Solarenergie

Einleitung

Täglich scheint die Sonne auf die Erde herab. Die Energie in den Photonen der Sonne kann in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Fachausdruck für diesen Prozess nennt sich fotovoltaischer Effekt.

Seit dem ersten öffentlich erhältlichen Sonnenkollektor im Jahre 1960 wurden Forschungen zum Thema photovoltaische Energie(insbesondere durch Pratt & Schaeffer 51) betrieben und Theorien stehts weiterentwickelt. Die konstante Forschung auf diesem Gebiet brachte stets verbesserte und effizientere Wege hervor und machte Sonnenkollektoren erschwinglicher für die breite Masse, auch wenn der Preis doch relativ hoch ist. Heutzutage geht die Forschung nach neuen Wegen für die Fotovoltaische Energie weltweit weiter. Da die meisten von uns keine Studien zu diesem Thema auf dem Niveau von atomischen Reaktionen betreiben, gibt es andere alltägliche Wege um zu helfen- indem man Sonnenenergie versteht und dieses Wissen mit Anderen teilt und indem man anderen Interessierten dabei hilft auf Solar- oder Fotovolatische Systeme zuzugreifen.

Dieser Artikel befasst sich mit den Komponenten von Fotovoltaischen Systemen, erläutert ihre Rolle und Signifikanz und dient als erste Anleitung für diejenigen, die an Solarenergie interessiert sind und auf diesem Gebiet investieren möchten.

Komponenten von Fotovoltaischen Systemen

Zelle: Schmale Quadrate, Disken oder Streifen aus halbleitendem Material, welches elektrische Spannung generiert sobald es dem Sonnenlicht ausgesetzt wird.

Kollektoren: Anordnung von fotovoltaischen Zellen die mit einer klaren Substanz (Lasierung) und einem verkapselndem Substrat beschichtet sind.

Solarmodul: Eine oder mehrere Kollektoren die unter einem bestimmten Spannungsgrad miteinander verbunden sind.

Ladungsregulierer: Reguliert Batterieladung und kontrolliert die Höhe der Spannung für Batterien.

Wiederaufladbare Batterie: Eine Art von Batterie die auf einem hohen Kapazitätsgrad ab- und wieder aufgeladen werden kann ohne dabei der Batterie selbst zu schaden.

Umkehrer: Konvertiert Gleichstrom zu Wechselstrom.

Ladung: Elektrische Komponente in einer Leitung, die Energie aus dieser Letung hervorbringt.; Die meisten Ladungen könenn an und abgeschaltet werden, so wie z.B. Glühbirnen.; Ladungen kommen entweder in Form von Gleich- oder Wechselstrom.

Schutzschaltungen und Sicherungen: Zwei Arten von Schutz vor Überladung.; Wenn eine Leitung eine bestimmte Stromstärke überschreitet öffnet sich die Sicherung und lässt keine weiteren Stromflüsse zu. Wenn eine Sicherung "herausspringt", muss diese ersetzt werden und die Schutzschaltung neu eingestellt werden.

Trennschalter: Ein Sicherheitsschalter der die verschiedenen Komponenten einer Solaranlage voneinander trennt für Situationen wie z.B Reparaturen und Wartung.; Eine Sicherheitsschaltung kann als Trennschalter benutzt werden.

Messgerät: Ein Druckmesser, der anzeigt von wo Energie herangezogen wird und wie diese Energie von der Leitung bezogen wird.

Lage der Solaranlage

Sonneneinstrahlung

Sobald die Sonne auf die Erde trifft, nennt sich dieses Phenomen INSOLATION. Insolation kann als Energiestärke beschrieben werden und in Watt pro Quadratmeter ausgedrückt werden (W/m²) und wird, insbesondere in der Fotovoltaik, oft als durchschnittliche Tagesstärke (im Monat) angegeben. So erhalten wir 1,000 W/m² wenn man 100% vole Sonneneinstrahlung erhält. (Pratt & Schaeffer 56).

