Fotovoltaik - Hochschule Trier

Photovoltaik
Technologie - Anlagentechnik - Anwendung
Vorlesung im FB
Umweltplanung/Umwelttechnik
SS 2008
Dr. Karl Molter
FH Trier
www.fh-trier.de/~molter
Inhalt
1. Kurze Physik der Solarzelle
2. Photovoltaik-Technologien
3. Photovoltaik Anlagentechnik
4. Photovoltaik: Gebäudeintegration
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
2
Einführung
Photovoltaik (PV, Fotovoltaik), ist eine Technologie zur direkten
Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie.
Das Wachstum bei der Solarzellenproduktion betrug 2006 40%, die
weltweit größten Hersteller waren Sharp (Jp, 17.1%), Q-cells
(D,10.1%), Kyocera (Jp, 7.1%), Suntech (China, 6.3%).
Unter den 10 größten Herstellern befinden sich drei deutsche
Firmen (Q-Cells, Schott-Solar, SolarWorld)
Bis Ende 2006 waren weltweit PV-Anlagen mit ca. 7.6GW
(peak Power) produziert und installiert, davon allein im Jahr
2006 2.5GW (Anteil in Deutschland: 950MW).
Die überwiegende Zahl der Anlagen sind netzgekoppelt.
Finanzielle Anreizprogramme, wie beispielsweise garantierte
Einspeisetarife haben die Nachfrage nach PV-Anlagen in
Ländern wie Deutschland, Japan und den USA seit Anfang
2000 stark angeheizt.
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
3
1. Kurze Physik der Solarzelle
• Der photovoltaische Effekt und die
Solarzelle
• Ladungstrennung: Der p/n-Übergang
• Solarzellen-Kennlinien
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
4
Historie
• 1839: Entdeckung des
(äußeren) lichtelektrischen
Effekts durch Bequerel
• 1873: Entdeckung des
(inneren) fotoelektrischen
Effekts bei Selen
• 1954: Erste Silizium Solarzelle
im Zuge der Entwicklung der
Halbleitertechnologie ( = 5 %)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
5
Der photovoltaische Effekt
und die Solarzelle
h
1. Absorption von Licht
im Festkörper
+
-
2. Erzeugung freier
Ladungsträger
3. Wirksame Trennung
der Ladungsträger
Ergebnis: verschleißlose Erzeugung elektrischer Energie
unter Verwendung von Solarstrahlung
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
6
Energiezustände in Festkörpern:
Bänderschema
Energieniveaus
Atom
SS 2008
Molekül
Festkörper
UP/UT
Dr. Karl Molter
••••••••
7
Energiezustände in Festkörpern:
Verteilung der Elektronen
wird beschrieben durch die Fermi-Dirac Funktion:
1
T = 10 K
T = 273 K
T = 500 K
0,8
f(E)
0,6
0,4
1
f (E) 
0,2
E E f
e
kT
1
0
0,8
0,85
0,9
0,95
1
1,05
1,1
1,15
1,2
E/Ef
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
8
Elektronenenergie
Beim absoluten Nullpunkt nehmen alle Elektronen den
niedrigst möglichen Energiezustand an. Sie können
nun zwei Arten von Energie aufnehmen:
• Thermische Energie kT (k = Boltzmannkonstante,
1.381x10-23 J/K, T = absolute Temperatur in Kelvin)
• Lichtquanten h (h = Plancksches Wirkungsquantum,
6.626x10-34 Js,  = Frequenz des Lichtquants in s-1.
