Integrated Design: Photovoltaik

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Integrated DesignPhotovoltaik

• Technologie - Anlagentechnik - Anwendung

Vorlesung im Rahmen des MSc Studiengangs
Fachbereich Bauingenieurwesen 12.12.2005 Dr.
Karl Molter FH Trier
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Inhalt

1. Kurze Physik der Solarzelle
2. Photovoltaik-Technologien
3. Photovoltaik Anlagentechnik
4. Photovoltaik Gebäudeintegration

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1. Kurze Physik der Solarzelle

• Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle
• Ladungstrennung Der p/n-Übergang
• Solarzellen-Kennlinien

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Der photovoltaische Effektund die Solarzelle
Ergebnis verschleißlose Erzeugung elektrischer
Energie unter Verwendung von Solarstrahlung
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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
p-leitendes Silizium
n-leitendes Silizium
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Der p/n - Übergang
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Aufbau einer Si Solarzelle
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Solarzellen Kennlinien (cSi)
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2. Photovoltaik-Technologien

• Ausgangsmaterialien
• Technologien
• Marktanteile und Marktentwicklung

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Ausgangsmaterialien
Definition eines Halbleiters Ausschlaggebend
ist die Elektronenkonfiguration im Festkörper
Ausschnitt aus der Periodentafel
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Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen(Theo
rie / Labor)
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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

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Bewertung Monokristallines Silizium

• Produktionswirkungsgrad 15 - 18 (gt23 im Labor)
• großer Materialeinsatz nötig
• Preis für Rohsilizium schwankend
• ausgereifte Herstellungsverfahren,aber
  energieintensiv, Verbilligung durch EFG und
  Bänder-Technologie
• Hohe Langzeitstabilität
• Material umweltverträglich
• z.Zt. zweitgrößter Marktanteil

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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

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Bewertung amorphes Silizium (a-Si)

• Produktionswirkungsgrad 6 8
• Dünnschichttechnologie (lt1µm), geringer
  Materialbedarf
• Preis für Rohsilizium schwankend
• Ausgereiftes, kostengünstiges Herstellungsverfahre
  n
• garantierte Langzeitstabilität nur für
  Wirkungsgrade von 4 6
• Material umweltverträglich

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Energierückzahlzeit(energy payback time (EPBT)
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Marktanteile
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Solarzellen-Hersteller
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Ende 2004 3.700MW
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Weltweit installiert PV-Leistung
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In Deutschland installierte PV-Leistung
EEG
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Kosten PV-ModuleLernkurve Kosten pro Wp über
kumulierter produzierter Leistung
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3. PV Anlagentechnik

• PV Systemtechnik
• Strahlungsangebot
• Erträge
• Baurechtliche Aspekte

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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!
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Aufbau eines netzgekoppelten PV-Systems
Das Netz übernimmt die Funktion des
Energiespeichers Bei Ausfall des Netzes (Grid)
muss der Wechselrichter den Solargenerator
automatisch vom Netz nehmen (Automatische
Netzfreischaltung ENS)
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Wechselrichterkonzepte
Netz
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Solare Einstrahlung in Deutschland
Strahlungsatlas 2002 Nord-Süd-Gefälle
zwischen ca. 900 und 1300 kWh/m² pro Jahr auf
die Horizontale
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Solare Einstrahlung weltweit(kWh/m² a) auf die
Horizontale
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Ertragsergebnis
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Ertragsparameter

• Abhängig von
• Standort / Klima Mitteleuropa 700 900 kWh pro
  kWp installierter Leistung
• Ausrichtung (Neigung, Azimut) 20 ? 5
  Ertragseinbuße
• PV-Technologiebestimmt u.a. Flächenbedarf/Wirkung
  sgrad
• Aktueller Vergütung(EEG) 2004 45,7 bis 62,4
  Cent, 2005 43,42 bis 59,53 Cent
• Zusatznutzen bzw. Einspareffektennetzferne
  Stromversorgung, weitere vgl. Abschnitt 4
• ÖkobilanzCO2 Einsparung etc.

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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.

