Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Solarzellen: Eine kurze Anleitung
May 30th 2023
Sie überlegen eine Solaranlage zu errichten oder möchten Ihr bestehendes System aufrüsten? Bei der Wahl der richtigen Anlage müssen Sie zunächst die grundlegenden Funktionsweisen von Solaranlagen verstehen. Dieser Artikel verschafft Ihnen einen Überblick darüber, wie Solarmodule Licht in nutzbaren Strom umwandeln und wie effizient Solarzellen und deren Wirkungsgrad sind.
- Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Solarzellen?
- Weshalb ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen wichtig?
- Die Berechnung des Wirkungsgrads von Solarmodulen?
Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Solarzellen?
Was sind eigentlich Solarmodule? Werfen Sie einen Blick auf das folgende Bild, um sich einen ersten Eindruck davon zu verschaffen, wie sie aussehen.
Bei einem Solarmodul handelt es sich um die wichtigste Komponente einer Photovoltaikanlage, die für die Aufnahme von Sonnenlicht und dessen Umwandlung in Gleichstrom verantwortlich ist. Für gewöhnlich setzen sich die Module aus einer Reihe von gelöteten Solarzellen, einer Glasplatte, einem Aluminiumrahmen, einer EVA-Schicht und einer TPT-Rückseitenfolie zusammen.
Wie funktioniert ein Solarmodul und wie wandelt es Energie um?
Ein einzelnes Solarmodul besteht aus mehreren photovoltaischen (PV) Zellen, die oft auch als Solarzellen bezeichnet werden. Bei diesen scheibenartigen Siliziumzellen handelt es sich um Halbleiter, die elektrischen Strom erzeugen, sobald sie dem Sonnenlicht ausgesetzt werden.
Die meisten Solarzellen haben mehrere Siliziumschichten wie bei einem Sandwich. Diese umfassen eine p-Typ Siliziumschicht (positive Schicht) sowie eine n-Typ Siliziumschicht (negative Schicht). Sobald eine Solarzelle der Sonne ausgesetzt ist, wird die Sonnenenergie in negativ geladene Teilchen (Elektronen) umgewandelt. Diese bewegen sich zwischen der p- und der n-Schicht und erzeugen elektrischen Strom, was als Photovoltaischer Effekt bezeichnet wird.
( Erkennung der Elemente des P-N-Übergangs in einer Siliziumsolarzelle.)
Anschließend wird dieser Strom mittels leitender Metallkontakte oder Elektroden abgeleitet. Um ein Solarmodul zu bauen, werden einzelne Solarzellen miteinander verdrahtet. Die Solarmodule wiederum können zu einer Solaranlage verdrahtet werden, um den Energiebedarf eines Haushalts oder eines Fahrzeugs abzudecken.
Der Wirkungsgrad bzw. die Umwandlungsrate von Solarmodulen entspricht dem Anteil des Sonnenlichts (Einstrahlung), der mithilfe der Solarzellen in den Solarmodulen in Strom umgewandelt werden kann.
Leistungsvergleich von Solarmodulen – heute und damals
Nachdem die Funktionsweise von Solarmodulen zur Erzeugung von nutzbarem Strom erläutert wurde, geht es nun darum, zu verstehen, wie viel Strom sie tatsächlich generieren. Dies wird Ihnen dabei helfen herauszufinden, wie viele Module Sie benötigen, um Ihren Energiebedarf zu decken.
Sind Solarmodule also effizient? Es gibt heutzutage eine breite Auswahl an Solarmodulen mit einem Wirkungsgrad zwischen 15 und 22 Prozent. Dank neuer Materialien und Technologien konnte der Wirkungsgrad aktueller Solarmodule in den letzten Jahren erheblich gesteigert werden. So erreichen die effizientesten Solarmodule einen Wirkungsgrad von etwa 22,8 Prozent. Der Wirkungsgrad der ersten Selen-Solarzelle, die 1883 von dem amerikanischen Erfinder Charles Fritts entwickelt wurde, lag bei lediglich 1 Prozent. Danach gab es jahrzehntelang nur noch minimale Fortschritte.