Wenn der aufgenommene Energiebetrag reicht, können
die Elektronen die Bandlücke überwinden und vom
Valenzband in das Leitungsband gelangen:
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
9
Energiezustände in Festkörpern:
Isolator
Elektronenenergie
Leitungsband
Bandlücke EG
(> 5 eV)
Ferminiveau EF
Valenzband
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
10
Begriffe:
Ferminiveau EF:
Grenze zwischen besetzten und
unbesetzten Niveaus bei T = 0 K;
Valenzband:
höchstes Energieband unterhalb des
Ferminiveaus, bei T = 0 K voll besetzt, die
Elektronen sind örtlich fest gebunden
Leitungsband:
nächsthöheres Energieband, die
Elektronen sind delokalisiert;
Bandlücke EG:
Abstand zwischen Valenzband und
Leitungsband
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
11
Energiezustände in Festkörpern:
Metall/Leiter
Elektronenenergie
Ferminiveau EF
Leitungsband
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
12
Energiezustände in Festkörpern:
Halbleiter
Elektronenenergie
Leitungsband
Bandlücke EG
( 0,5 – 2 eV)
Ferminiveau EF
Valenzband
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
13
Energiezustände in Festkörpern:
Energieaufnahme / -abgabe
Elektronenenergie
Leitungsband
x-
-
EF
SS 2008
h
h
+
x+
Generation
Rekombination
UP/UT
Dr. Karl Molter
Valenzband
14
Energiezustände in Festkörpern
physikalische Eigenschaften:
Thermisch: Je größer die Bandlücke, desto
geringer die Leitfähigkeit. Mit steigender
Temperatur sinkt der elektrische Widerstand
(Heißleiter)
Optisch: Je größer die Bandlücke, desto
geringer ist die Absorption von Lichtquanten
(farbiges oder transparentes Material). Mit
steigender Beleuchtung sinkt der elektrische
Widerstand (Photowiderstand)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
15
Halbleiter
Zur Schaffung einer internen Barriere, die eine Trennung positiver und
negativer Ladungsträger ermöglicht und die Rekombination verhindert,
greift man auf das Prinzip der Dotierung von Halbleitern zurück:
Unter Dotierung versteht man die Substitution
von Gitteratomen des Kristalls durch
Fremdatome mit anderer Wertigkeit. Das
Halbleitermaterial ist i.A. vierwertig (z.B.
Silizium). Dotiert wird beispielsweise mit Bor oder
Phosphor:
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
IIIB IVB VB
5
B
14
15
Si P
16
N - Dotierung
Bandschema
Kristall
Leitungsband
Si
Si
Si
-
Si
Si
P+
Si
Si
Si
Si
EF
-
-
-
-
-
P+
P+
P+
P+
P+
Donator Niveau
n-leitendes Silizium
SS 2008
Freie Elektronen
Valenzband
UP/UT
Dr. Karl Molter
17
P - Dotierung
Bandschema
Kristall
Leitungsband
Si
Si
+
Si
Si
BSi
+
Si
Si
Si
EF
B-
B-
B-
B-
B-
+
+
+
+
+
Si
p-leitendes Silizium
SS 2008
Akzeptor Niveau
„Freie“ Löcher
Valenzband
UP/UT
Dr. Karl Molter
18
Der unbeleuchtete p/n-Übergang
Bandschema
Raumladungsoder Feldzone
Diffusion (ID)
U
-
-
-
-
-
d
P+
P+
P+
P+
P+
-
B-
B-
B-
B-
B-
+
+
+
+
+
EF
+
Diffusion
+
n - Gebiet
SS 2008
Ed
-
p - Gebiet
Diffusionsspannung
UP/UT
Dr. Karl Molter
19
Der beleuchtete p/n-Übergang
Bandschema (Absorption im p-Gebiet)
Raumladungsoder Feldzone
E = h
Photostrom
U
-
-
-
-
-
d
P+
P+
P+
P+
P+
-
B-
B-
B-
B-
B-
+
+
+
+
+
EF
+
+
n - Gebiet
SS 2008
Ed
-