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Statische Anforderungen

• Dachintegration
• Zusätzliche Dachlast durch PV-Anlage ca. 0,25
  kN/m², in der Regel weniger als 15 der
  Gesamt-last, für die der Dachstuhl ausgelegt ist
  (Wohngeb.).
• Ggf. individuelle Prüfung bei Industriebau,
  Steildach oder windexponierten Standorten
• Fassadenintegration
• Jeweils Gesamtbetrachtung der Fassadenkonstruktion
  erforderlich

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4. PV-Gebäudeintegration

• Photovoltaik als multifunktionales Element
• Beispiele
• Weiterführende Informationen

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4.1 Witterungsschutz

• Regen- und Winddichtigkeit
• Windlastfestigkeit
• Klimawechselresistenz
• Alterungsbeständigkeit

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Beispiel Kraftwerksturm Duisburg
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Beispiel Vordach
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4.2 Wärmedämmung

• In Kombination mit üblichen Konstruktionen und
  Wärmedämmstoffen
• Im Isolierglasverbund

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Beispiel Tonnendach
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Beispiel Schwimmbad
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4.3 Wärme / Klima

• Kombination von PV mit thermischer
  Energiewandlung in der Gebäudehülle (Luft /
  Wasser)
• Verbesserung des PV-Wirkungsgrads

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4.4 Verschattung

• Regelung über Packungsdichte
• Verwendung semitransparenter Zellen

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Beispiel Verschattung
PV-Doppelglasscheiben Im Atriumsbereich
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4.5 Schalldämmung

• Schalldämm-Maß von 25dB durch Mehrschichtaufbau
• Höherer Wert durch Mehrscheibenisolier-glastechnik
  möglich

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4.6 Elektromagnetische Schirmdämpfung

• Elektrisch leitende Elemente wirken wie ein
  Faradayscher Käfig
• Reduzierung von Elektrosmog innerhalb von Gebäuden

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4.7 Elektromagnetische Energiewandlung

• Integration einer Sende- oder Empfangsantenne in
  ein PV-Modul (solare Planar-Antenne)

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Beispiel Nachrichtenübertragung
Computersimulation Nachrichtenübertragung
mit Solarer Planar-Antenne
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4.8 Heizung

• Heizung durch Rückstrom in speziell gestalteten
  Modulen möglich

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4.9 Solare Energieerzeugung

• Ertrag abhängig von Material, Neigung,
  Ausrichtung, Aufbau
• (teilweise) Amortisation der Fassade innerhalb
  des Lebenszyklus möglich!

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Beispiel PV-Dach und Fassade, Hochhausfassade
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4.10 Design /Ästhetik

• PV Fassaden- und Dachelemente sind hochwertige
  Baumaterialien die den unterschiedlichsten
  Design-Anforderungen angepasst werden können

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Alwitra Solarfolie
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Solardachziegel
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Beispiel Sporthalle Tübingen
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Beispiel BP Showcase
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Beispiel Feuerwehr
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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. [phone]  Fax
49-(0)5731/83469 
Sonnenenergie   DGS-Sonnenenergie Verlags-GmbH 
Augustenstr. 79  80333 München  Tel.
49-(0)89 / 52 40 71  Fax 49-(0)89 / 52 16
68
Solarzeitalter   Neckar-Verlag GmbH  Postfach
1820  78008 Villingen-Schwenningen  Tel.
49-(0)7721 / 8987-0 
Sonnenzeitung   URANUS Verlag  Lange Gasse
48/5  A-1080 Wien  Tel [phone]  Fax
43 1 403 91 13  e-mail sonnenzeitung_at_uranus.at
Sonnenenergie Wärmetechnik   Bielefelder
Verlagsanstalt GmbH Co. KG  Postfach 100 653 
33506 Bielefeld  Tel. 49-(0)521 / 595-0 
Fax. 49-(0)521 / 595-531
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Informationsquellen im Internet (Auswahl)

• OTTI Kolleg (Seminare, Kurse Veranstaltungen,
  sehr gute Tagungsbände)
• Forschungsverbund Sonnenergie Forschungsverbund
  Sonnenergie (8 Mitgliedsinstitute)
• Solarserver der TU-Berlin,AG Erneuerbare
  EnergienTU-Berlin Institut für Elektrische
  Energietechnik Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien
  (mit grosser Adressedatenbank zum Thema
  Solarenergie)
• Internationales Wirtschaftsforum Regenerative
  Energienmit aktuellen Informationen aus Politik,
  Wirtschfaft und Forschung(IWR)
• Solarserver mit aktuellen Informationen aus
  Politik, Wirtschaft und ForschungSolarserver.de
• Software
• Valentin Energiesoftware PVSOL, Meteonorm
• Econzept Energieplanung PVS2001

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Diese Powerpoint Präsentation ist über den
Sharepoint-Server von Herrn Lungershausen oder
über meine Homepage www.fh-trier.de/molter -gt
Lehrtätigkeit verfügbar. Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!