10. Anwendungen von PV-Systemen

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