p - Gebiet
Diffusionsspannung
UP/UT
Dr. Karl Molter
20
Der unbeleuchtete p/n - Übergang
(Halbleiterdiode)
Kristall
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
p-silicon
-+
-+ Diffusion
+
-
-+
-+
+
+
-
+
-+
+
+
-
+
+
+
+
-
+
+
++
-
++
++
-
++++
-
++++
-
++++
-
++++
-
++++
-
++++
-
++++
-
+
-
E
elektrisches Feld
n-silicon
- - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - -
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
Raumladungszone /
Verarmunsgzone
21
Der beleuchtete p/n – Übergang
Kristall
+
h
++ + + + + + + + + + + +
+ + + ++ + + + + + + + +
p-Silizium
+ + + + + + + + + + + +
-
Diffusion
+
-
-+ -+ +
- +
- +
- +- +- +- +- +- +- +- +
+
- +
- +
- +- +- +- +- +- +- +- +-
+
-
E
elektrisches Feld
- - - - - - - - - - - n-Silizium
- -- - - - - - - - - - -
-
SS 2008
- - - - - - - - - - - -
UP/UT
Dr. Karl Molter
Raumladungszone /
Verarmungszone
22
Prozesse der Ladungstrennung
im p/n - Übergang
Diffusion:
findet statt zwischen Zonen hoher Ladungsträgerkonzentration
und geringer Konzentration (entlang des Gradienten des
electrochemischen Potentials)
Drift:
findet statt aufgrund eines elektrostatischen Feldes entlang
der Schicht
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
23
Aufbau einer Si Solarzelle
Vorderseitenkontakt
-
h
AntireflexBeschichtung
n-Gebiet
p-Gebiet
~0,2µm
+ + + + + + + + + +
- - - - - - - - - -
+
~300µm
Raumladungszone
metallisierte Rückseite
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
24
Ersatzschaltbild einer Solarzelle
IPH
Stromquelle
RS
ID
ISG
IL
RP
USG
UD
IPH:
Photostrom der Solarzelle
ID /UD:
Strom und Spannung an der internen p-n Diode
RL
UL
RP:
paralleler Verlustwiderstand aufgrund Oberflächeninhomogenitäten und Verlustströmen an den Kanten der Solarzelle
RS:
serieller Verlustwiderstand aufgrund des Bahnwiderstands der
Siliziumscheibe, der Kontakte und Anschlüsse
ISG/USG: Solargeneratorstrom und -spannung
RL/IL/UL: Lastwiderstand, Spannung und Strom
Es gilt: ISG = IL, USG = UL
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
25
Idealisierte Kennlinie einer Solarzelle
ID
Diodenkennlinie
vereinfachtes
Schaltbild
ID ISG
RL UD=USG
RL= 
RL=0
MPP
ISG / PSG
ISG = I0 = IK
Lastwiderstand
ID
IMPP
MPP = Maximum Power Point
Solargeneratorkennlinie
Leistung
UMPP
SS 2008
UD
UP/UT
Dr. Karl Molter
U0
USG
26
charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle
• Kurzschlußstrom ISC, I0 oder IK:
• In weiten Grenzen proportional zur Einstrahlung
• Steigt um ca. 0,07% pro Kelvin Temperaturanstieg.
• Leerlaufspannung U0, UOC oder VOC:
•
•
•
•
SS 2008
Entspricht Spannung über interner Diode
Steigt rasch mit zunehmender Einstrahlung
typische Werte für Si: 0,5...0,9V
Sinkt um ca. 0,4% pro Kelvin Temperaturanstieg.
UP/UT
Dr. Karl Molter
27
charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle
• Leistung (MPP, Maximum Power Point)
• UMPP  (0,75 ... 0,9) UOC
• IMPP
 (0,85 ... 0,95) ISC
• Die Leistung sinkt um ca. 0,4% pro Kelvin
Temperaturanstieg
• Die Nennleistung einer Solarzelle wird bei
international festgelegten Testbedingungen
(G0 = 1000 W/m2, TZelle = 25°C, AM 1,5) gemessen
und in WP (Watt peak) angegeben.
