Photovoltaik     Sonne als Energie-Quelle
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Prinzip einer Photovoltaik-Anlage

So etwa könnte eine Standardlösung zur Photovaltaik-Anlage aussehen,
Solarzellen auf dem Dach erzeugen Strom, der dann an interne Verbraucher geleitet wird, bzw. ins Energie-Netz, wenn zu viel erzeugt wurde.
Eine andere Variante ist, intern einen Speicher einzubauen, der den überschüssigen Strom speichert und nach Bedarf, wenn keine Sonne scheint, diesen wieder ins Haus bzw. nach außen zurückgibt.
Ist gar keine Energiemehr im Haus vorhanden, wird diese aus dem öffentlichen Energie-Netz bezogen.

Das ist der Stand, der sich auch wenig verändern wird, einige Elemente jedoch aber schon.
Das betrifft weniger die Elektronik wie z.B. den Wechselrichter, der kann natürlich kompackter werden, eher jedoch Die üblichen Batterien (eigentlich Akkus) werden auf Basis der Litium-Ionen Technologie hergestellt.
Blei- und Redox_Flow-batterien spielen wohl keine Rolle mehr.
Aber Natrium-Ionen-Batterien könnten bald die mit Litium ablösen, bei Autos gibt es schon solche Einsätze.
(Natrium_Ionen-Akku)

Ganz neue Technologien gibt es dagegen für die Solarzellen!

      Vom Prinzip her ist so eine Zelle eine Halbleiter-Diode.
Es gibt einen Bereich mit vielen freien Elektronen (n-Dotierung, Phosphor-Atome), einen Bereich mit fehlenden Elektronen, quasi Löcher (p-Dotierung ,Bor-Atome).
Zwischen beiden Schichten gibt es eine Übergangsschicht (Trennschicht)

Was passiert?

            In der Diode wird durch einen elektrischen Strom je nach Richtung die Trennschicht (Übergangsschicht) mit Elektronen voll- oder leergeschwemmt, also leitend oder sperrend.

      In der Trennschicht der Photo-Diode bilden sich aus den p- und n-Ladungen Paare (sind neutral). Durch Licht werden diese aber getrennt, die sich jeweils zu den Elektroden bewegen, es entsteht so ein Potential, was nun durch äußere Verbindung einen Potentalausgleich, also Stromfluss, bewirkt.
Das Schaltzeichen der Photo-Diode ist mit der einfachen Diode gleich, lediglich die Pfeile zur Diode deuten auf den Lichteinfluss hin.
Das Schaltzeichen einer Photo-Zelle einer Solaranlage wurde als Energiequelle mit Pfeilen rein dargestellt, ist aber nur eine andere Darstellung.

      Das Potential beträgt etwa 0,5V (max. 0,68V ohne Verbraucher).
Auf meiner Anlage werden pro Zelle 0,29V erzeugt. In Reihe geschaltet ergibt sich bei 108 Zellen pro Modul eine Spannung von etwa 31,14V (im Leerlauf). Diese Spannung wird über die leitenden Kontakte nach außen zur Verfügung gestellt.
Man sieht sofort, dass eine Menge solcher Zellen bzw. Module in Reihe geschaltet werden müssen, um eine Spannung von mehr als 220V (etwa 311V Gleichspannung) zu erreichen, die zerhackt dann etwa 220V Wechselspannung ergeben, in meinem Fall sind das 12 Module, das ist mehr als 360V (es geht auch mit kleinerer Spannung - siehe Akku, Wechselrichter).

Da das Bauelement Photo-Zelle recht einfach aufgebaut ist, kann man hier neue Technologien zur Herstellung entwickeln.