Bei der Analyse der Lage einer fotovoltaischen Anlage ist es wichtig zu wissen in welchem Monat die Sonneneinstrahlung am stärksten und niedrigsten ist oder wann der durschschnittliche Betrag der Sonneneinstrahlung am höchsten/niedrigsten sein wird. Diese Information ist wichtig bei der Beurteilung des Neigungswinkels der Solarkollektoren. Bei der Beurteilung des Nutzens einer Solaranlagen, ist es essentiell zu wissen was die durchschnittliche Tageseinstrahlung bei voller Sonneneinstrahlung und bei schlechtem Wetter ist. Die Informationen zur Sonneneinstrahlung helfen dabei einen perfekten Winkel für die Anlage zu finden, so dass das größt möglichste Potential aus dem fotovolaischen System geschöpft werden kann.

Höchste Sonneneinstrahlung: Die höchste und längste Sonneneinstrahlung über einen ganzen Tag gesehen.

Mittagssonne: Die Mittagssonne herrscht, wenn die Sonne den höchsten Punkt am Himmel erreicht und die Strahlen am stärksten sind. Um die Mittagssonne zu bestimmen nimmt man die Zeit von Sonnenaufganz bis Sonnenuntergang und teilt diese durch zwei.

Datenerfassung

Daten zur Solarsonnenbestrahlung

Es sollte festgestelt werden welcher Monat im Durchschnitt die geringste Menge an Sonneneinstrahlung hat. Dieser ist der Monat in dem du eine Solaranlage errichten solltest die das ganze Jahr über verwendet werden soll. (Wenn du die Anlage nur in einer bestimmten Jahreszeit verwenden möchtest, dann ermitle den Monat mit geringster Sonnenbestrahlung für den jeweiligen Zeitraum)

Anordnung und Lage der Solarplatten

Sonne/Wolken: Es ist wichtig die Sonneneinstrahlung und die Wolkenverdeckung abzuschätzen. Für große Städte zum Beispiel, kannst man diese Informationen über das Internet einholen.

Schatten: Du solltest eine Position wählen die in unmittelbarer Nähe zu der Ladun ist. Die WICHTIGSTE Sache, die zu berücksichtigen ist, ist die Schattensituation an dem Ort der Anlage. Schatten auf den Solarplatten kann die Menger der erzeugten Energie drastisch vermindern. Schon ein geringer Schatten kann die erzeugte Energie um 80% verringern. Als allgemeine Regel sollten die Solarplatten von 9 bis 15 Uhr frei von Schatten sein. Dies ist der optimale Zeitrahmen um Sonnenlicht einzufangen und wird Solarfenster genannt.

Photovoltaische Module

Eine photo-voltaische Anlage kann direkt mit einer Gleichstromanlage verbunden werden, wenn die Energie nur benutzt werden soll wenn tatsächlich Sonne herrscht, und die Anlage nicht sensibel auf große Stromschwankungen reagiert.

Beispiele beinhalten:

Gewächshausbelüftungssyteme - Dies ist eine Anlage die dazu dient das Gewächshaus während des Tages abzukühlen. Je mehr direkte Sonneneinstrahlung herrscht, desto mehr Energie wird erzeugt um das Gewächshaus zu kühlen und die Hitze innerhalb des Gewächshauses wird so ausgeglichen.

Wasserpumpen - dies ist eine Anlage die nicht durchgehend benutzt werden muss und somit nur in Betrieb sein kann wenn Sonnenlicht vorhanden ist um Wasser zu pumpen

Batteries

Batterien werden für jedes mögliches System angefordert, das irgendeine Art der Speicherkapazität benötigt. Wenn du dein System manchmal benutzen wirst, wenn es möglicherweise nicht das vorhandene Tageslicht geben kann, speichert eine Batterie die Energie von der pv Reihe, um die Lasten zu einer neueren Zeit anzutreiben.

