungen kurzzuschließen (sie werden nicht beschädigt) und die Spannung schrittweise auf das Maximum zu bringen, während bei jedem Schritt Ampere x Volt gemessen werden.

Dies ist eine großartige Möglichkeit, eine Leistungskurve abzuleiten und Abweichungen in der Ausgangsleistung für verschiedene Lasten anzuzeigen. Der Kurzschlussstrom (Isc) liegt ohnehin sehr nahe am vollen Nennstrom, sodass er für das Panel nicht schädlich ist.

Verwandte Fragen

Warum sind Sonnenkollektoren nach Süden ausgerichtet?

Sonnenkollektoren sollten in der nördlichen Hemisphäre nach Süden zeigen, wenn die Sonne in diese Richtung über den Himmel läuft. In der südlichen Hemisphäre sollten Sonnenkollektoren nach Norden zeigen.

Wie werden Solarmodule hergestellt?

Monokristalline Solarmodule werden hergestellt, indem einzelne Solarzellen aus einem einzigen röhrenförmigen Siliziumblock hergestellt werden. Polykristalline Sonnenkollektoren werden hergestellt, indem Siliziumscheiben zu einem großen Siliziumkristall geschnitten und miteinander verbunden werden.

Wie maximiere ich den Wirkungsgrad eines Solarmoduls?

Es gibt drei gängige Methoden, um die Effizienz von Solarmodulen zu maximieren: Solarkonzentratoren, die das Sonnenlicht intensiver konzentrieren, Solarspiegel, die mehr Licht auf die Solarmodulfläche reflektieren, und Auto-Tracking, das der Sonne folgt, wenn sie sich über den Himmel bewegt.