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
28
Solarzellen Kennlinien (cSi)
P = 0,88 W, (0,18)
P = 1,05 W, (0,26)
P = 1,00 W, (0,29)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
29
Kennlinienfeld einer Solarzelle
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
30
charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle
• Der Füllfaktor (FF) einer Solarzelle ist
definiert aus dem Quotienten von PMPP und
dem Produkt aus Kurzschlussstrom IK und
Leerlaufspannung U0
FF = PMPP / U0  IK
• Der Wirkungsgrad  einer Solarzelle ist das
Verhältnis der auf die Vorderseite auftreffenden
Strahlungsleistung AGG,g zur von der Zelle
abgegebenen elektrischen Leistung PMPP:
 = PMPP / AGG,g
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
31
2. Photovoltaik-Technologien
• Ausgangsmaterialien
• Technologien
• Marktanteile und Marktentwicklung
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
32
Ausgangsmaterialien
Definition eines Halbleiters:
Ausschlaggebend ist die Elektronenkonfiguration im Festkörper
Silizium (Si)
Ausschnitt aus der Periodentafel
IB
Germanium (Ge)
IIB IIIB IVB VB VIB
13
14
Al
31
29
Cu
15
Si
32
Gallium-Arsenid (GaAs)
P
33
34
Ga Ge As Se
48
49
Cd In
51
Cadmium-Tellurid (CdTe)
52
Sb Te
Indium-Phosphor (InP)
Aluminium-Antimon (AlSb)
Kupfer, Indium, Gallium, Selen (CIS)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
33
Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen
(Theorie / Labor)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
34
Ausnutzung der Sonnenstrahlung
verschiedener Materialien
kristallines Si
SS 2008
Gallium-Antimon
UP/UT
Dr. Karl Molter
35
Ausnutzung der Sonnenstrahlung
verschiedener Materialien
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
36
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
37
Technologische Bewertungskriterien
• Ein gutes Potenzial für einen hohen
Wirkungsgrad
• Verfügbarkeit der benötigten Materialien
• Akzeptable Preise für die Materialien
• Potential für kostengünstige
Herstellungsverfahren
• Stabilität der Eigenschaften über Jahrzehnte
• Umweltverträglichkeit der Materialien und
Herstellungsverfahren
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
38
Bewertung Monokristallines Silizium:
+
–
–
+
Produktionswirkungsgrad 15 - 18% (>23% im Labor)
großer Materialeinsatz nötig
Preis für Rohsilizium schwankend
ausgereifte Herstellungsverfahren,aber
energieintensiv, Verbilligung durch EFG und BänderTechnologie
+ Hohe Langzeitstabilität
+ Material umweltverträglich
+ z.Zt. zweitgrößter Marktanteil
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
39
Bewertung Multikristallines Silizium:
+
–
–
+
Produktionswirkungsgrad 12 - 14%
großer Materialeinsatz nötig
Preis für Rohsilizium schwankend
ausgereifte Herstellungsverfahren,weniger
energieintensiv als mono-Si
+ Hohe Langzeitstabilität
+ Material umweltverträglich
+ z.Zt. größter Marktanteil
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
40
Bewertung amorphes Silizium (a-Si):
– Produktionswirkungsgrad 6 – 8%
+ Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer
Materialbedarf
– Preis für Rohsilizium schwankend
+ Ausgereiftes, kostengünstiges Herstellungsverfahren
– garantierte Langzeitstabilität nur für Wirkungsgrade
von 4 – 6%
+ Material umweltverträglich
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
41
Bewertung Kupfer, Indium, Diselenid (CIS)
+ Produktionswirkungsgrade 11 – 14%
+ Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer
Materialbedarf
+ Herstellung grossflächiger Module in einem Schritt
+ gute Langzeitstabilität
– Materialien nicht unbedenklich (Se, geringe Mengen
Cd)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
42
Bewertung GaAs, CdTe und andere
+
–
–
–
Produktionswirkungsgrade teils bis 18%
Relativ exotische Ausgangsmaterialien
Teils sehr hohe Materialpreise
Herstellungsverfahren in vielen Fällen noch nicht
grosserientauglich
– Langzeitstabilität noch nicht umfassend getestet
– Materialien nicht unbedenklich (insbesondere As, Cd)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
43
Herstellungsverfahren
1. Silizium Wafertechnologie (mono- oder multikristallin)
Reinstsilicium
99.999999999%
Schmelzen /
Kritallisieren
Säulenherstellung
Scheibenherstellung
Scheibenreinigung