Zweck/Wert

Batteries erlauben dir, Energie direkt von der Energie zu speichern, die durch die PV Reihe erzeugt wird.
Batteries Speicher DC Energie und erlaubt dir, die Energie während der Nacht zu verwenden, wenn es nicht eine genügende Menge Tageslicht gibt oder wenn es einen Stromausfall gibt (wenn du an das Rasterfeld angeschlossen wirst).
Batteries sind ein extrem wichtiges Spg.Versorgungsteil für kritische elektrische Lasten, die consistantly Verbrauch erfordern. Wenn du eine Last nur während des Tages antreiben möchtest, kann eine Batterie möglicherweise nicht erfordert werden, um einen Ventilator an den sonnigen Tagen innerhalb eines Gewächshauses d.h. anzutreiben. Grid-connected pv für den praktischen Gebrauchsysteme erfordern nicht den Gebrauch der Batterien, obwohl sie als emergency Unterstützungsspg.Versorgungsteil benutzt werden können.

Tage der Autonomie

Autonomy bezieht sich die auf Zahl Tagen, die eine Batterieanlage eine gegebene Last zur Verfügung stellt, ohne durch die pv Reihe oder eine andere Quelle neugeladen zu werden.
General Wetterbedingungen stellen die Zahl von " fest; kein sun" Tage, das eine große Variable ist, wenn es Autonomie feststellt.
The allgemeine Strecke der Autonomie ist, wie folgt:
- 2 bis 3 Tage für unwesentlichen Gebrauch oder Systeme mit einem Unterstützungsspg.Versorgungsteil.
- 5 bis 7 für Grenzbelastungen ohne andere Energiequelle.

Batterie-Kapazität (Amperestunde)

Batteries werden durch Amperestunde (Amperestunde) die Kapazität veranschlagen. Die Kapazität bezieht sich, auf wie viel Energie, dass bestimmte Batterie zur Speicherung fähig ist. Die Kapazität der Batterie muss zum Liefern von Energie an die Last fähig sein. Es ist notwendig, in den Tagen der Autonomie Faktor darzustellen, um festzustellen, wie viel Speicherkapazität von deiner Batterie angefordert wird. Die Amperestunde erklärt dir, wieviele Ampere du von der Batterie in einer Stunde ziehen kannst.
If mehr Speicherkapazität wird für das pv System angefordert, als eine Batterie zur Lieferung, Batterien kann parallel verdrahtet werden, um zusätzliche Speicherkapazität zu addieren fähig ist. Höhere Spannungen werden durch Reihe Verdrahtung erreicht.
Initially sollte die Batteriekapazität als etwas größer sein, durch die Last angefordert wird, weil die Batterien die Kapazität verlieren, wie sie altern. Aber wenn du groß Überformat die Batteriebank, es an einem Zustand der teilweisen Gebühr während der Zeiträume der verringerten Sonnenbestrahlung bleiben kannst - die Batteriedauer schließlich verkürzen. Die Batterie feststellen, die auf der Größe deiner Last basiert.

Die *The Amperestunde Kapazität ist auf der Batterie aufgeführt.

Rate und Tiefe der Entladung

A Batterie lädt auf, wenn Energie innen gesetzt wird und entladend, wann Energie herausgenommen wird. Ein Zyklus wird man aufladen-entladen Reihenfolge betrachtet, die häufig über eine Zeitdauer von einem Tag auftritt.
The Rate, an der die Batterie direkt entladen wird, beeinflußt sie Kapazität. Das schneller die Entladung, das niedriger die Kapazität. Das langsamer die Entladung, das größer die Kapazität.
The Entladung Rate bezieht sich auf Zeitabschnitt, an dem die Batterieentladung geprüft wurde. Für eine Batterie, die an C/20 veranschlagen wurde, wurde die Entladung C (in Amperestunde) nach 20 Stunden Entladung erreicht. Zum Beispiel würde eine 220 Amperestunde Batterie, veranschlagen an 220Ah/20 20 Stunden lang bei 11 Amperen ununterbrochen entladen.
Depth der Entladung (DOD) bezieht sich, auf wie viel Kapazität von einer Batterie zurückgenommen werden kann. Die meisten PV System Batterien sind für regelmäßige Entladungen von 40 bis 80 Prozent bestimmt. Batteriedauer hängt direkt mit zusammen, wie tief die Batterie einen Kreislauf durchmagecht wird; das flacher der Zyklus, das länger die Lebensdauer.

