Der am wenigsten interessante Teil eines Solarpaneels ist das Glas, das Sie sehen. Die wirkliche Arbeit geschieht in einem Wafer aus Silikon etwa doppelt so dick wie ein menschliches Haar, wo Licht bewegte Elektronen ohne einen einzigen beweglichen Teil wird. Kein Dampf. Keine Turbine. Kein Kraftstoff. Keine beweglichen Teile, die auslaufen.
Ein Solarpanel ist eine Photon-zu-Elektron-Maschine. Es nimmt Pakete von Licht, schlägt Elektronen los in einem Halbleiter und sendet sie durch ein Kreislauf, bevor sie nach Hause zurückkehren. Das Gerät ist so zuverlässig, dass die Hauptfehlerpunkte nicht die Zellen sind, sondern die Leitungen, Anschlüsse, Montage-Clips und der Inverter, der an die Wand geschraubt ist.
Vom Photon zum Elektron: Wie ein Panel wirklich funktioniert
Der Photovoltaik-Effekt, der erstmals 1839 vom französischen Physiker Edmond Becquerel beobachtet wurde, ist keine moderne Erfindung. Becquerel fand heraus, dass bestimmte Materialien einen kleinen elektrischen Strom erzeugen, wenn sie Licht ausgesetzt sind.
Der Photovoltaik-Effekt ohne den Jargon
Silizium ist ein Halbleiter: Es führt Elektrizität besser als Glas, aber schlechter als Kupfer. In seiner reinen Form bleiben die Siliziumelektronen hauptsächlich gesetzt. Um sie nützlich zu machen, fügen die Hersteller winzige Mengen anderer Elemente hinzu. Das Hinzufügen von Phosphor erzeugt n-Typ Silizium mit zusätzlichen Elektronen. Das Hinzufügen von Bor erzeugt p-Typ Silizium mit fehlenden Elektronen, genannt Löcher. Wenn die beiden Schichten sich treffen, diffusieren die Elektronen über die Schnittstelle und hinterlassen eine geladene Region. Diese Region schafft ein elektrisches Feld, ein einweges Tor für Elektronen.
Wenn ein Photon mit ausreichend Energie die Zelle trifft, schlägt es ein Elektron frei. Das elektrische Feld an der Schnittstelle drückt das Elektron in Richtung der vorderen Kontakte und das Loch in Richtung hinten. Verbinden Sie einen Draht von vorn nach hinten und das Elektron fließt durch es. Dieser Fluss ist direkter Strom (DC).
Wie eine Solarzelle gebaut wird
Die meisten Zellen sind Scheiben aus Silikon, entweder ein einzelner Kristall (monokristalline) oder mehrere Kristalle, die zusammen verschmolzen sind (polykristalline). Die Scheiben werden behandelt, um die Reflexion zu reduzieren, so dass sie mehr Licht absorbieren, anstatt es wegzureißen. Dünne Metallfinger auf der Vorderseite sammeln Elektronen; eine feste Schicht auf der Rückseite vervollständigt das Kreislauf. Eine einzelne Zelle produziert nur etwa 0,6 Volt, so dass Dutzende von Zellen in Serie in einem Panel verkabelt werden, um nützliche Spannungen zu erreichen. Eine typische Heimplatte hat jetzt 60 oder 72 Zellen oder halbgeschnittene Zellen, die in kleinere Gruppen angeordnet sind.
Das ist die grundlegende Einheit. Das Panel fügt gehärtetes Glas, ein Polymerencapsulant, eine witterungsbeständige Rückseite und einen Aluminiumrahmen hinzu.
Warum Panels in der realen Welt ihre Ausgabe verlieren
Die Bewertung eines Panels stammt aus den Standard-Testbedingungen: 1.000 Watt Strahlung pro Quadratmeter, eine Zelltemperatur von 25 °C und ein spezifisches Lichtspektrum. Die Bewertung ist nützlich für den Vergleich und entspricht fast nie einem Dach. Auf einem echten Dach ist Wärme der stille Dieb. Die meisten Silikonplatten verlieren zwischen 0,3 und 0,5 Prozent der Ausgabe für jeden Grad Celsius über 25 °C. An einem heißen Tag können Zellen bei 60 °C oder mehr sitzen, so dass ein Panel, das bei 400 Watt bewertet wird, weit unterhalb davon produzieren kann.Das US-EnergieministeriumErläutert, wie Wärme, Orientierung und Schatten die Ausgabe in der realen Welt beeinflussen.
Schatten ist komplizierter, als die Menschen erwarten. Weil Zellen in Serien gekabelt sind, kann eine einzelne stark schattierte Zelle als Flaschenabschlag für eine ganze Schnur fungieren. Bypass-Dioden lassen aktuelle blockierte Gruppen überspringen, aber nur in Stücken. Deshalb kann ein kleiner Schatten aus einem Schornstein die Ausgabe weit mehr schneiden als der schattierte Bereich allein. Deshalb sind auch Mikroinverter und Leistungsoptimierer, die die Ausgabe auf der Panelniveaus verwalten, auf komplizierten Dächern üblich geworden.
Der Inverter ist der Teil, der wirklich mit Ihrem Haus spricht
Die DC-Strom aus einem Panel ist nicht das, was ein Kühlschrank oder Gitter-Transformator erwartet. Wechselstrom dreht die Richtung 50 oder 60 mal pro Sekunde je nach Land. Der Inverter synthetisiert diese Welle aus DC. Ein String-Inverter bewältigt ein ganzes Array, normalerweise in der Nähe des Messers. Mikroinverter sitzen unter jedem Panel und konvertieren DC an der Quelle. Leistungsoptimierer sind ein mittlerer Weg: Sie passen die DC-Ausgabe jedes Panels an, bevor sie an einen zentralen Inverter gesendet werden. Kein einzelnes Design ist für jedes Dach am besten; komplexer Schatten begünstigt die Elektronik auf der Panelebene, einfache Sonnenstrahlen-Rahmen tun sich gut mit einem String-Inverter.
