Solarstrom: Fachlicher Hintergrund

Spielrelevante technische Begriffe zum Thema Solarstrom

Solar(bruch)zellen

Solarzellen bestehen oft aus dem Halbleitermaterial Silizium, das mit Fremdatomen (meist Bor und Phosphor) dotiert, also verunreinigt, wird, sodass eine negative N-Schicht und eine positive P-Schicht entstehen. Durch Rekombination von Elektronen bildet sich zwischen den beiden Schichten eine neutrale Grenzschicht. Bei Sonneneinstrahlung entstehen in der Grenzschicht freie Elektronen, die von der positiven Umgebung der P-Schicht angezogen werden. So entsteht ein Potentialunterschied, es liegt eine Spannung an. Wird ein beliebiger Verbraucher angeschlossen, schließt sich der Stromkreis und ein Strom fließt.

Kenngrößen von Solar(bruch)zellen

Leerlaufspannung ist die Spannung, die mit einem Voltmeter bei einem Verbraucherwiederstand von unendlich gemessen werden kann. Einen so hohen Verbraucherwiederstand hat man bei einem geöffneten Stromkreis (Leerlauf). Da der Stromkreis durch das Anschließen des Messgerätes geschlossen wird, ist der Innenwiederstand des Voltmeters sehr hoch und simuliert so den Leerlauf.

Kurzschlusstrom ist der Strom, der mit dem Amperemeter bei einem Kurzschluss gemessen werden kann. Ein Kurzschluss liegt vor, wenn der Stromkreis ohne Verbraucher geschlossen wird. Um das zu simulieren, muss das Amperemessgerät einen möglichst niedrigen Innenwiederstand aufweisen.

Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung treten nie gemeinsam auf, beides sind die Extremwerte die bei Kurzschluss oder Leerlauf auftreten. Die maximale Strom-Spannungs-Kombination, die in der Praxis auftritt, wird als Maximum Power Point (MPP) bezeichnet. Strom- und Spannungswerte sind in diesem Punkt etwas kleiner als die Werte bei Leerlauf beziehungsweise Kurzschluss.

Solarmodul

Durch Verbinden einzelner Solarzellen entstehen Solarmodule, die für unterschiedliche Anwendungsbereiche notwendige Spannungen bzw. Leistungen erzeugen können. Industriell hergestellte Module sind zum Schutz der empfindlichen Zellen mit Silikon verfüllt, selbst hergestellt Solarcharger können beispielsweise durch eine transparente Hülle geschützt werden.

Reihen und Parallelschaltung von Solarzellen

Sollen mehrere Solarzellen miteinander verschaltet werden gilt hierbei: In Reihe geschaltete Zellen sollten annähernd den gleichen Strom aufweisen, parallel verschaltete Zellen die gleiche Spannung.

Eine Reihenschaltung bewirkt eine Addition der Spannungen und eine Parallelschaltung die Addition der Ströme.

Reihenschaltung:

Parallelschaltung:

 

 

Bezogen auf die Solarmodule bedeutet dies: Eine Reihenschaltung der einzelnen Solarmodule führt zu einer noch höheren Gesamtspannung. Wenn allerdings eines der Solarmodule z.B. verschattet wird, ist die „Kette“ dadurch unterbrochen und es kann kein elektrischer Strom mehr fließen. Die gesamte Photovoltaikanlage fällt aus. Eine Parallelschaltung der einzelnen Solarmodule führt zu einer höheren Gesamtstromstärke. Wenn bei einer Parallelschaltung einzelne Solarmodule ausfallen, weil sie z.B. verschattet sind, kann durch die anderen Solarmodule immer noch elektrischer Strom fließen. Lediglich die Gesamtstromstärke wird geringer. Häufig wird eine Kombination aus Reihenschaltung und Parallelschaltung der Solarmodule gewählt.

Photovoltaikanlage

Eine Photovoltaikanlage besteht im Allgemeinen aus folgenden Hauptkomponenten:

  • Solarmodule erzeugen Gleichstrom in Abhängigkeit der Strahlungsintensität der Sonne
  • mehrere Solarmodule werden mittels Kabel in Reihe zu sogenannten Strings verschaltet, was dazu führt, dass sich die Spannungen der einzelnen Solarmodule addieren – je nach benötigter Stromstärke werden wiederum Strings in Parallelschaltung miteinander verbunden.
  • der Wechselrichter dient zur Umwandelung des produzieren Gleichspannung in die Netz-(wechsel)spannung von 230V, da übliche Haushalte ein Wechselstromnetz besitzen
  • der Stromzähler erfasst die Menge für Eigenstromnutzung und Hausanschluss
Bau eines Solarchargers

Für den Bau eines Solarchargers (Kundenauftrag im Repair Cafe) werden zunächst die Leerlaufspannungen der verfügbaren Solar(bruch)zellen mittels Multimeter gemessen, um die fehlerhaften Zellen auszusortieren.

Anschließend werden mit einem Lötband (leitfähiges Band, welches zur elektrischen Verbindung von Solarzellen verwendet wird), Lötzinn und einem Lötkolben jeweils der Busbar auf der Vorderseite einer Zelle mit dem Rückkontakt auf der Rückseite der nächsten Zelle verbunden, um eine Reihenschaltung der Zellen zu erstellen. Abschließend erfolgt das Anlöten eines Handyladekabels an die in Reihe verbundenen Solar(bruch)zellen. Dazu sind zunächst die beiden Kabelenden mittels Abisolierzange abzuisolieren und jeweils an der Plus- und Minus-Seite der in Reihe gelöteten Solar(bruch)zellen anzulöten.

Gut zu wissen:
Die einzelnen Solar(-bruch)zellen besitzen eine Leerlaufspannung von 0,6 V. Die Reihenschaltung von 10 Bruchstücken ergibt somit eine Gesamtspannung von 6 V. Wird anschließend ein Handy angeschlossen, kann diese Leerlaufspannung jedoch nicht mehr abgegriffen werden, sondern die Solarzellen arbeiten optimalerweise in ihrem Maximum Power Point. Im Spiel werden so 5 V bereitgestellt, dies ist die übliche Ladespannung für Handyakkumulatoren.

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