Solarenergie — Wie Solarmodule funktionieren & Wirkungsgrad

Solarmodule wandeln Sonnenlicht durch den photovoltaischen Effekt in elektrische Energie um. Licht trifft auf eine Halbleiterzelle, die Zelle trennt Ladungen, und ein angeschlossener Stromkreis ermöglicht es, dass diese Ladung nützliche elektrische Arbeit verrichtet.

Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls gibt an, wie viel des auf das Modul treffenden Sonnenlichts zu elektrischer Leistung wird. In Symbolen ist diese Idee $\eta = P_{out}/P_{in}$, aber die Zahl ist nur sinnvoll, wenn die Bedingungen klar angegeben sind.

Wie Solarmodule Strom erzeugen

Ein Solarmodul besteht aus vielen Solarzellen. Jede Zelle ist ein Halbleiterbauelement mit einem Übergang, der ein internes elektrisches Feld erzeugt.

Wenn Licht in der Zelle absorbiert wird, kann es bewegliche Ladungsträger erzeugen. Das interne Feld hilft dabei, diese Ladungen zu trennen, bevor sie rekombinieren, wodurch eine Spannung über der Zelle entsteht.

Wenn die Zelle in einen Stromkreis eingebunden ist, kann Strom durch eine äußere Last fließen. Das ist die nutzbare Ausgangsleistung. Das Modul speichert das Sonnenlicht nicht in sich selbst. Es wandelt einen Teil der einfallenden Lichtleistung in elektrische Leistung um, solange Licht verfügbar ist.

Das hängt damit zusammen, dass Licht aus Photonen besteht, aber eine Solarzelle nicht auf dieselbe Weise modelliert wird wie das einfachste photoelektrische Problem an einem Metall. Bei Solarmodulen sind die Bandstruktur des Halbleiters und das Design des Übergangs entscheidend.

Was der Wirkungsgrad von Solarmodulen bedeutet

Der Modulwirkungsgrad ist das Verhältnis

$$\text{efficiency} = \frac{\text{electrical power out}}{\text{solar power in}}$$

Wenn die einfallende Sonnenleistung auf der Moduloberfläche $P_{in}$ ist und das Modul die elektrische Leistung $P_{out}$ liefert, dann gilt

$$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}}$$

und äquivalent

$$P_{out} = \eta P_{in}$$

Um $P_{in}$ aus den Sonnenlichtbedingungen zu bestimmen, ist ein häufiges Startmodell

$$P_{in} = IA$$

wobei $I$ die solare Bestrahlungsstärke in $\mathrm{W/m^2}$ und $A$ die Modulfläche ist.

Verwende dieses Modell nur, wenn $I$ die Bestrahlungsstärke auf der Moduloberfläche unter den gemeinten Bedingungen ist. Wenn der Sonnenlichtwert für eine andere Ausrichtung gemessen wurde oder wenn sich Verschattung und Temperatur ändern, ändert sich auch die tatsächliche Ausgangsleistung.

Hersteller geben den Wirkungsgrad normalerweise unter Standard-Testbedingungen an. Der reale Wirkungsgrad im Freien ist oft niedriger, weil heißere Module und nicht ideale Bedingungen die Leistung verringern.

Durchgerechnetes Beispiel: Leistung eines Solarmoduls abschätzen

Angenommen, ein Modul hat die Fläche $A = 1.6\ \mathrm{m^2}$. Die Bestrahlungsstärke auf der Moduloberfläche beträgt $I = 1000\ \mathrm{W/m^2}$, und das Modul arbeitet unter diesen Bedingungen mit dem Wirkungsgrad $\eta = 0.20$.

Bestimme zuerst die einfallende Solarleistung:

$$P_{in} = IA = (1000)(1.6) = 1600\ \mathrm{W}$$

Wende nun den Wirkungsgrad an:

$$P_{out} = \eta P_{in} = (0.20)(1600) = 320\ \mathrm{W}$$

Das Modul liefert unter diesen angegebenen Bedingungen also etwa $320\ \mathrm{W}$ elektrische Leistung.