Die neuste Variante sind auf Folie gedruckte Photozellen. Die sind so dünn, dass man sie aufrollen kann und natürlich überall aufbringen kann.
Aber beachten muss man, dass auch ein nicht kleinere Strom durch alle Zellen fließen muss, um auch eine mimimale Leistung zur Funktion der Anlage bereit zu stellen. In meiner Anlage ist das etwa 13A, das muss auch die gedruckte Folie schaffen.

nach:
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https://futurezone.at/science/neue-solarmodule-machen-aus-jeder-oberflaeche-eine-stromquelle-mit-organisch-photovoltaik/402260451
Hauchdünne Solarzelle macht aus jeder Oberfläche eine Stromquelle Die Solarzelle ist besonders leicht und kann einfach gedruckt werden. Die Energieausbeute ist allerdings ausbaufähig Forscher*innen des Massachusetts Instituts of Technology (MIT) haben gedruckte Solarpaneele entwickelt, die mit einer Dicke von 50 Mikrometern dünner sind als ein menschliches Haar. Damit könnte man jede Oberfläche in eine Energiequelle verwandeln, so die Hoffnung.

      Die flexiblen Module werden einfach auf ein reißfestes Material geklebt und können zur Lagerung sogar auf eine Rolle aufgerollt werden. Die Technologie besticht jedoch vor allem durch ihr geringes Gewicht, ein Quadratmeter der Module wiegt nur 105 Gramm.
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nach"
https://globalmagazin.eu/themen/wissenschaft/graphen-als-baustoff-der-solarzelle-30/
(gelesen: April 2023)

Graphen als Baustoff der Solarzelle 3.0

Forscher am spanischen Institut für Photonik (ICFO) experimentieren mit neuartigen Solarzellen aus Graphen.
Eigentlich befassten sich die Forscher mit der besseren Lichtausbeute um Fotokameras, medizinische Sensoren oder Nachtsichtgeräte zu verbessern. Dabei erkannten sie jedoch, dass Graphen besonders viel versprechende Qualitäten für die Nutzung bei der Umwandlung von Licht in Energie besitzt.
Im Fachblatt MIT Technology Review beschreiben sie nun die weit besseren Möglichkeiten, wie das zweidimensionale Kohlenstoffgitter des Graphens Elektronen erzeugt. Es kann nämlich nicht nur jeweils ein Elektron pro absorbiertem Photon freisetzen, sondern mehrere. Diese erzeugen dann den Strom.

Nun glauben die Wissenschaftler, dass sie kurz vor der Entwicklung von Solarzellen der dritten Generation stehen. Sie sollen die physikalischen Grenzen bisheriger Module sprengen: „Heutige Zellen erreichen theoretisch rund 30 Prozent Stromausbeute aus einfallendem Licht“, sagt Koeppens, „nun ist eine doppelte Ausbeute möglich.“
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Auch hier; so scheint es, schafft Grephen bessere Möglichkeit und ist effektiver als bekannte Baustoffe für diese Technik.

      Überall wo Graphen zur Anwendung kommt, scheint es das besser zu können als herkömmliche Materialien - das ist fast unheimlich, aber eben für die Gesellschaft sehr nützlich!

Weitere Informationen zu Graphen habe ich unter: Supermaterial Graphen! formuliert.

 

Graphen wird uns noch viele neue Dinge ermöglichen!

 

Noch ein paar Gedanken zum Speicher

Da sicher zukünftig immer mehr E-Autos vorhanden sind, gibt es auch immer mehr Speicher.
Diese Speicher werden in der Nacht kaum zum Fahren genutzt, sie müssen am Tage vom Solarfeld aufgeladen werden und stehen dann ungenutzt am Haus. Würde man sie nutzen, hätte man einen großen Speicher, der zur Versorgungssicherheit beitragen könnte.
Problem: Die meisten E-Autos verfügen zu meist nicht über die Möglichkeit der Rückspeisung.

      nach:
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https://www.tcs.ch/de/testberichte-ratgeber/broschueren-publikationen/touring-magazin/artikel/sun2wheel.php

