Photovoltaik

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Photovoltaik

• Technologie - Anlagentechnik - Anwendung

Vorlesung in den Studiengängen EVS/TGA SS
2006 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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Historie

• 1839 Entdeckung des lichtelektrischen Effekts
  durch Bequerel
• 1873 Entdeckung des fotoelektrischen Effekts bei
  Selen
• 1954 Erste Silizium Solarzelle im Zuge der
  Entwicklung der Halbleitertechnologie (? 5 )

5
Der photovoltaische Effektund die Solarzelle
Ergebnis verschleißlose Erzeugung elektrischer
Energie unter Verwendung von Solarstrahlung
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Energiezustände in FestkörpernBänderschema
Atom
Molekül
Energieniveaus
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Energiezustände in FestkörpernIsolator
Elektronenenergie
Leitungsband
Bandlücke EG (gt 5 eV)
Fermi- niveau EF
Valenzband
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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

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Energiezustände in FestkörpernMetall/Leiter
Elektronenenergie
Fermi- niveau EF
Leitungsband
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Energiezustände in FestkörpernHalbleiter
Elektronenenergie
Leitungsband
Bandlücke EG (? 0,5 2 eV)
Fermi- niveau EF
Valenzband
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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

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Energiezustände in FestkörpernEnergieaufnahme /
-abgabe
Elektronenenergie
Leitungsband
EF
Valenzband
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Energiezustände in Festkörpernphysikalische
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)

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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
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
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N - Dotierung
Kristall
n-leitendes Silizium
16
P - Dotierung
Kristall
p-leitendes Silizium
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Der unbeleuchtete p/n-Übergang
Bandschema
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Der beleuchtete p/n-Übergang
Bandschema (Absorption im p-Gebiet)
Raumladungs- oder Feldzone
-
-
-
-
-
Ud
EF
P
P
P
P
P
B-
B-
B-
B-
B-
Ed
p - Gebiet
-

n - Gebiet
Diffusionsspannung
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Der beleuchtete p/n ÜbergangKristall
20
Aufbau einer Si Solarzelle
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Ersatzschaltbild einer Solarzelle
IPH Photostrom der Solarzelle
ID /UD Strom und Spannung an der internen p-n
Diode
RP paralleler Verlustwiderstand aufgrund
Oberflächenin- homogenitäten 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
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Idealisierte Kennlinie einer Solarzelle
vereinfachtes Schaltbild
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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
• 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.

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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 25C, AM 1,5) gemessen und in
  WP (Watt peak) angegeben.

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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

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Solarzellen Kennlinien (cSi)
27
Kennlinienfeld einer Solarzelle
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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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Bewertung Kupfer, Indium, Diselenid (CIS)

• Produktionswirkungsgrade 11 14
• Dünnschichttechnologie (lt1µm), geringer
  Materialbedarf
• Herstellung grossflächiger Module in einem
  Schritt
• gute Langzeitstabilität
• Materialien nicht unbedenklich (Se, geringe
  Mengen Cd)

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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)

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Herstellungsverfahren
1. Silizium Wafertechnologie (mono- oder
multikristallin)
Reinstsilicium99.999999999
Schmelzen / Kritallisieren
Vorkommen Siliziumoxid (SiO2) Quarzsand
Säulenherstellung
Mechanisches Schneiden Dicke ca. 300µm Minimale
Dicke ca. 100µm
Scheibenherstellung
Typische Wafergrösse 10 x 10 cm2 Link zu
Herstellerfirmen Silizium Wafer
Scheibenreinigung
Qualitätskontrolle
Wafer
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Herstellungsverfahrenmono- oder
multikristallines Si
39
Herstellungsverfahren
Silizium Band-Ziehverfahren
EFG Edge-definded Film-fed Growth Weniger
energieintensiv als Kristallziehverfahren Dicke
ca. 100µm Weniger Si Abfall, da kein Sägen
notwendig
40
Herstellungsverfahren
Dünnschichtverfahren (CIS, CdTe, aSi, ... )
Halbleitermaterialien werden grossflächig
aufgedampt Dicke ca. 1µm Flexible Unterlage
möglich Weniger energieintensiv als Si
Verfahren Geringer Materialverbrauch Typische
Produktionsgrösse1 x 1 m2
CIS Module
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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)

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Tandem-zelle
Schema einer Multispektralzelle auf der Basis der
Chalkopyrite Cu(In,Ga)(S,Se)2
43
Dünner Si-Wafer
44
Energierückzahlzeit(energy payback time (EPBT)
45
Marktanteile
46
Solarzellen-Hersteller
47
Weltweit installiert PV-Leistung
48
In Deutschland installierte PV-Leistung
49
Kosten PV-ModuleLernkurve Kosten pro Wp über
kumulierter produzierter Leistung
50
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!
52
PV Module
Verknüpfung von Solarzellen Bypass-Dioden zum
Schutz einzelner Zellen oder Zellenstränge
53
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)
54
Wechselrichterkonzepte
Netz
55
Aufbau eines PV-InselsystemsWechselspannungsverbr
aucher
Hinzu kommen Zusatzkomponenten wie Kabel,
Halterungen, Gehäuse, Schalter etc.
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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 Gleichspannungssyste
  me ausgelegt.
• Um Spannungsverluste am Laderegler und der
  Verkabelung auszugleichen, sollte die
  Nennspannung der verwendeten Module ca. 3 bis 5 V
  oberhalb der Systemspannung liegen

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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 BreitengradSteiler
  höherer Ertrag im Frühling / HerbstFlacher
  Höherer Ertrag im Sommer
• Sonnenstandsnachführung ist aufwendig und rechnet
  sich meist nicht gegen einen höheren
  Energieertrag von 10 15

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Einstrahlungscharakteristik
59
Solares Strahlungsangebot
60
Solare Einstrahlung in Deutschland
Strahlungsatlas 2002 Nord-Süd-Gefälle
zwischen ca. 900 und 1300 kWh/m² pro Jahr auf
die Horizontale
61
Solare Einstrahlung weltweit(kWh/m² a) auf die
Horizontale
62
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
• Zusatznutzen bzw. Einspareffektennetzferne
  Stromversorgung, weitere vgl. Abschnitt 4
• ÖkobilanzCO2 Einsparung etc.

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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
Gebäudeanlagen 57,4 ct 54,53 ct 51,80 ct 49,21 ct 46,75 ct
ab 30 kW 54,6 ct 51,87 ct 49,28 ct 46,82 ct 44,48 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
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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
  Gesamtlast, für die der Dachstuhl ausgelegt ist.
• Ggf. individuelle Prüfung bei 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
70
Beispiel Vordach
71
4.2 Wärmedämmung

• In Kombination mit üblichen Konstruktionen und
  Wärmedämmstoffen
• Im Isolierglasverbund

72
Beispiel Tonnendach
73
Beispiel Schwimmbad
74
4.3 Wärme / Klima

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

75
4.4 Verschattung

• Regelung über Packungsdichte
• Verwendung semitransparenter Zellen

76
Beispiel Verschattung
PV-Doppelglasscheiben Im Atriumsbereich
77
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)

80
Beispiel Nachrichtenübertragung
Computersimulation Nachrichtenübertragung
mit Solarer Planar-Antenne
81
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
84
4.10 Design /Ästhetik

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

85
Alwitra Solarfolie
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Solardachziegel
87
Beispiel Sporthalle Tübingen
88
Beispiel BP Showcase
89
Beispiel Feuerwehr
90
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
91
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 meine
Homepage www.fh-trier.de/molter -gt
Lehrtätigkeit verfügbar. Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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(No Transcript)