Qualitätskontrolle
Wafer
Vorkommen:
Siliziumoxid (SiO2)
Mechanisches Schneiden
= Quarzsand
Dicke
ca. 300µm
Typische Wafergrösse:
2
10 x 10 cm
Minimale
Dicke:
bis
ca. 100µm
SiO2 + 2C = Si + 2CO
15 x 15 (6‘‘) cm2
Herstellerfirmen Silizium Wafer
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
44
Herstellungs
verfahren
mono- oder
multikristallines Si
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
45
Herstellungsverfahren
Silizium Band-Ziehverfahren
EFG:
Edge-definded Film-fed Growth
Weniger energieintensiv als
Kristallziehverfahren
Dicke: ca. 100µm
Weniger Si Abfall, da kein
Sägen notwendig
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
46
Herstellungsverfahren
Silizium Band-Ziehverfahren
(EFG)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
47
Herstellungsverfahren
Dünnschichtverfahren (CIS, CdTe, a:Si, ... )
Halbleitermaterialien werden
grossflächig aufgedampt
Dicke: ca. 1µm
Flexible Unterlage möglich
Weniger energieintensiv als Si
Verfahren
Geringer Materialverbrauch
Typische Produktionsgrösse:
1 x 1 m2
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
CIS Module
48
Entwicklungstrends
• Dünnschichttechnologie
– Geringer Materialverbrauch
– Flexible Zellen
– Fertigung großflächiger Module in einem Schritt
• Wirkungsgradverbesserung
– Tandemzellen zur besseren Ausnutzung des
Sonnenspektrums
– Light Trapping, Verbesserung der Absorptionseigenschaften
– Transparente Kontaktierung
– Beidseitig nutzbare Zellen (bifacial cells)
– Konzentratorzellen (thermische Belastung, Optik->direkte
Strahlung, Nachführung)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
49
Tandemzelle
Schema einer
Multispektralzelle
auf der Basis der
Chalkopyrite
Cu(In,Ga)(S,Se)2
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
50
Dünner Si-Wafer
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
51
Verlust-Minimierung:
Kontaktierung
Laserkontaktierung
Rückseitenkontaktierung
(Emitter und Basis auf
der Rückseite)
Schrägbedampfung
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
52
Verlust-Minimierung:
Texturierung / Reflexion
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
53
Energierückzahlzeit
energy payback time (EPBT)
BOS: Balance of System = Wechselrichter, Kabel, Transport, Aufbau …
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
54
Energierückzahlzeit
(energy payback time (EPBT)
energy payback time (EPBT)
8
7
EPBT [Jahre]
6
5
4
3
2
1
0
mono-Si
multi-Si
a-Si
CIS
CdTe
Technologie
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
55
Marktanteile
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
56
Marktanteile
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
57
Solarzellen-Hersteller
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
58
Solarzellen-Hersteller 2007
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
59
Produktion
weltweit
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
60
Marktanteile
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
61
Weltweit installierte PV-Leistung
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
62
In Deutschland installierte PV-Leistung
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
63
Vergleich USA, Deutschland, Japan
3000
USA
Deutschland
Japan
Installierte Leistung (MW P)
2500
2000
1500
1000
500
0
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
Jahr
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
64
Kosten PV-Zellen
Lernkurve: Kosten pro Wp über kumulierter produzierter Leistung
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
65
3. PV Anlagentechnik
• PV Systemtechnik
• Strahlungsangebot
• Erträge
• Baurechtliche Aspekte
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
66
PV-Systeme
Eine Solarzelle produziert
wegen der geringen Fläche
nur eine geringe Leistung.
Um höhere Leistungen zu
erreichen schaltet man
einzelne Zellen zu
Modulen zusammen.
Große PV-Anlagen
wiederum bestehen aus
einer entsprechenden
Verschaltung einer Vielzahl
von Modulen.
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
67
PV Module
Serienschaltung einzelner Zellen zur Erzielung höherer
Spannungen: PV-Modul
Typische Leerlaufspannung bei 36 Zellen: 36 * 0,7V = 25V
Problem: Ausfall einzelner Zellen durch Verschattung oder
Defekt beeinträchtigt alle Zellen der Serie!