Das Auto als Stromspeicher

Konkret bedeutet das: Der von der Solaranlage auf dem Dach überschüssig produzierte Strom wird im Auto gespeichert und kann mittels der bidirektionalen Ladestation zur gewünschten Zeit ins Haus zurückgespeist werden. Durch Vehicle-to-Home (V2H), wie es im Fachjargon heisst, lässt sich Solarstrom auch bei Dunkelheit nutzen – zum Kochen, Fernsehen, Waschen oder zum Heizen der elektrisch betriebenen Wärmepumpe.
Doch: Wie viel Strom muss aus dem Auto gesogen werden, um einen Haushalt zu versorgen? Und: Besteht nicht die Gefahr, dass der Akku am Morgen leer ist?
Marco Piffaretti rechnet vor: «Ein typisches E-Auto hat eine Kapazität von fünfzig bis sechzig Kilowattstunden, und ein durchschnittlicher Haushalt verbraucht pro Tag zehn bis fünfzehn Kilowattstunden.
Das heisst: Mit nur zwanzig Prozent Akkukapazität kann das gesamte Hausbedürfnis eines Tags mit Strom gedeckt werden.
» Hinzu komme, dass sich das ganze System per intelligenter App steuern lässt und man einen Mindest­ladestand im Auto definieren kann, zum Beispiel achtzig Prozent. Die Angst, am Morgen vor einem leeren Auto zu stehen, sei also unbegründet.
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Was mit so einem Computer-Programm geleistet werden kann, wird im folgenden Abschnitt an der Steuerung einer PV-Anlage gezeigt.

In Japan und der Schweiz gibt es bereits die Festlegung, dass alle E-Autos für eine Rückspeisung der Energie geeignet sein müssen!
Natürlich müssen auch die Hersteller von Solaranlagen die Wallbox für diese Leistung konzipieren.

 

Erfahrungen / Ergebnisse mit einer eigenen Photo-Voltaik-Anlage

Seit nunmehr 43 Tagen arbeitet bei mir eine Photo-Voltaik-Anlage.
Zielstellung war nur eine Anlage für den Eigenbedarf zu installieren, denn eine Anlage zum großmöglichsten Verkauf von Strom erfordert eine Gewerbeanmeldeng, was für den Eigenbedarf wegfällt (zumindest im Moment). Sollte diese kleine Anlage mehr Strom als im Eigenbedarf benötigt wird erzeugen, darf der Strom auch an den Energieversorger verkauft werden.
Im Moment (2023) besteht der steuerliche Vorteil darin, dass diese Einnahmen nicht versteuert werden müssen! (ob das so bleibt, weiss man nicht).

Aufbau der Anlage

Die Dachfläche ist nach Süden ausgerichtet und hat eine Neigung von 45°.

Der Wechselrichter ist mit einem Computer ausgestattet, der sehr flexibel die gesamte Anlage steuert und zugleich eine Verbindung zum Router im Haus herstellt. Ein eigenes Programm macht die Anzeige des Betriebszustandes über LAN möglich.
So werden z.B. grafisch wichtige Parameter angezeigt:
           
ungetrübter Sonnenschein       Wolken am Himmel       bedecktes Himmel

Die rote Fläche zeigt was an Strom erzeugt wurde.
Sehr gut kann man eine schöne Verteilerkurve erkennen, ab um etwa 7.00Uhr beginnt die Erzeugung von Strom und endet so gegen 20.00Uhr (27.5., linkes Bild), so gegen 14.00Uhr ist das Maximum erreicht. Das ist richtig, denn es entspricht der Sommerzeit, also um etwa 13.00Uhr. Und das Dach ist nicht exakt nach Süd ausgerichtet, sondern etwas westlich.
Sehen kann man auch, dass etwa maximal 4,28kW erzeugt wurde.

Die blaue Fläche zeigt die Nutzung des externen Stromnetzes, Fläche nach oben, es wird Energie aus dem Netz bezogen, Fläche nach unten es wird ins Netz eingespeist.

Graue Flächen (Spitzen) zeigen den Verbrauch im Haus an. Können die Spitzen nicht durch die Module und/oder die Batterie ausgeglichen werden, muss zusätzlich Energie aus dem Netz genommen werden.

