10. Anwendungen von PV-Systemen
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10. Anwendungen von PV-Systemen Satheesh Krishnamurthy, OPEN University UK Lernziele Nach dem Durcharbeiten dieses Kapitels sollte der Leser die Hauptanwendungsmöglichkeiten der Photovoltaik kennen – von der Stromerzeugung im großen Maßstab bis zu tragbaren On-Device-Ladegeräten. Einführung Mit der ständig steigenden Nachfrage nach Energie hat sich auch die Suche nach alternativen Energien intensiviert. Die weltweite Nutzung fossiler Brennstoffe hat zur kritischen Situation der globalen Erwärmung geführt, die unsere Gesundheit, Umwelt und Klima signifikant beeinflusst. Eine große Bedeutung wird der Erschließung erneuerbarer Energiequellen beigemessen. Solarenergie ist bei weitem die am reichlichsten vorhandene Form von erneuerbarer Energie und hat das Potenzial, fossile Brennstoffe teilweise zu ersetzen. Die Menge der auf der Erde auftreffenden Sonnenstrahlung ist ungefähr zehntausend Mal höher als der aktuelle globale Energieverbrauch. Solarzellen bieten eine Möglichkeit, Sonnenenergie nutzbar zu machen. Solarzellen wandeln Sonnenlicht direkt in Elektrizität um und können eine wichtige Rolle bei der Deckung des weltweiten Energiebedarfs sein. Solarsysteme werden in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt. Diese Anwendungen kann man in zwei Kategorien unterteilen: Interaktive (oder netzgekoppelten) Nutzanlagen und Inselanlagen [1]. Netzgekoppelten PV-Nutzanlagen: In interaktiven (oder netzgekoppelten) PV-Nutzanlagen werden PV-Module an Wechselrichter angeschlossen, die den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Diese Elektrizität kann dann Haushaltanwendungen betreiben oder direkt ans Stromnetz verkauft werden. Da PV-Anlagen auf den Betrieb bei Sonnenlicht beschränkt sind, wird häufig ein Backup-System benötigt, um die kontinuierliche Stromversorgung unabhängig von schlechten Wetterbedingungen sicherzustellen. Solche Systeme werden meistens in Häusern oder Geschäftsgebäuden genutzt, um Stromkosten zu senken. Ein gut konzipiertes PV-System mit einer angemessenen Speichereinheit kann eine attraktive Möglichkeit sein, um den Energieverbrauch aus den Spitzenzeiten heraus zu verlagern. Abb. 1 Schema einer netzgekoppelten Anlage. [2] Obiges Schema zeigt eine typische Solaranlage auf einem Hausdach. Diese Anlage erlaubt es dem Besitzer, die erzeugte Energie ans nationale Stromnetz zu verkaufen, was die Stromrechnung des Besitzers wirkungsvoll reduziert. Abb. 2 PV-Panels auf einem Hausdach in UK Inselanlagen Inselanlagen verbrauchen die erzeugte Energie direkt. Inselanlagen sind nicht von einem Stromnetz abhängig. In der Nacht oder wenn nur geringe Sonneneinstrahlung vorhanden ist, wird ein Batteriespeichersystem benutzt. In manchen Situationen können Inselanlagen auf einen gewöhnlichen Generator als Backup zurückgreifen. Es gibt zahlreiche Anwendungen für PV-Insellösungen, von denen einige im Folgenden erwähnt werden. Beleuchtung: Mit der Erfindung der LED-Technologie (light emitting diode) als NiedrigenergieLichtquellen finden PV-Anlagen eine ideale Anwendung in abgelegenen oder mobilen Beleuchtungssystemen. Solarsysteme in Kombination mit einer Batteriespeichereinheit werden meist benutzt, um die Beleuchtung für Werbetafeln, Straßenschilder, öffentliche Einrichtungen, Parkplätze, Urlaubshäuschen oder Eisenbahnen sicherzustellen. Abb. 3 Solarbetriebene Straßenlampe. Abb. 4 Tragbares Beleuchtungssystem kombiniert mit einer Ladevorrichtung Abb. 5 Solarbetriebene Werbetafel Kommunikation: Kommunikationssignale benötigen einen Verstärker in bestimmten Entfernungsabständen. Vielfältige Relaisstationen werden eingesetzt, um Radio-, Fernseh- und Telefonsignale zu verstärken. Für die Repeaterstationen werden erhöhte Standorte bevorzugt. Im Allgemeinen sind diese weit vom Stromnetz entfernt. Um die mit Generatoren verbundenen Schwierigkeiten und Kosten zu reduzieren, werden PV-Systeme als gangbare Alternative installiert. Abb. 6 Repeater an erhöht gelegenen Orten können solarbetrieben werden. Abb. 7 Kommunikationssatelliten werden von Solarenergie gespeist. Elektrizität für abgelegene Orte: Einige Gegenden sind zu weit vom Stromnetz entfernt, um an die Versorgung angeschlossen werden zu können. Auch Baustellen benötigen eine Energieversorgung, bevor sie an die Versorgung angeschlossen werden können. Solaranlagen sind eine attraktive Option für diese Fälle. Weiterhin können Solaranlagen gewöhnliche Generatoren als Backup nutzen, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Abb. 8 Abgelegene Gegend in Afrika, von Solarenergie versorgt. Katastrophenhilfe: Naturkatastrophen gehen oft mit dem