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