Photovoltaik
Projektstudie für die Realisierung einer Photovoltaik-Anlage

Diplomarbeit zur Erlangung
des Grades Diplom-Ingenieur (BA)
der Studienrichtung Elektrotechnik

vorgelegt von: Kevin Drews
vorgelegt am: 04.09.2006

Autorenreferat

Unsere Energie beziehen wir heutzutage überwiegend aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas und Erdöl. Aufgrund der damit verbundenen Umweltbelastungen und dem Rückgang fossiler Energieträger spielen erneuerbare Energien eine immer größere Rolle. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, wie z.B. Windkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraftwerke, geothermische Kraftwerke und die Photovoltaik.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Photovoltaiktechnik. Diese Form der Energieerzeugung beruht auf dem Prinzip, Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Die solare Stromversorgung ist auf dem Weg, eine Basistechnologie für die Stromversorgung von morgen zu werden. Einführend wird ein Überblick über unterschiedliche Solarzellentypen sowie deren Herstellung gegeben. Weiterhin sind die Aspekte der Standortwahl, Wechselrichter und Einspeisung von Photovoltaikanlagen dargestellt. Aufbauend auf die theoretischen Grundlagen ist ein ausführliches Praxisbeispiel einer komplett installierten Photovoltaikanlage beschrieben. Dabei handelt es sich um eine 30kWp Dachanlage, die in das öffentliche Energienetz einspeist. Abschließend finden sich allgemeine Hinweise zur Einspeisevergütung, zu Richtlinien und Normen, Versicherungsregelungen und zur derzeitigen Marktentwicklung in Deutschland. Die beigefügte Anlagendokumentation stellt den internen Standard der Firma HBS Elektrobau GmbH dar und bezieht sich speziell auf das beschriebene Praxisbeispiel.

Anliegen dieser Arbeit ist es, eine Zusammenfassung über theoretische Kenntnisse der Photovoltaik zu geben und diese praktisch anzuwenden, so dass die Verknüpfung von Theorie und Praxis gefördert wird. Bestehende Wissenslücken und Unsicherheiten gegenüber der Photovoltaiktechnologie sollen abgebaut werden.

Inhalt

Abkürzungen ... 8

1 Allgemeines ... 11

1.1 STC - Bedingungen ... 11
1.2 Air Mass ... 12
1.3 Die Sonnenstrahlung ... 12

2 Der Solargenerator ... 17

2.1 Die Solarzelle ... 17
2.1.1 Kristalline Solarzellen und Sonderformen ... 17
2.1.2 Solarzellen mit p/n - Übergang ... 19
2.1.3 Dotieren von Halbleiterelementen ... 19
2.1.4 Das Bändermodell ... 20
2.1.5 Der p/n - Übergang ... 21
2.1.6 Der innere Photoeffekt ... 22
2.1.7 Der photovoltaische Effekt ... 23

2.2 Die Solarzellentypen ... 24
2.2.1 Monokristalline Siliziumzelle ... 24
2.2.2 Polykristalline Siliziumzelle ... 24
2.2.3 Amorphe Siliziumzelle ... 26
2.2.3.1 CIS - Zellen ... 26
2.2.3.2 CdTe - Zellen ... 27
2.2.3.3 GaAs - Zellen ... 27
2.2.4 Auswertung und Vergleich der Solarzellen ... 28

2.3 Kennwerte einer Solarzelle ... 30
2.3.1 Maximum Power Point - PMPP ... 35
2.3.2 Der Füllfaktor - FF ... 35
2.3.3 Der Wirkungsgrad - η ... 36
2.3.4 Performance Ratio - PR ... 36

2.4 Solarmodul und Solargenerator ... 37
2.4.1 Reihenschaltung von Solarzellen ... 37
2.4.2 Parallelschaltung von Solarzellen ... 38
2.4.3 Zusammenschaltung zum Solarmodul ... 39
2.4.4 Schutz der Solarmodule bei Abschattungen ... 40

3 Standortwahl einer PV - Anlage ... 41

3.1 Modulausrichtung und Nachführung ... 44
3.2 Zusammenfassung und Praxisbezug ... 45

4 Wechselrichter ... 46

4.1 Klassifizierung der Wechselrichter ... 47
4.1.1 ENS ... 51

4.2 Zentralwechselrichter ... 51

4.3 Stringwechselrichter ... 52

4.4 Modulwechselrichter ... 52

4.5 Inselwechselrichter ... 53

5 Einspeisung von PV - Anlagen ... 54

5.1 Inselbetrieb ... 55
5.2 Netzparallelbetrieb ... 56

6 Praxisbeispiel einer Photovoltaikanlage ... 58

6.1 Vorbetrachtung zum Projekt ... 58
6.2 Unterkonstruktion ... 63
6.3 Modulverkabelung ... 63
6.4 Generatoranschlusskasten - GAK ... 66
6.5 Wechselrichter ... 68
6.6 Anschlusskasten - AK ... 69
6.7 Zählerplatz ... 69
6.8 Blitz- und Überspannungsschutz ... 70
6.9 Arbeitsschutz ... 71
6.10 Abnahme und Inbetriebnahme ... 71
6.11 Wartung und Instandsetzung ... 72
6.12 Zusammenfassung ... 73