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
68
PV Module
Verknüpfung von Solarzellen :
Bypass-Dioden zum Schutz einzelner Zellen oder
Zellenstränge:
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
69
PV –Module
Glas / Folie
SS 2008
Glas / Glas
UP/UT
Dr. Karl Molter
70
Solarmodulherstellung
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
71
Aufbau eines netzgekoppelten
PV-Systems
SolarGenerator
SchutzDiode
Wechselrichter
Verbraucher
WechselStrom
Netz
DC
Grid
AC
Das Netz übernimmt die Funktion des Energiespeichers
Bei Ausfall des Netzes (Grid) muss der Wechselrichter den
Solargenerator automatisch vom Netz nehmen (Automatische
Netzfreischaltung ENS)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
72
Wechselrichterkonzepte
…
…
=
~
…
=
~
=
=
~
…
…
…
…
…
…
…
…
…
=
=
~
=
=
=
~
=
~
zentral
SS 2008
modulintegriert stringorientiert
UP/UT
Dr. Karl Molter
Netz
multistringorientiert
73
Typischer Wirkungsgrad-Verlauf eines
Wechselrichters
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
74
Aufbau eines PV-Inselsystems
Wechselspannungsverbraucher
SolarGenerator
SchutzDiode
Laderegler
Batterie
DC
DC
Fuse
Spannungsaufbereitung
Verbraucher
DC
AC
Hinzu kommen Zusatzkomponenten wie Kabel, Halterungen,
Gehäuse, Schalter etc.
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
75
Solargenerator
• Der Solargenerator ist in Spannung und Leistung auf
den Speicher und den Verbraucher bzw. bei
netzgekoppelten Systemen auf den Wechselrichter
abzustimmen
• Dies erreicht man durch geeignete Parallel- und
Serienschaltung von Modulen
• Inselsystem ohne Wechselrichter werden meist als
12V oder 24V und seltener 48V
Gleichspannungssysteme ausgelegt.
• Um Spannungsverluste am Laderegler und der
Verkabelung auszugleichen, sollte die Nennspannung
der verwendeten Module ca. 3 bis 5 V oberhalb der
Systemspannung liegen
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
76
Solargenerator
• Die Dimensionierung des Solargenerators hängt auch von den
solaren Einstrahlungsbedingungen des Standortes ab:
• Soll ein Deckungsgrad von 100% erreicht werden, dimensioniert
man das System nach dem Zeitraum, in dem die solare
Einstrahlung am niedrigsten ist (in unseren Breiten: Dezember /
Januar)
• Ausrichtung (Azimut) auf der Nordhalbkugel nach Süden, auf der
Südhalbkugel nach Norden (Abweichungen von ± 30° wirken sich
um weniger als 5% im Energieertrag aus
• Faustformel: Neigungswinkel ~ Breitengrad
Steiler: höherer Ertrag im Frühling / Herbst
Flacher: Höherer Ertrag im Sommer
• Sonnenstandsnachführung ist aufwendig und rechnet sich meist
nicht gegen einen höheren Energieertrag von 10 – 15%
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
77
Einstrahlungscharakteristik
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
78
Solares Strahlungsangebot
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
79
Solare Einstrahlung in Deutschland
Strahlungsatlas 2002
Nord-Süd-Gefälle zwischen
ca. 900 und 1300 kWh/m²
pro Jahr auf die Horizontale
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
80
Solare Einstrahlung weltweit
(kWh/m² a) auf die Horizontale
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
81
Mittlere Einstrahlung 1991-1993 weltweit
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
82
Ertragsergebnis
Ertagsübersicht 2kWp, Thalfang Schulweg 11
350
300
200
150
Ertrag 2002: 905 kWh/kWp
Ertrag 2003: 1153 kWh/kWp
100
Ertrag 2004: 932 kWh/kWp
Ertrag 2005: 969 kWh/kWp
Ertrag 2006: 971 kWh/kWp
50
Ertrag 2007: 951 kWh/kWp
UP/UT
Dr. Karl Molter
ez
em
b
er
er
D
ov
em
b
kt
o
be
r
N
ep
S
O
te
m
be
r
us
t
A
Monat
SS 2008
ug
Ju
li
Ju
ni
ai
M
l
pr
i
A
är
z
M
br
ua
r
F
e
r
0
Ja
nu
a
kWh / Monat
250
83
Ertragsparameter
Abhängig von:
• Standort / Klima
Mitteleuropa: 700 – 900 kWh pro kWp installierter Leistung
• Ausrichtung (Neigung, Azimut)
± 20°  ± 5% Ertragseinbuße
• PV-Technologie
bestimmt u.a. Flächenbedarf/Wirkungsgrad
• Zusatznutzen bzw. Einspareffekten
netzferne Stromversorgung, weitere vgl. Abschnitt 4
• Ökobilanz
CO2 Einsparung etc.