Zusammenbruch der Stromversorgung einher, da Unglücke wie Hurrikane, Hochwasser, Tornados und Erdbeben oft die Energieerzeugungs- und -versorgungssysteme zerstören. In solchen Situationen, wo die Energieversorgung oft für einen längeren Zeitraum ausfällt, können transportable Solaranlagen temporäre Lösungen für Licht, Kommunikation und Lebensmittelversorgung darstellen. Die medizinische Notversorgung vor Ort wird vorzugsweise mit Solarenergie versorgt, aufgrund der mit dem Treibstofftransport verbundenen Probleme. Abb. 9 Transportable Solaranlagen versorgen ein Katastrophengebiet. Wissenschaftliche Experimente: In verschiedenen Fällen werden wissenschaftliche Experimente in Gegenden durchgeführt, die weit von einer Stromversorgung entfernt sind, wobei Solarstromanlagen eine wirkungsvolle Hilfe sind. Systeme, die seismische Aktivitäten, Straßenbedingungen oder meteorologische Informationen registrieren, können von Solarstromanlagen gespeist werden. Abb. 10 Solarenergiegespeistes wissenschaftliches Experiment. Signalanlagen: Navigationshilfen, wie Leuchttürme, Verkehrsleitsysteme oder Warnsignale für Flugzeuge können weit vom Stromnetz entfernt sein. Solarstromanlagen können eine zuverlässige Energiequelle für diese wichtigen Anwendungen sein. Sogar Verkehrsampeln können von Solaranlagen gespeist werden. Abb. 11 Solarstrombetriebener Leuchtturm Abb. 12 Solarstrombetriebene transportable Verkehrsampeln. Wasserförderung: Die Photovoltaik ist ein perfekter Kandidat für Landwirtschaft und Viehzucht aufgrund des Wasserbedarfs während Zeiten starker Sonnenbestrahlung. Diese Pumpsysteme können Wasser direkt auf die Felder fördern oder für Bedarfszeiten speichern. Diese Systeme können sogar für die Wasserversorgung in abgelegenen Gegenden oder Dörfern benutzt werden. Abb 13. Solarwasserpumpen können sehr kosteneffizient für abgelegene landwirtschaftliche Aktivitäten sein [3]. Abb. 14 Solarwasserpumpen können Gegenden ohne Stromnetzanbindung versorgen. Aufladung von Fahrzeugbatterien: Elektrisch betriebene Fahrzeuge können an solarbetriebenen Ladestationen geladen werden. Solche Fahrzeuge können auch ihren kritischen Batteriezustand an solarbetriebenen Energiequellen aufrechterhalten. Boote und andere Freizeitfahrzeuge können von Solarsystemen direkt geladen werden. Abb. 15 Elektrofahrzeuge an einer Solarladestation. Abb. 16 Boot mit einem Solarladesystem. Kathodischer Korrosionsschutz durch Solarenergie: Pipelines, Bohrlöcher und andere metallische Konstruktionen sind anfällig für Korrosion weil sie Wasser ausgesetzt sind. Korrosion entsteht aufgrund der elektrolytischen Aktivität von Metallen, da sie beim Kontakt mit Wasser Ionen verlieren. Dieser elektrolytische Vorgang kann reduziert werden, indem man eine externe Spannung anlegt. Diese externe Spannung verhindert den Ionenverlust des Metalls. Zu diesem Zweck ist eine geringe Gleichspannung ausreichend. Die Photovoltaik ist ein geeigneter Kandidat für diesen Zweck, da sie einen Niederspannungsgleichstrom produziert, der direkt genutzt werden kann. Abb. 17 Kathodischer Korrosionsschutz mit Solarenergie. Kühlung: Ein PV-System kann ausnahmsweise auch zu Lagerung und Transport von Medikamenten und Seren geeignet sein, die Kühlung benötigen. Abb. 18 Solarstromgespeister Kühlschrank. Endverbrauchererzeugnisse PV-Technologie wird für eine Vielzahl von im Handel erhältlichen Endverbraucherprodukten genutzt. Kleine Gleichstromgeräte wie Spielzeuge, Armbanduhren, Taschenrechner, Radios, Fernseher, Taschenlampen, Lüfter usw. können mit Solarstrom betrieben werden. Abb. 19 Solarbetriebener Taschenrechner und Radio. Öffentliche Einrichtungen: Diverse Systeme der öffentlichen Versorgung wie Geldautomaten oder Telefonzellen können ebenfalls mit Solarenergie betrieben werden. Abb. 20 Geldautomat und Telefonzelle solarbetrieben. Fazit Der große Forschungsaufwand, der im letzten Jahrzehnt betrieben wurde, hat zu einem gesteigerten Interesse an der Anwendung von PV-Systemen zur Deckung des Energiebedarfs geführt. PV-Anlagen können direkt auf eine Gebäudekonstruktion montiert werden anstatt auf extra Gestelle, was den Platzbedarf reduziert. PV-Systeme sind auf flexiblen Modulen erhältlich und können auf quasi jede Oberfläche montiert werden, um Sonnenenergie zu nutzen. Schließlich sollten wir noch erwähnen, dass, bei dem technologischen Fortschritt, transparente und am Körper tragbare (wearable) PV-Systeme nicht mehr weit sind. Literaturnachweis [1] http://www.ncsc.ncsu.edu. [2] http://www.kewsolar.co.uk/techinfo/panels.aspx [3] http://lightbysolar.co.uk/solar-water-pumps-irrigation-water-purifier/ [4] http://www.amerescosolar.com/solar-power-cathodic-protection