Umweltbedingungen und Batterie-Bearbeiten

It kann unvernünftig sein, eine Batterieanlage, die zur Lieferung von Energie während der extremen Wetterbedingungen fähig sein würde, wie drei bis vier Wochen ohne Sonne zu sortieren. Folglich kann es eine bessere Wahl sein, zum des Systems entsprechend der durchschnittlichen Zahl bewölkten Tagen zu sortieren oder eines Entwurfs mit einer hybriden Annäherung zu verursachen, die in einem Generator oder in einer Windturbine hinzufügt.

die *Battery Kapazität verringert sich bei den niedrigeren Temperaturen, während Batteriedauer sich erhöht.

When, eine Batterie, dich sortierend, kann die Effekte der Temperatur entschädigen, indem Sie einen Batterietemperaturvervielfacher verwenden. Die Batteriekapazität multiplizieren, die mit dem Batterietemperaturvervielfacher benötigt wird.

Voltage Regulator

Zweck/Wert: Der Spannung Regler verhindert, dass die pv Verkleidung die Batterie überlädt, indem er die Spannung reguliert, um unterhalb einer bestimmten Begrenzung immer zu sein. Die Batterie spezifiziert, dass sie nicht fortfahren kann, Strom hinter einer bestimmten Gebühr anzunehmen. Der Spannung Regler senkt den Strom, während er näeher an dieser Begrenzung erreicht, um die Menge des Stroms zu vermindern die Batterie aufladend

Low Voltage Disconnect

Zweck/Wert: Eine Niederspannung Trennung verhindert, dass die Batterie zu tief entlädt.; (LVD) ist eine Eigenschaft, die DC Lasten von der Batterie trennen kann, damit entlädt nicht zum Punkt des Schadens ist.; Wenn Batterien zu einem niedrigen entladen werden, kann ein Kontrolleur das gegenwärtige Fließen von der Batterie zur DC Last abstellen.; Das LVD muss zur Behandlung der maximalen Stromstärke fähig sein, oder Strom laden.; Lichter oder Summer auf einem Steuerpult können für kritische DC Lasten anstelle vom LVD benutzt werden. Dieses ist für Geräte wie Kühlräume wichtig, die nicht von einem Spg.Versorgungsteil ohne korrekte Warnung abgeschnitten werden dürfen.

Meters

Zweck/Wert

Ein Messinstrument tritt als eine Lehre auf, die dich informiert über, von wo du deine Energie ziehst und von wie viel Energie an jedem möglichem gegebenen Moment gezeichnet wird.

Volt-Messinstrument

Battery Spannung (Zustand der Gebühr)
Panel Spannung, Strom, Energie und Gesamtenergie produzierten über einen bestimmten Zeitraum
Load Energie und Gesamtenergie verwendet über einen bestimmten Zeitraum

Charge Controller

Zweck/Wert

The Gebühr Steuerpultfunktionen als Spannung Regler. Die Hauptfunktion eines Steuerpults, zu verhindern, dass die Batterie durch die pv Reihe überladen ist.
The Gebühr Steuerpult ist zur Abfragung einer battery´s gegenwärtigen Lage der Spannung fähig. Wenn eine Batterie völlig aufgeladen wird, stoppt der Steuerpult entweder oder verlangsamt die Menge des gegenwärtigen Fließens in die Batterie von der pv Reihe.
Charge Steuerpulte kommen in verschiedene Größen und müssen die pv Netzspannung zusammenbringen.
The Steuerpult muss auch in der Lage sein, den Maximum pv Reihe Strom zu behandeln, der den Steuerpult an jedem möglichem gegebenen Moment durchfließt.