• Gesamtnutzungsgrad eines PV-Systems: ca. 10%
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
84
Stromgestehungskosten (€cent/KWh)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
85
Vergütung von Solarstrom
(EEG, in Deutschland)
Voraussetzung: 100% Netzeinspeisung
Degression: 5 % jährlich ab 2005, bei Freiflächenanlagen: 6,5 % ab 2006
Jahr
2004
2005
2006
2007
2008
54,53 ct
51,80 ct
49,21 ct
46,75 ct
49,28 ct
46,82 ct
44,48 ct
Gebäudeanlagen
57,4 ct
ab 30 kW
54,6 ct
ab 100 kW
54,0 ct
51,30 ct
48,74 ct
46,30 ct
43,99 ct
Fassadenbonus
5,00
5,00 ct
5,00 ct
5,00 ct
5,00 ct
Freilandanlagen
45,7 ct
43,42 ct
40,60 ct
37,96 ct
35,49 ct
SS 2008
51,87 ct
UP/UT
Dr. Karl Molter
86
Baurechtliche Aspekte
Regelung durch Landesbauordnungen:
• In der Regel sind Solaranlagen genehmigungsfrei,
sofern sie an der Fassade, auf Flachdächern oder in
der Dachfläche errichtet werden.
• Ausnahmen: Denkmalschutz, ggf. hervorspringende
Objekte, Bebauungsplan
• Für eine Freiflächenanlagen wird auf jeden Fall eine
Baugenehmigung benötigt.
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
87
Statische Anforderungen
Dachintegration
• Zusätzliche Dachlast durch PV-Anlage: ca. 0,25
kN/m², in der Regel weniger als 15 % der
Gesamtlast, für die der Dachstuhl ausgelegt ist.
• Ggf. individuelle Prüfung bei Steildach oder
windexponierten Standorten
Fassadenintegration:
• Jeweils Gesamtbetrachtung der
Fassadenkonstruktion erforderlich
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
88
4. PV-Gebäudeintegration
• Photovoltaik als multifunktionales
Element
• Beispiele
• Weiterführende Informationen
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
89
4.1 Witterungsschutz
• Regen- und
Winddichtigkeit
• Windlastfestigkeit
• Klimawechselresistenz
• Alterungsbeständigkeit
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
90
Beispiel:
Kraftwerksturm Duisburg
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
91
Beispiel: Vordach
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
92
4.2 Wärmedämmung
• In Kombination mit
üblichen
Konstruktionen und
Wärmedämmstoffen
• Im Isolierglasverbund
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
93
Beispiel: Tonnendach
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
94
Beispiel:
Schwimmbad
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
95
4.3 Wärme / Klima
• Kombination von PV
mit thermischer
Energiewandlung in
der Gebäudehülle
(Luft / Wasser)
• Verbesserung des PVWirkungsgrads
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
96
4.4 Verschattung
• Regelung über
„Packungsdichte“
• Verwendung
semitransparenter
Zellen
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
97
Beispiel Verschattung
PV-Doppelglasscheiben
Im Atriumsbereich
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
98
4.5 Schalldämmung
• Schalldämm-Maß
von 25dB durch
Mehrschichtaufbau
• Höherer Wert durch
Mehrscheibenisolierglastechnik möglich
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
99
4.6 Elektromagnetische
Schirmdämpfung
• Elektrisch leitende
Elemente wirken wie
ein „Faradayscher
Käfig“
• Reduzierung von
Elektrosmog
innerhalb von
Gebäuden
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
100
4.7 Elektromagnetische
Energiewandlung
• Integration einer
Sende- oder
Empfangsantenne
in ein PV-Modul
(„solare PlanarAntenne“)
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
101
Beispiel: Nachrichtenübertragung
Computersimulation:
Nachrichtenübertragung mit
Solarer Planar-Antenne
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
102
4.8 Heizung
• Heizung durch
„Rückstrom“ in
speziell gestalteten
Modulen möglich
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
103
4.9 Solare Energieerzeugung
• Ertrag abhängig von
Material, Neigung,
Ausrichtung, Aufbau
…
• (teilweise)
Amortisation der
Fassade innerhalb
des Lebenszyklus
möglich!