Die grüne Fläche symbolisiert die Nutzung der Batterie.
Zeigt die Fläche nach oben, wird Strom aus der Batterie entnommen, zeigt sie nach unten, wird Strom gespeichert.

Interessant ist die einzelne Kurve, sie zeigt den Ladezustand der Batterie. Das Laden der Batterie steuert der Computer, dabei nutzt er die Statistik der bisherigen Ladung und stellt Prognosen über den zu erwartenden Verlauf der Erzeugung des Stromes.
Die Batterie wird bis maximal 97% aufgeladen und auf minimal 7% entladen. Man sieht im linken und mittleren Bild die unterschiedlichen Strategien. Grundsätzlich wird die Batterie vor dem Erzeugungsende, also zur Nacht, auf 97% aufgeladen. Ist zu erwareten, dass das immer noch funktioniert (aus der Prognose) wird zunächst der überschüssige Strom ins Netz eingespeist, verkauft.
Die Nacht über wird das Haus aus der Batterie versorgt. Den idealen Zustand zeigt das linke Bild, der Ladezustand sinkt bis etwa 60% ab.
Nicht so gut aber noch funktionsfähig zeigt das mittlere Bild. Der Ausgangszustand war nicht 97%, so sinkt die Batterieladung auf unter 10%, wird aber in 2 Stunden sofort af 97% geladen.
Ganz schlecht sieht es im rechetn Bild aus, es gibt kaum erzeugte Energie, gegen 20.00Uhr ist der Ladezustant unter 7%, die Batterie wird abgeschaltet, nun erfolgt alle Versorgung nur noch aus dem Netz, das wäre der Zustand ohne PV-Anlage!

      Interessant ist die Situation am folgenden Tag (zum rechten Bild).
Ab etwa 7.00Uhr beginnt die Anlage wieder Strom zu erzeugen. Der Computer stellt die Prognose, dass es einen wolkenlosen Himmel gibt (?), die Batterie wird nur bis 60% aufgeladen, danach wird alle überflüssige Energie ins Netz eingespeist. Erst am Abend wird die Batterie auf 97% aufgeladen und ist so für die Nacht fit.
Zu sehen ist aus den Beispielen, dass die Batterie von 3,8kW für die Versorgung des Hauses in der Nacht ausreichend ist. Diese Aussage gilt nur für diese Zeit, für diese Jahreszeit. Der Betrieb von Kühlschränken und Heizung wird abgedeckt, Wasserkocher, Kaffeemaschine, Trockner, Geschirrspühler werden durch die Batterie gepuffert, sind die größten Verbraucher aber es wird nur kurzzeitig viel Energie gebraucht.

Bilanz über 43 Tage

      In den 43 Tagen wurden also 1,22MWh (Mega-Watt-Stunden) durch die PV-Anlage erzeugt.
Davon wurden 337,41kWh für den eigenen Verbrauch, was das genau ist kann nicht gesagt werden, da sowohl im Haus Energie verbraucht wird, aber auch der Wechselrichter selbst Energie braucht.
Ins Netz eingespeist (verkauft) wurden 883,08kWh.

Zum besseren Verständnis soll das Blockbild der Anlage dargestellt werden:

      Das Herzstück der Anlage ist der Wechselrichter (WR).
Grundsätzlich wird hier der Stromfluss der Anlage gesteuert, ob Strom aus dem Netz gebraucht wird oder eingespeist werden kann, ob Strom aus der Batterie entnommen oder eingespeichert werden muss. Man sieht auch, dass bei der Installation der Anlage die vorhandene Hausversorgung getrennt werden muss, diese Arbeiten kann nur ein Fachmann durchführen. Gleiches trifft für den Zähler zu, der nun auch die ins Netz gespeiste Energie registrieren muss. Einfach den Zähler rückwärts zählen zu lassen, geht auf Grund der unterschiedlichen Preise nicht.
Eine weitere Aufgabe des WR ist das Anpassen der Spannungen. So erzeugen die Module auf dem Dach Gleichspannung von etwa 360V, diese muss in Wechselspannung von 230V gewandelt und auf die 3 Phasen verteilt werden.
Noch komplizierter ist es mit der Batterienutzung, denn diese nutzt eine Gleichsüannung von etwa 160V. Soll also die Batterie von den Modulen geladen werden, muss die Spannung der Module reduziert werden. Soll aus der Batterie das Haus versorgt werden, muss aus der kleineren Gleichspannung eine Wechselspannung von 230V erzeugt werden, das ist nicht so einfach.
In besonderen Situationen wird der Akku durchs Netz auf bestimmte Werte geladen, bzw. entladen und direkt ins Netz eingespeist, z.B. bei der Kalibrierung des Akkus (die wird nach 28 Tagen durchgeführt) .
Die Organisation auch dieser Leistung wird vom WR erbracht.
Und für die Synchronisation und Phasenwinkel der erzeugten Wechselspannung ist ebenfalls der Wechselrichter zuständig. Dazu müssen die Netzwerte im entsprechendem Rhythmus ermittelt werden um daraus Parameter für die Erzeugung der Wechselspannungen abzuleiten.

Was nicht im Blockbild dargestellt ist, ist ein Computer im WR. Er reguliert in Abhängigkeit mehrerer Parameter (Wetter, Ladezustand der Batterie, Stistik usw.) die Nutzung der Batterie.
Er stellt eine Verbindung über WLAN zum Router im Haus her.

Finanzen

Zur Berechnung der Rentabilität muss man den Verbrauch aus dem Netz und die Einspeisung vergleichen.

      Mein Netzanbieter berechnet nach folgender Tabelle den Preis für die Energie-Versorgung.
Erstaunlich sind die Punkte unter Nettopreis, die zur Berechnung benutzt werden.
Nimmt man das Jahr 2022 ergibt das einen Preis von
  25,018ct / kWh
Bis auf wenige Auanahmen werden viele Preise von Jahr zu Jahr verändert, eine Vorausrechnung ist daher kaum richtig.
Probleme sehe ich mit dem Grundpreis pro Jahr, es könnte sein, wenn ich keine Energie gebrauche dennoch 106,00€ bzw. 121,65€ bezahlen muss. Optimistisch stimmt mich die Spalte zuvor, in der die Tage angegeben werden, also könnte der Wert pro Tag berechnet werden.
Aus den Teilen Grundpreis und Messstellenbetrieb kann man einen Tagpreis von:
  42,2ct / Tag
berechnen.
Somit ergibt sich folgender gesamter Preis:
  67,2ct / kWh / Tag

In 43 Tagen wurden vom Energieversorger 10kWh bezogen d.h., dann sollte daraus ein gesamter Preis von :   6,72€
berechnet werden.
Es könnte natürlich auch sein, dass es nicht pro Tag berechnet wird, dann:
  106,00€ (Grundpreis) + 11,52€ (Messstellenbetrieb) + 2,50€ (Verbrauch) = 110,02€
Das ist natürlich ein erheblicher Unterschied!?

Nun kann man noch ermitteln, was man verkauft hat.
Nach Registrierung waren es
  883,08kWh (der Zähler zeigt etwas weniger an?)
Der Preis für 1kWh für kleine Anlagen beträgt 8,2ct. Damit ergibt sich für mich ein Wert von:
  883,08kWh x 8,2ct = 68,728€
Wie nun die Umlagen, der Grundpreis und die Messstelle in den Wert mit eingehen, ist mir unbekannt!

Der Staat wird und hat dafür gesorgt, dass die Energiversorger durch die Privaten nicht in ihrer Existenz bedroht werden und die Privaten nicht reich werden!

Im Internet findet man zu Photovoltaik viele Meinungen -
zu: lohnt es sich; lohnt eine Batterie; Expertenmeinungen usw.