(Bell Labs-Anzeige aus dem Jahr 1956 für ein Solarbatteriesystem. Quelle:Sensei Alan from Flickr)
Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson entwickelten im Jahr 1954 jedoch eine praktische Siliziumzelle, die alles auf den Kopf stellte. Mit dieser neuen Siliziumzelle ließ sich ausreichend Sonnenenergie in Strom umwandeln, um elektrische Geräte zu betreiben. Kurz darauf erfanden die Bell Laboratories eine neue Siliziumzelle, deren Wirkungsgrad zunächst 4 Prozent betrug, aber rasch auf bis zu 11 Prozent anstieg. Seitdem wurden neue und bessere Solartechnologien auf den Markt gebracht, wie z.B. Halbschnitt- und Diodenkonzepte. Dank dieser und anderer Technologien lassen sich große Fortschritte bei der Solareffizienz verzeichnen.
Kurz gesagt: Der Wirkungsgrad bzw. die Umwandlungsrate von Solarmodulen entspricht dem Anteil des Sonnenlichts (Einstrahlung), der mithilfe der Solarzellen in den Solarmodulen in Strom umgewandelt werden kann. Angesichts der unüberwindbaren technologischen Hindernisse lassen sich 100-prozentige Wirkungsgrade von Solarmodulen noch nicht realisieren.
Wirkungsgrad von Solaranlagen im Laufe der Zeit
- 1883: Entwicklung der ersten Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von weniger als 1 %;
- 1955-1960: Die erste kommerzielle Siliziumsolarzelle wurde von Hoffman Electronics präsentiert, die den Wirkungsgrad von 8 % auf 14 % steigerte;
- 1985: Experten an der Universität von Wales in Australien entwickelten eine Siliziumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von über 20 %;
- 2015-2016: SunPower gelang es, den Wirkungsgrad von Solarzellen auf 22,8 % und im folgenden Jahr auf 24,1 % zu steigern;
- 2017: US-Wissenschaftler verkünden einen Wirkungsgrad von 44,5 % bei ihrer Solarzelle;
- 2020: Forscher des NREL kündigen eine III-V-Solarzelle mit sechs Übergängen und einem Wirkungsgrad von 47,1 % an.
Weshalb ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen wichtig?
Selbst für die sachkundigsten Solarverbraucher ist es nicht immer leicht, die Wirkungsgrade zu verstehen. Hier ein kurzer Überblick, warum der Wirkungsgrad bei der Planung von Solarprojekten eine zentrale Rolle spielt.
Fläche
Durch den Einsatz von Solarmodulen mit höherem Wirkungsgrad lässt sich Platz sparen, da für die gleiche Energiemenge weniger Module benötigt werden. Das bedeutet, dass eine größere Anlage mit mehr Leistung auf derselben verfügbaren Dachfläche installiert werden kann.
(Vergleich der Dachfläche, auf der PV-Module mit unterschiedlichem Wirkungsgrad installiert sind).
In der Abbildung oben werden zwei verschiedene 1300W-Solaranlagen gezeigt. In der rechten Anlage werden 3 der neuesten 450W-Solarmodule von Renogy verwendet, die mit einem Wirkungsgrad von bis zu 22,8 % derzeit zu den effizientesten Solarmodulen auf dem Markt gehören. Es wird eine Fläche von 70 Quadratmetern abgedeckt. Die Anlage auf der linken Seite verwendet 13 der klassischen 100W-Solarmodule von Renogy mit einem Wirkungsgrad von bis zu 22% und erstreckt sich über eine Fläche von 78,8 Quadratmetern. Wie man sieht, sparen Module mit einem höheren Wirkungsgrad viel Platz auf dem Dach, sodass Sie bei Bedarf eine größere Anlage installieren können.
Kosten und Umweltauswirkungen
Wer sich für hocheffiziente Solarmodule entscheidet, tut auch etwas Gutes für sich und die Umwelt. Denn der Einsatz von weniger Modulen spart Ressourcen bei der Herstellung und reduziert die Auswirkungen bei der Entsorgung. Für die Herstellung von Silizium und dessen Verarbeitung zu Scheiben bedarf es großer Mengen an Energie.