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
104
Beispiel: PV-Dach und Fassade,
Hochhausfassade
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
105
4.10 Design /Ästhetik
• PV Fassaden- und
Dachelemente sind
hochwertige
Baumaterialien die den
unterschiedlichsten
Design-Anforderungen
angepasst werden
können
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
106
Alwitra Solarfolie
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
107
Solardachziegel
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
108
Beispiel: Sporthalle Tübingen
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
109
Beispiel: BP Showcase
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
110
Beispiel:
Feuerwehr
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
111
Fachzeitschriften (Auswahl)
Photon - das Solarstrom-Magazin
Solar Verlag GmbH
Wilhelmstraße 34
52070 Aachen
Tel.: ++49-(0)241 / 470 550
Fax: ++49-(0)241 / 470 559
Solarthemen
Guido Bröer und Andreas Witt GbR
Freies Redaktionsbüro für Umwelt- und Zukunftsfragen
Bültestr. 85
32545 Bad Oeynhausen
Tel.: ++49-(0)5731/83460
Fax: ++49-(0)5731/83469
Solarzeitalter
Sonnenenergie
DGS-Sonnenenergie VerlagsGmbH
Augustenstr. 79
80333 München
Tel.: ++49-(0)89 / 52 40 71
Fax: ++49-(0)89 / 52 16 68
Neckar-Verlag GmbH
Postfach 1820
78008 Villingen-Schwenningen
Tel.: ++49-(0)7721 / 8987-0
Sonnenenergie & Wärmetechnik
Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG
Postfach 100 653
33506 Bielefeld
Tel.: ++49-(0)521 / 595-0
Fax.: ++49-(0)521 / 595-531
SS 2008
Sonnenzeitung
URANUS Verlag
Lange Gasse 48/5
A-1080 Wien
Tel: +43 1 403 91 11
Fax: +43 1 403 91 13
e-mail: [email protected]
UP/UT
Dr. Karl Molter
112
Informationsquellen im Internet
(Auswahl)
•
•
•
•
•
•
OTTI Kolleg: (Seminare, Kurse Veranstaltungen, sehr gute Tagungsbände)
Forschungsverbund Sonnenergie
Forschungsverbund Sonnenergie (8 Mitgliedsinstitute)
Solarserver der TU-Berlin,AG Erneuerbare Energien
TU-Berlin: Institut für Elektrische Energietechnik Arbeitsgruppe
Erneuerbare Energien
(mit grosser Adressedatenbank zum Thema Solarenergie)
Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien
mit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschfaft und Forschung
(IWR)
Solarserver mit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschaft und Forschung
Solarserver.de
Software:
– Valentin Energiesoftware: PVSOL, Meteonorm
– Econzept Energieplanung: PVS2001
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
113
Diese Powerpoint Präsentation ist
über meine Homepage
www.fh-trier.de/~molter -> Lehrtätigkeit
verfügbar.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
SS 2008
UP/UT
Dr. Karl Molter
114