Inverter

Inverterbekehrter DC zu Wechselstrom. Um alle mögliche Wechselstrombelastungen anzutreiben, muss der Strom über einen Inverter umgewandelt werden.

Purpose/Importance

Photovoltaic modules generate only DC power. Batteries can store only DC power. An inverter is used as a "bridge" which converts DC electricity into AC electricity.
AC is easier to transport over long distances, this is an important component for many pv systems.
AC appliances have become the conventional modern electrical standard, inverters are necessary to power any type of AC load.

Watts Output

This indicates how many watts the inverter can supply during standard operation.
Choose an inverter that can handle the system´s peak AC load requirements.

Voltage Input or Battery Voltage

This indicates the DC input voltage that the inverter requires to run - usually 12, 24, or 48 volts.
The inverter input voltage must match the nominal pv system voltage.

Generator

A Generator is an optional alternative source to a power supply for those needing extra assurance that there will be power available to their system in times of need.

Generators may be AC or DC.
The diagram above shows how an AC generator can be wired through the inverter to supply DC power to the battery and DC loads. There are only specific inverters that are capable of operating in this way.
DC generators can be directly wired to through the charge controller to supply the entire system.

Wiring

Color Coding

Color Coding of Wire
DC Wiring	120 AC Wiring
Red = Positive	Black = Hot
Black = Negative	White = Neutral
	Green or Copper = Ground

Wire Size

Ampacity: The current carrying ability of a wire. Hence, the larger the wire, the more capacity it has to carry current.

Voltage Drop: The loss of voltage due to a wire´s resistance and length.

Wire sizing must be based on the maximum current through and length of the wiring.

Overcurrent Protection

Operating too many loads at once or faulty wiring will cause a fuse failure, which protects the wires and systems from damaging by integrating overcurrent protection into the system.

Fuses

Fuses consist of a wire or metal strip that will burn through when a predetermined maximum current passes throughthe fuse, which opens up the circuit to protect wires from damaging.

Circuit Breakers

Circuit Breakers, unlike fuses, do not need to be replaced. When the current exceeds a circuit breaker´s rated amperage, the circuit opens and stops the current flow.

Disconnects

Every component in the system must be capable of disconnecting from all sources of power. Disconnects can be switched fuses or circuit breakers.

Grounding

To ground a wire means to connect to the earth or to some conducting body that serves as the earth.
Grounding limits voltages due to lightning, line surges or unintentional contact with higher voltage lines.
Grounding stabilizes voltages.
Grounding equipment provides some protection from shock.

Sizing a PV System

To size your system requires seven main steps:

Estimating your electrical load
Estimating solar energy available
Sizing an array
Sizing batteries
Specifying a controller
Sizing an inverter
Sizing system wiring and switches

These worksheets from Sandia Labs will lead you through the first four steps, and these will lead you through the last three steps. Here is an example AC/DC residence design.

You can also refer to Photovoltaics: Design and Installation Manuel, by SCI.

Advantages of Photovoltaic Technology

Photovoltaic technology holds a number of unique advantages over conventional power-generating technologies. PV systems can be designed for a variety of applications and operational requirements, and can be used for either centralized or distributed power generation. PV systems have no moving parts, are modular, easily expandable and even transportable in some cases. Sunlight is free, and no noise or pollution is created from operating PV systems. PV panels do not require the use fossil fuels such as coal, oil or natural gas in the energy production process. Alternatively, conventional fuel sources have created an array of environmental problems, namely global warming, acid rain, smog, water pollution, rapidly filling waste disposal sites, destruction of habitat from oil spills, and the loss of natural resources (Solar Energy International 2004). PV modules use silicon as their main component. The silicon cells manufactured from one ton of sand produce as much electricity as burning 500,000 tons of coal (Solar Energy International 2004). PV systems that are well designed and properly installed require minimal maintenance and have long service lifetimes. If properly maintained (cleaned and protected), pv panels can last up to thirty years or longer. Other aspects of the system, such as the battery, have much shorter life spans and may need to be replaced after several years of use.

