Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage 
mit netzgekoppeltem Betrieb

Abschlussarbeit in der Fachrichtung Elektrotechnik 
Schwerpunkt Automatisierungstechnik (Projektarbeit)

an der Fachschule für Technik und Wirtschaft 
am Beruflichen Schulzentrum Weißwasser

vorgelegt von

Roald Naundorf

Weißwasser, 2001-Mai-15

Thema der Techniker- Abschlussarbeit (Projektarbeit)

,,Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage mit netzgekoppeltem Betrieb"

• Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips
• Einschätzung des Photovoltaik-Entwicklungsstandes und der Technologien
• Beschreibung der Problematik: Nachführung von Photovoltaikanlagen
• Konzipierung des Aufbaus und Dimensionierung einer Photovoltaik- Anlage für ein Einfamilienhaus

Abgabetermin: 2001-05-15

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips 2
2.1 Photovoltaikanlagen, Strom aus Sonnenlicht 2
2.1.1 Warum Sonnenstrom? 2
2.1.2 Überblick 3
2.1.3 Inselsysteme 4
2.1.4 Netzgekoppelte Systeme 5
2.2 Sonnenstrahlung 8
2.2.1 Verteilung der Sonnenstrahlung 8
2.2.2 Sonnenstand und Einstrahlung auf geneigte PV-Anlagen 9
2.3 Photovoltaischer Effekt 11
2.3.1 Funktionsprinzip einer Solarzelle 11
2.3.2 Aufbau einer Solarzelle 12

3 Entwicklungsstand und Herstellungstechnologie der Photovoltaik 13
3.1 Einteilung der Zellarten 13
3.1.1 Zellarten 13
3.1.2 Kristalline Zellen 14
3.1.3 Dünnschicht-Zellen 15
3.2 Elektrische Eigenschaften und Betriebsverhalten von Solarzellen 17
3.2.1 Ersatzschaltbilder von Solarzellen 17
3.2.2 Solarzellenkennlinien 20
3.2.3 Elektrische Beschreibung von PV-Modulen 22

4 Nachführung von Photovoltaikanlagen 25
4.1 Aufbau und Funktion von Nachführsystemen 25
4.2 Einsatzgebiete und Grenzen für Nachführsysteme 25

5 Planung und Auslegung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage 27
5.1 Anlagengröße und Modulauswahl 27
5.2 Wechselrichterdimensionierung 28
5.3 Kabel und Leitungsauslegung 31
5.4 Netzeinspeisung 35
5.5 Erdung und Überspannungsschutz 36

6 Wirtschaftlichkeit 37
6.1 Ertragsabschätzung 37
6.2 Ertragsberechnung ohne Kapitalverzinsung 39
6.3 Ertragsberechnung mit Kapitalverzinsung 40

7 Zusammenfassung 41

Verzeichnis der Abkürzungen

[...]

Ziel der Projektarbeit war die Erarbeitung und Projektierung einer Solarstromanlage mit einer Gesamtleistung von 4400 W_p. Diese Anlage ist für die nachträgliche Montage auf dem Satteldach eines Einfamilienhauses geplant, welches eine gute Standortausrichtung zur Sonne hat. Um die Photovoltaik besser verstehen zu können, wurden die Grundlagen und Funktionen von Solarzellen mitbehandelt.

Ergebnis dieser Projektarbeit:

• die Grundlagenvermittlung über Aufbau, Funktion und Wirkungsweise von Solarzellen.
• Grundlagen der Sonneneinstrahlung mit Schattenanalyse 
• 4,4 kW_p-Solarstromprojekt für ein Einfamilienhaus
• wirtschaftliche Betrachtungen

Literaturverzeichnis

[...]