Außerdem verkürzt sich die Amortisationszeit, wenn die Module mehr Energie erzeugen. Dem niederländischen Forscher E.A. Alsema zufolge dauert es etwa 4 Jahre, bis sich aktuelle multikristalline Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 12 % bezahlt machen. Im Gegensatz dazu verkürzt sich die Amortisationszeit auf nur 2 Jahre, wenn man Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von 14% einsetzt.
Obwohl die Anfangsinvestition für ein komplettes Solarenergiesystem beträchtlich ist, sollte man bedenken, dass ein Solarmodul in der Regel eine Lebensdauer von 20-30 Jahren hat, was auf Dauer zur beträchtlichen Ersparnissen bei der Stromrechnung führt. Wenn man sich das vor Augen hält, fällt es nicht schwer zu erkennen, dass sich Ihre Investition in eine Solaranlage schon nach wenigen Jahren auszahlt.
Die Berechnung des Wirkungsgrads von Solarmodulen?
Wahrscheinlich fragen Sie sich, wie man den Wirkungsgrad berechnet. Oder wie Solarunternehmen diesen als Verkaufsargument nutzen. Im folgenden Abschnitt erfahren Sie mehr darüber, wie der Wirkungsgrad eines Solarmoduls Schritt für Schritt berechnet wird.
Die Berechnung des Wirkungsgrads ist ganz einfach und kann mit einer einfachen Formel erfolgen. Es handelt sich lediglich um das Verhältnis zwischen der Ausgangsleistung eines Moduls und der auf der Moduloberfläche unter Standardtestbedingungen absorbierten Sonnenenergie. Die untenstehende Formel zeigt, wie einfach sich das berechnen lässt.
Wirkungsgrad eines Moduls vs. Wirkungsgrad einer Zelle
Um zu verstehen, was der Wirkungsgrad eines Solarmoduls ist, müssen wir zunächst wissen, was der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist. Der Wirkungsgrad eines Moduls bezeichnet das Verhältnis zwischen der Leistung, die ein Modul erzeugen kann, und der Sonnenenergie, die unter Standardtestbedingungen auf die Oberfläche des Moduls einwirkt. Der Wirkungsgrad von Solarzellen wird zwar nach dem gleichen Verhältnis berechnet, aber es gibt einen Unterschied zwischen diesen beiden Wirkungsgraden. Das liegt daran, dass der Wirkungsgrad einer Zelle anhand der Fläche einer einzelnen Zelle berechnet wird. Beim Wirkungsgrad eines Moduls werden dagegen auch andere Aspekte der Modulkonstruktion berücksichtigt. Darunter fallen Beschattungen, die von anderen Komponenten des Moduls, wie etwa Stromschienen, ausgehen können, oder Zwischenräume zwischen den Zellen, die zu Energieverlusten führen können.
Deshalb beziehen wir uns bei Renogy auf den Wirkungsgrad von Zellen, wenn wir über den Wirkungsgrad von Solarmodulen sprechen, da die Zellen die grundlegenden Komponenten eines Moduls darstellen. Der Wirkungsgrad der Zellen wird auch in den technischen Daten eines Moduls angegeben.
(Vergleich der Fläche einer Solarzelle und eines PV-Moduls.)
Gliederung der Berechnung
Berechnen wir mithilfe unserer gewonnenen Erkenntnisse den Wirkungsgrad unseres beliebten 100 Watt 12 Volt Monokristallin Solarmodul
Schritt 1. Ermittlung der maximalen Ausgangsleistung einer Solarzelle unter optimalen Bedingungen
Zur Ermittlung der maximalen Ausgangsleistung eines Solarmoduls (Pmax) verwenden wir die maximale Ausgangsleistung eines Moduls vor dem Einbau. Sobald die Solarzellen in Glas eingefasst sind, reduziert die zusätzliche Schicht die Absorption des Sonnenlichts, was zu einem niedrigeren Wirkungsgrad führt. Dieser Wert sollte in Watt (W) angegeben werden. Die maximale Leistung unseres monokristallinen 100W-Solarmoduls (kompaktes Design) vor dem Einbau beläuft sich nach den Labortests auf 108W.