Solar Energy International (2004) indicates that there are many other benefits to consider when choosing photovoltaic technology:

Reliability: Even under the harshest of conditions, PV systems maintain electrical power supply. In comparison, conventional technologies often fail to supply power in the most critical of times.
Durability: Most PV modules available today show no degradation after ten years of use. With the constant advancement in solar energy systems, it is likely that future modules will not show signs of degradation for up to 25 years or more. PV modules produce more energy in their lifetime than it takes to produce them.
Low Maintenace Cost: PV systems do not require frequent inspection or maintenance. Transporting supplies may get costly, but these costs are usually less than with conventional systems.
No Fuel Cost: Since there is no fuel source, there is no required spenditure on the purchasing, storing, or transporting fuel.
Reduced Sound Pollution: PV systems operate silently and with minimal movement.
Photovoltaic Modularity: Unlike conventional systems, modules may be added to photovoltaic systems to increase available power.
Safety: PV systems do not require the use of combustiable fuels, and are very safe when properly designed and installed.
Independance: PV systems may operate independant of grid systems. This is a large advantage for rural communities in nations lacking basic infrastructure.
Electrical Grid Decentralization: Small-scale decentralized power stations reduce the possibility of power outages, which are often frequent on the electric grid.
High Altitude Performance: When using solar energy, power output is optimised at higher elevations. This is very advantagoeus for high altititude, isolated communities where diesel generators must be de-rated due to the loss in efficiency and power output.

Disadvantages of Photovoltaic Technology

Solar energy is a fairly inexhaustible source of energy, but that does not necessarily translate to PV being the same. PV systems are:

Expensive- Very high initial cost. System components are expensive to replace.
High Tech- Require a skilled labor force to create, although operation and maintenance of PV cells themselves is relatively easy. There are currently no good methods for people to make their own PV systems from local materials. The high tech nature gives a large advantage to scale of production with current technologies.
Some PV materials are toxic. E.g. the Cadmium in Cadmium Telluride solar cells. Many authors have argued that in the panel itself the Cd is secure from the environment -- but then it demands careful end of life treatment.
Weather- Solar cells only produce electricity when the sun is shining. At night or in bad weather, you need either storage batteries or a secondary power source. (On the other hand, solar panels are excellent for load balancing because maximum electricity usage and peak solar generation both occur on hot sunny days.)

There are two disadvantages often used in the environmentalist camps concerning high tech PV:

Production Pollution- Fossil fuels are extensively utilized to extract, produce and transport PV panels. These processes also entail corresponding sources of pollution. This is true of just about any product made today. Fortunately, the life cycle analysis of a PV system is a net positive for the environment because it can offset fossil fuel energy production over its approximately 25+ year lifetime.
High energy cost- Require much energy to produce. In the past it was even argued that it took more energy to produce than they consume. This is just wrong. For a detailed analysis of the life cycle energy costs of solar cells see: Joshua Pearce and Andrew Lau, “Net Energy Analysis For Sustainable Energy Production From Silicon Based Solar Cells”, Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, editor R. Cambell-Howe, 2002. In this paper they clearly show that the three types of photovoltaic (PV) materials, which make up the majority of the active solar market: single crystal, polycrystalline, and amorphous silicon solar cells pay for themselves in terms of energy in a few years (1-5 years). They thus generate enough energy over their lifetimes to reproduce themselves many times (6-31 reproductions)depending on what type of material, balance of system, and the geographic location of the system.