 Einleitung

Photovoltaik wird die Basis für eine neue Energiewirtschaft, umweltgerecht und weltumspannend. Photovoltaik ist eine junge Technik und hat das große Potential sich durchzusetzen. Die Anwendungsbreite ist riesig, jedoch beträgt ihr Anteil an der hiesigen Stromerzeugung unter einem Prozent.
Elektrizität direkt aus dem Sonnenlicht zu gewinnen, wobei keine Schadstoffe entstehen, keine umständliche Aufbereitung notwendig ist und auch kein Lärm entsteht, ist für viele Menschen faszinierend.
Von den Menschen selbst wird es abhängen, ob eines Tages der Übergang zur solaren Weltwirtschaft geschafft wird und ob es gelingt die Energiequelle ,,Sonne" in globalem Stil anzuzapfen, die die Erde seit Milliarden von Jahren mit Energie zum Nulltarif versorgt. Nur ein geringer Teil ihrer gesamten Strahlung fällt auf unsere Erde, aber immer noch 10000 mal mehr Energie als wir verbrauchen.
Photovoltaik ist eine Möglichkeit Energie zu gewinnen, die nicht umweltschädlich ist. Sie nutzt eine Energiequelle, die für menschliche Verhältnisse unendlich lange zur Verfügung steht. Um sie müssen keine Kriege geführt werden und sie verursacht keine Umweltkatastrophen.
Viele unserer ökologischen Probleme sind Folgen der bisherigen Energieversorgung. Das Waldsterben durch Schwefeldioxid, Klimaveränderungen durch Kohlendioxid, Radioaktivität aus Atomkraftwerken, Meeresverschmutzung durch Tankerunfälle u.s.w. sind Folgen einer einseitigen und durch Lobbyismus beherrschten Energiewirtschaft. Der begrenzte und immer knapper werdende Bestand an fossilen Ressourcen wie Kohle, Erdöl und Erdgas zwingt nun auch diese Energiewirtschaft zum Umdenken. So werden sämtliche, von den Menschen zugänglichen Vorkommen an fossilen Energieträgern bereits im 21.Jahrhundert aufgebraucht und lediglich die Kohlevorräte noch über einen etwas längeren Zeitraum verfügbar sein. Somit werden wenige Generationen sämtliche fossilen Vorräte der letzten Jahrmillionen vollständig ausgebeutet haben [4].
Die Sonne als natürliche Energiequelle bietet uns Alternativen zur konventionellen Energieversorgung. Photovoltaik, die direkte Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht, ist eine der Alternativen. Sie ist eine bereits heute ausgereifte Technologie. Allerdings wird die Photovoltaik alleine das Energieproblem der Zukunft nicht lösen können. Es muss ein gesunder Mix aus allen regenerativen Energien (Solar, Wind, Wasser, Biomasse, Erdwärme, Brennstoffzellen, u.s.w.) entwickelt und gemeinsam genutzt werden.

2 Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips

2.1 PV-Anlagen, Strom aus Sonnenlicht

2.1.1 Warum Sonnenstrom?

Der französische Physiker Alexander E. Becquerel entdeckte im Jahr 1839, dass zwischen zwei Platinelektroden in elektrolytischer Lösung eine Spannung auftritt, wenn eine der Elektroden beleuchtet und die andere abgedunkelt wird. Eine solche Zellanordnung liefert einen Strom, der mit der Beleuchtungsstärke proportional ansteigt. Die wissenschaftliche Erklärung dieser genialen Erfindung gelang Albert Einstein im Jahr 1905. An eine technische Anwendung des Effektes war, durch den sehr geringen Wirkungsgrad (≈ 1%), in jenen Jahren noch nicht zu denken.
Die Einführung in die Praxis wurde erst viele Jahre später in den Bell Laboratorien in den USA in Angriff genommen. Dort wurde 1954 die erste Siliziumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 5% entwickelt und gebaut. Hintergrund war die Idee, Satelliten im Weltraum mit Energie zu versorgen.
Die Sonne ist eine im menschlichen Maßstab unerschöpfliche Energiequelle. Sie strahlt jährlich mehr als die 10000-fache Menge des benötigten Weltenergiebedarfes als Strahlungsenergie auf die Erde. Wenn also nur ein zehntausendstel dieser Sonnenenergie genutzt würde, könnte der gesamte Energiebedarf der Menschheit gedeckt werden. Unmittelbar nutzbar wird diese Energie jedoch erst, wenn sie in technischen Anlagen umgewandelt wird z.B. der Photovoltaik.
Photovoltaik ist die eleganteste Art der Stromerzeugung. Sie geschieht lautlos, ohne mechanisch bewegte Teile, wartungsarm und ohne Abgabe von Schadstoffen an die Umwelt.

[...] Abbildung in dieser Vorschau nicht enthalten

Bild 2.1: Jährliche Sonnenenergieeinstrahlung auf die Erde im Vergleich zum Weltenergieverbrauch und den Ressourcen fossiler und atomarer Energieträger.
[Daten: Bundesministerium für Wirtschaft BMWi]

2.1.2 Überblick

Photovoltaische Anlagensysteme können in Inselsysteme und netzgekoppelte Systeme eingeteilt werden. Bei Inselsystemen (autarke Solaranlagen) wird der Energieertrag der PV-Anlage mit dem Energiebedarf der Verbraucheranlage abgestimmt und/oder in Akkumulatoren gespeichert. Auch die Ergänzung durch zusätzliche Energiequellen (Hybridsysteme) wird genutzt. Hierbei werden mehrere erneuerbare Energiequellen (wie PV - Wind - Wasser) parallel geschaltet, die sich dann gegenseitig ersetzen können.

[...]