Zur Ermittlung der maximalen Ausgangsleistung einer Solarzelle muss die maximale Ausgangsleistung durch die Anzahl der Solarzellen im Modul geteilt werden. In diesem Fall beträgt die maximale Ausgangsleistung, die eine Solarzelle liefern kann::
108W/36 (Stück)=3W/Zelle
Schritt 2. Bestimmung der Abmessungen der Solarzelle
Die Abmessungen finden Sie in den Spezifikationen eines Moduls. Diese sind entweder in Millimeter (mm) oder Zoll (in) angegeben. Rechnen Sie die Einheit in Meter (m) um, da Sie diesen Wert für die anderen Berechnungen benötigen.
Die Abmessungen dieses 100W-Solarmoduls sind: 41,8 x 20,9 x 1,4 / 1060 x 530 x 35 mm
Die Abmessungen der Solarzellen sind: 6,5 x 3,3/ 165,1 x 83,82 mm
Schritt 3. Berechnung der maximalen absorbierten Leistung des Moduls unter Standardtestbedingungen (STC)
Informieren wir uns zunächst über die Definition der Standardtestbedingungen für die Faktoren, die bei dem Wirkungsgrad der Module berücksichtigt werden.
- Einstrahlung 1000W/m²: Das bedeutet, dass 1000W Sonnenenergie von einem Quadratmeter eines Moduls zu einem bestimmten Zeitpunkt absorbiert wird.
- Temperatur 25°C: Die Solarzellen werden bei 25°C getestet. Diese Angabe bezieht sich nicht auf die Außentemperatur.
- Luftmasse 1,5: Dieser Wert bezieht sich auf den Winkel, in dem die Sonneneinstrahlung auf einen bestimmten Punkt der Erde trifft. Je kleiner die Zahl ist, desto geringer ist die Entfernung, die das Sonnenlicht zurücklegen muss, um die Erdoberfläche zu erreichen.
Um die maximale absorbierte Leistung unter Standardtestbedingungen zu erhalten, muss die Einstrahlung 1000W/m² und die Fläche des Solarmoduls/der Solarzelle multipliziert werden. Die Berechnung sieht wie folgt aus:
1000W/m² x (1,06 x 0,53 m) = 561,8W
1000W/m² x (0,1651 x 0,08382 m) = 13,8W
Schritt 4. Ermittlung des Wirkungsgrads der Zelle
Der letzte Schritt besteht darin, die gesamte Ausgangsleistung durch die absorbierte Energie eines Solarmoduls/einer Solarzelle zu teilen.
Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls bei diesem 100W-Solarmodul:
100W/1000W/m² x (1,06 x 0,53 m) ≈ 18 %
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle bei diesem 100W-Solarmodul:
3W/1000W/m² x (0,1651 x 0,08382 m) ≈ 22 %
Ihre Reise in die Welt der Solarenergie hat gerade erst begonnen...
Wir hoffen, Ihnen mit diesem kurzen Leitfaden ein grundlegendes Verständnis über den Wirkungsgrad von Solarmodulen und Solarzellen gegeben zu haben. Um Ihnen beim Kauf von PV-Modulen zu helfen, können Sie sich hier über die effizientesten Solarmodule von Renogy informieren. Dabei sollten Sie daran denken, dass Solarmodule mit höherem Wirkungsgrad Platz sparen und sich schneller auszahlen. Außerdem sind Ihr täglicher Energiebedarf, die verfügbare Dachfläche sowie Ihr Budget wichtige Faktoren beim Kauf einer Solaranlage.
Natürlich gibt es noch viel mehr Informationen zu diesem Thema. Lassen Sie sich also unseren nächsten Beitrag nicht entgehen, in dem wir erklären, wie Umweltfaktoren den Wirkungsgrad beeinflussen können. Bleiben Sie auf dem Laufenden, damit wir Sie auf Ihrer Reise in die Welt der Solarenergie weiter begleiten können.