Die Panels können eine 25-jährige Leistungsgarantie tragen, aber ein zentraler Inverter trägt oft 10 bis 12 Jahre. Wenn das Angebot keine Inverterwechselkosten enthält, ist es unvollständig. Dasselbe gilt für die Überwachung: Jedes gut gestaltete System sollte Ihnen tägliche und stündliche Produktion zeigen, was die Unterleistung nachweisbar macht, bevor sie zu einer jährlichen Überraschung wird.
Netzgesteckte Systeme halten Ihre Lichter während eines Ausbruchs nicht automatisch an. Die Sicherheitsvorschriften verlangen, dass sie ausgeschaltet werden, wenn das Netz abfällt, so dass die Linienarbeiter nicht elektrisch geschlagen werden. Wenn Sie Backup-Leistung wollen, benötigen Sie eine Batterie oder einen Hybrid-Inverter mit einem Notfallkreislauf. Eine Batterie ändert die Wirtschaftlichkeit und fügt mehrere tausend Dollar hinzu und seine eigene Ersatzzeitlinie. Es ist eine separate Kaufentscheidung, keine Standardfunktion.
Hier ist der Catch
Der Fang ist nicht, dass Solarzellen scheitern. Der Fang ist, dass die Zahlen, die die meisten Käufer sehen, Labornummern sind, nicht Dachnummern. kommerzielle Silikonplatten haben sich von etwa 15 Prozent Effizienz in den 1990er Jahren auf etwa 20 bis 23 Prozent heute verbessert. Lab-Zellen sind viel höher gegangen.National Renewable Energy Laboratory Efficiency Chart (Nationales Laboratorium für erneuerbare Energien)Sie verfolgen experimentelle Zellen über 47 Prozent, aber es handelt sich hierbei um Vier-Zug-Konzentratorzellen unter Linsen, nicht um Panels, die Sie kaufen können.
Es gibt auch den Wechselrichter. Die Zellen machen DC, aber das Netzwerk und Ihr Haus laufen auf Wechselstrom (AC). Der Wechselrichter konvertiert die beiden und keine Umwandlung ist perfekt. Gute Wechselrichter laufen bei 95 bis 98 Prozent Effizienz. Hinzufügen von Wärmeverlusten, Leitungsverlusten, Verschmutzung und dem allmählichen Rückgang der Panels über zwei oder drei Jahrzehnte, und eine 400-Watt-Namenplate-Rating wird am besten als Ausgangspunkt, nicht als Versprechen verstanden.
Das bedeutet, dass Sie die tatsächliche jährliche Produktion vergleichen sollten, nicht die Spitzenwatt. Eine richtige Schätzung verwendet lokale Strahlungsdaten, Dachorientierung, Schatten, Temperatur und eine monatliche Prognose.
Hype und Realität, gradiert
- Mythos: Solarzellen benötigen direktes Sonnenlicht.Wirklichkeit: Sie produzieren in diffusen Licht, aber die Ausgabe fällt auf ungefähr 10 bis 25 Prozent der vollen Sonne unter schweren Wolken.
- Mythos: Die Paneleffizienz verdoppelt sich.Die großen Kostensenkungen kamen aus der Fertigungsskala und aus dem Lernen in der Lieferkette, nicht aus Panels, die doppelt so viel Licht konvertieren.
- Mythos: Solar ist Wartungsfrei.Realität: Die Zellen sind in fester Zustand, aber Wechselrichter benötigen in der Regel nach 10 bis 15 Jahren einen Austausch. Draht, Anschlüsse, Montage-Hardware und Entwässerungen müssen überprüft werden. Schmutz und Schnee können die Ausgabe reduzieren.
- Mythos: Solarzellen sind schwer zu recyceln.Realität: Panels bestehen hauptsächlich aus Glas, Aluminium, Silizium und kleinen Mengen aus Kupfer oder Silber.Recycling-Systeme sind jung, aber expandieren, und mehrere Länder verlangen nun von den Herstellern, Panels zurückzunehmen.
Was die Zahlen auf einem Dach bedeuten
In sonnigen Regionen könnte ein 5-Kilowatt-System etwa 7.000 bis 9.000 Kilowatt-Stunden pro Jahr produzieren.Solar PV Tracker der Internationalen EnergieagenturSie dokumentieren, wie diese Muster das globale Wachstum prägen, wobei Solar in den letzten Jahren mehr Kapazität hinzufügt als jede andere Energiequelle.
Die Kosten haben sich auch verändert. Die Preise für Solarmodule sind seit 2010 um mehr als 90 Prozent gesunken, hauptsächlich aufgrund der Produktionserweiterung. Die teuren Teile einer heutigen Installation sind heute oft nicht die Paneele, sondern das Rackieren, die Verkabelung, der Inverter, die Genehmigungen und die Arbeit. An vielen Orten ist Solar jetzt der günstigste Weg, um neue Generationskapazitäten hinzuzufügen.
Gregory Nemet von der University of Wisconsin-Madison hat eine Karriere damit verbracht, zu dokumentieren, wie Solar durch Tausende von kleinen Fertigungsverbesserungen billig wurde, nicht einen einzigen Eureka-Moment.
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