7 Erneuerbare Energien Gesetz - EEG ... 75

8 Richtlinien und Normen beim Errichten einer PV-Anlage ... 76

8.1 Sonstige Richtlinien und Regeln ... 76

9 Versicherung der Photovoltaikanlage ... 78

9.1 Sachversicherung ... 78
9.2 Haftpflichtversicherung ... 78

10 Marktentwicklung der Photovoltaik in Deutschland ... 79

10.1 Perspektiven der Photovoltaik in den nächsten Jahren ... 79

Quellen und Literaturverzeichnis ... 80
Tabellenverzeichnis ... 82
Abbildungsverzeichnis ... 83
Anlagenverzeichnis ... 86

1 Allgemeines

Der Name Photovoltaik setzt sich aus den Bestandteilen Photos- das griechische Wort für Licht, und Volta- nach Alessandro Volta, einem italienischen Physiker- zusammen. Die Photovoltaik ist eine Technologie, welche die Sonnenstrahlung direkt in Strom umwandelt. Die Grundlagen dieser Technologie sind bereits seit mehr als 150 Jahren bekannt. Als erster beobachtete Edmond Becquerel (٭ 1820, † 1891) im Jahre 1839 den photovoltaischen Effekt. Bei einem Versuch, in dem er zwei Metallplatten in eine verdünnte Säure tauchte, bemerkte er, dass dieses galvanische Element mehr Energie erzeugte, wenn es der Sonnenstrahlung ausgesetzt war. Mit Hilfe einer Selenzelle wies Charles Fritts diesen Effekt ein halbes Jahr später nach. Die so genannte Solarzelle war geboren. Diese Zelle hatte aber nur einen Wirkungsgrad von ca. 2% und war wegen der enormen Kosten des Selens sehr teuer. Daher blieb diese Technik vorerst ohne Bedeutung. 1955 gelang einem amerikanischen Labor die Herstellung einer Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 6%. 1958 begann die technische Anwendung in der Raumfahrt. Heute werden Solarstromanlagen zur Versorgung von elektrischen Einrichtungen unterschiedlichster Leistung vom Solartaschenrechner im Mittelwattbereich bis zu Systemen mit mehreren Mega Watt (MW) Leistungen zur Netzeinspeisung eingesetzt. Man unterscheidet in Inselanlagen und Anlagen im Netzparallelbetrieb, welche ins öffentliche Energienetz einspeisen.

1.1 STC - Bedingungen

Die Einstrahlung der Sonne ist eine konstante Größe außerhalb der Atmosphäre. Innerhalb unterliegt sie Schwankungen im Tages- und Jahresverlauf. Um dennoch eine Vergleichbarkeit der elektrischen Kennwerte von Solarzellen oder Solarmodulen zu ermöglichen, wurden die STC-Bedingungen (engl. standarttest- condition) entwickelt. Diese Bedingungen geben die Spitzenleistung eines Solarmoduls bei konstanten Werten der Bestrahlungsstärke (Ee) von 1000W/m², der Zellentemperatur (T) von 25°C und einer Luftmasse (AM) von 1,5 vor. Die Leistungsangabe 1kWp (Kilowatt peak) bezieht sich auf 1000W/m² Bestrahlungsstärke, 25°C Zellentemperatur und einer Luftmasse von AM 1,5.

1.2 Air Mass

AM bedeutet Luftmasse (engl. Air Mass) und beschreibt die unterschiedlichen Atmosphärenverhältnisse, die das Sonnenlicht von der Sonne bis zur Erdoberfläche durchläuft (Abb. 1 - in der Downloadversion enthalten). Dabei nimmt die Strahlungsleistung des Sonnenlichts ab. Bei einem AM von 1 nimmt das Sonnenlicht den direkten und den kürzesten Weg durch die Erdatmosphäre. Bei einem AM von 0 befindet sich das Sonnenlicht im Weltraum und trifft verlustfrei am äußeren Rand der Erdatmosphäre ein. Man nennt diesen Wert auch Solarkonstante (E0).

Beim Durchgang des Sonnenlichts durch die Erdatmosphäre wird die Sonnenstrahlung geschwächt durch Reflexion und Streuung (Abb. 2 - in der Downloadversion enthalten). Darum geht die Bestrahlungsstärke auf der Erde auf 1000W/m2 zurück. Steht die Sonne hingegen in einem anderen Winkel, verlängert sich die Strecke um den Faktor AM. Dies bewirkt eine geringere Strahlungsintensität und eine veränderte spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts. Der wichtigste Standardwert ist AM 1,5 und entspricht in Deutschland einer Bestrahlungsstärke von 1000W/m².

1.3 Die Sonnenstrahlung

Die Sonne hat einen Durchmesser von 1,4 Millionen km, die Entfernung zur Erde beträgt 150 Millionen km. Jährlich trifft etwa das 20.000fache der benötigten Weltjahresenergie in Form von Sonnenenergie auf die Erdoberfläche. Das bedeutet, dass täglich fast 50mal mehr Energie von der Sonne auf die Erde gestrahlt wird, als die Menschheit in einem Jahr verbraucht. Auf dem Weg zur Erde durch die Erdatmosphäre (Abb. 2) nimmt die Strahlenleistung der Sonne durch Reflexion, Ablenkung an Wolken und Gebirgen stetig ab. Bei schönem Wetter erreicht die Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche Spitzenwerte von 1000W/m2. Dieser Wert wird darum auch zur Bestimmung der Nennleistung von Solarzellen unter STC-Bedingungen verwendet.

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