Expertenmeinungen:
Es ist schon grausam, was so alles als Experten bezeichnet wird!
Grob kann man zwei Richtungen festlegen, die Einen, die zu einer Werbung zu einer bestimmten Firma führen, die anderen, die wohl sehr wenig zu Photovoltaik wissen und nur im Internet etwas sagen müssen!
Ich habe zwar Theoretische Elektrotechnik studiert, auch auf dem Gebiet promoviert und etwa 30 Jahre in der Informatik gearbeitet, kann auch mit KI umgehen - ich traue mir nicht zu, mich als Experte zu bezeichnen.

Firma:
Den Vertrag zu einer Photovoltaikanlage habe ich vor etwa einem Jahr (also 2022) unterzeichnet und obwohl es bis zur Installation etwa ein Jahr gedauert hat, kann ich ja froh sein, dass es so lange gedauert hat, denn 2023 sind in unserem Land diesbezüglich Förderungen in Kraft getreten.
Die Anlage hat die Firma aufgebaut, sie hat sich mit den guten Leistungen beim Aufbau einer Anlage beim Nachbarn empfohlen.
Es ist eine Firma aus der Region.
Die Solar-Module werden durch die Firma "aleo" in Prenzlau (Deutschland) hergestellt, es sind Hochleisungsmodule vom Typ LEO 395-405 W. Auf diese gibt die Firma 25 Jahre Leistungsgarantie und 25 Jahre Produktgarantie.
Wechselrichter und Batterie wird von der Firma "RCT" geliefert. Mit einer eigenen Produktionsstätte in China baut die RCT Power GmbH aus Konstanz ihre Marktpräsenz weiter aus. Der Wechselrichter ist gut an verschiedene Konfigurationen anpassbar, die Batterie ebenso, von 3,8kW (2 Module) bis 11,5kW (6 Module).
Ich habe z.Z. die kleinste Einheit, könnte aber bei Bedarf aufrüsten.

So weit zu den technischen Daten der Anlage, das ist jedoch nicht alles, denn es sind einige bürokratische Hürden zu nehmen, wie da sind:


     
Diese Aufgaben wurden in meinem Auftrag von der Firma durchgeführt! Man braucht nur noch einschalten und los geht es.
Da die Firma auch über einen zertifizierten Elektriker verfügt, der die Verbindung der Anlage zum Netz herstellen darf, konnte bereits am zweiten Tag der Installation die Anlage in Betrieb genommen werden (der Zähler war bereits lange zuvor installiert worden).
Der Elektriker vom Netzbetreiber kam ein paar Tage später und nahm die Anlage ab, das Gerüst war ebenfalls bald weg.

Fazit

Wer eine Photovoltaik-Anlage aufbauen will, sollte immer bedenken, was außer dem Material alles außerdem zu tun ist. Eine gute Firma führt, wie beschrieben, viele dieser Leistungen durch, auch ist sicher das Garantie-Problem leichter zu klären.
Ob eine Anlage aus dem Supermarkt das auch leistet, ist zu bezweifeln.

Bedenken sollte man auch, dass die Anlage versichert werden sollte.
Das kann man über eine erweiterte Hausrat-Versicherung erreichen und ist dann u.a. gegen Blitzeinschlag, gegen mechanische Beschädigung, Diebstahl usw. der gesamten Anlage versichert.
Für diese Leistungen muss ich etwa 7€ zusätzlich bezahlen, das ist vertretbar!

Eine Batterie lohnt sich auf alle Fälle!
Ich komme fast immer auch durch die Nacht ohne externe Energie, die Baterie muss aber am Abend einen bestimmten Ladezustand haben, Das wird zum Winter sicher schwieriger, wird man sehen.
Eine sehr große Batterie bringt auch keinen Nutzen, die muss auch erst mal aufgeladen werden. Zur Zeit erreicht die Anlage eine autarke Versorgung von 98% bis 100%.
(weitere Informationen zur Akku-Nutzung )

Wie weit nun die Anlage einen Nutzen bringt, hängt von der Jahresabrechnung im nächsten Jahr ab.
Unabhängig davon kann ich aber für die 43 Tage vermelden, dass die Anlage quasi

      mehr als 1t CO2 eingespart hat!    

Markt-Stammdaten-Register