Dieses Beispiel zeigt die Grundidee klar:

• mehr Sonnenlicht pro Quadratmeter ermöglicht mehr mögliche Ausgangsleistung
• mehr Modulfläche ermöglicht mehr mögliche Ausgangsleistung
• höherer Wirkungsgrad liefert mehr elektrische Leistung aus demselben einfallenden Sonnenlicht

Diese Zusammenhänge gelten nur, wenn die Betriebsbedingungen ansonsten vergleichbar sind.

Warum der Wirkungsgrad von Solarmodulen unter 100 % liegt

Nicht das gesamte einfallende Sonnenlicht wird zu nutzbarer elektrischer Ausgangsleistung. Ein Teil des Lichts wird reflektiert, ein Teil wird möglicherweise nicht wirksam absorbiert, und ein Teil der absorbierten Energie endet als Wärme statt als nutzbare elektrische Arbeit. Reale Zellen und Stromkreise haben außerdem ohmsche und andere praktische Verluste.

Die Details hängen vom Material und vom Design ab, aber die Grundidee ist einfach: Ein Solarmodul ist ein Energiewandler mit unvermeidbaren Verlusten, kein perfekter Sammler.

Häufige Fehler bei Solarenergie und Wirkungsgrad

Zu sagen, das Modul speichere Sonnenlicht

Das tut es nicht. Ein Standard-Photovoltaikmodul wandelt Energie um, solange Licht vorhanden ist. Wenn du nachts Energie willst, braucht es dafür meist eine Speicherung an anderer Stelle, zum Beispiel in einer Batterie.

Den Modulwirkungsgrad in jeder Situation als feste Zahl zu behandeln

Der Wirkungsgrad hängt von den Bedingungen ab. Ein Nennwert ist normalerweise an bestimmte Testbedingungen gebunden, und die reale Leistung im Freien kann anders sein.

$P_{in} = IA$ zu verwenden, ohne zu prüfen, was $I$ bedeutet

Diese Formel funktioniert, wenn $I$ die Bestrahlungsstärke auf der Moduloberfläche ist. Wenn sich der angegebene Sonnenlichtwert auf eine andere Ausrichtung oder auf gemittelte Bedingungen bezieht, kannst du ihn nicht einfach ohne Nachdenken über Geometrie und Aufbau in die Formel einsetzen.

Anzunehmen, stärkeres Sonnenlicht garantiere denselben prozentualen Wirkungsgrad

Die Ausgangsleistung steigt normalerweise, wenn mehr Sonnenlicht das Modul erreicht, aber der Wirkungsgrad kann sich mit Temperatur und Betriebsbedingungen trotzdem ändern.

Solarenergie und Solarthermie zu verwechseln

Photovoltaikmodule erzeugen Strom direkt aus Licht in einem Halbleiterbauelement. Solarthermische Systeme nutzen Sonnenlicht hauptsächlich, um eine Flüssigkeit oder eine Oberfläche zu erwärmen.

Zu denken, Solarmodule funktionieren genauso wie die einfachste Gleichung zum photoelektrischen Effekt

Die Ideen hängen über Licht und Elektronenenergie zusammen, aber Solarzellen werden meist mit Halbleiterbändern, Ladungstrennung und dem Verhalten von Übergängen erklärt und nicht nur mit der grundlegenden Austrittsarbeitsgleichung für Metalle.

Wo Solarenergie eingesetzt wird

Solarmodule werden auf Dächern, in Satelliten, Taschenrechnern, entfernten Sensoren, Solarparks und netzunabhängigen Stromsystemen eingesetzt. Sie sind besonders nützlich, wenn modulare Stromerzeugung wichtig ist und Sonnenlicht verfügbar ist.

In der Physik ist Solarenergie ein klares Beispiel für Energieumwandlung. Im Ingenieurwesen wird daraus außerdem ein Systemproblem, bei dem Ausrichtung, Wetter, Speicherung, Leistungselektronik und das Stromnetz eine Rolle spielen.

Probiere einen ähnlichen Fall aus

Probiere deine eigene Variante aus, indem du jeweils nur eine Bedingung änderst. Behalte die Fläche bei $1.6\ \mathrm{m^2}$ und ändere die Bestrahlungsstärke auf $800\ \mathrm{W/m^2}$, oder halte das Sonnenlicht konstant und ändere den Wirkungsgrad auf $0.18$. Wenn du deinen Ansatz an einem anderen Fall prüfen möchtest, versuche ein ähnliches Problem zur Solarleistung im GPAI Solver.