Energie wird hauptsächlich aus der thermischen Verwertung von fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Öl bzw. Gas gewonnen. Doch diese Ressourcen sind nicht unbegrenzt vorhanden und ihre Gewinnung ist oft mit starken Eingriffen in die Natur verbunden. Hingegen sind die Grundlagen regenerativer Energietechniken unbegrenzt nutzbar, wie Sonnenstrahlung und Windkraft, Gezeiten oder die in den Erdschichten befindliche Wärme.
Durch das zunehmende ökologische Bewusstsein, staatliche Förderungen und Einsparmöglichkeiten sind die nachhaltigen Technologien im Aufwärtstrend und vor dem Szenario der immer knapper werdenden rationellen Energieträger unausweichlich in Betracht zu ziehen.
Ein Aspekt regenerativer Energietechnik sind Photovoltaik-Anlagen, die Strom erzeugen durch das Herauslösen von Elektronen aus einer Siliziumschicht, die beispielsweise mit Bor angereichert ist. Im Laufe eines Jahres entstehen durch die Sonneneinstrahlung pro m²-Erdoberfläche im Durchschnitt 1.000kWh Energie im mitteleuropäischen Raum, dies entspricht ca. 100l Öl.
Dieses Beispiel soll verdeutlichen wie viel, zum größten Teil ungenutztes Potenzial, in der Sonnenenergie vorhanden ist.
Neben den Vorteilen für die Umwelt, vor allem die Reduzierung des CO2-Ausstoßes existieren weitere positive Aspekte für den Besitzer einer PV-Anlage. Dazu zählen die hohen staatlichen Förderungen beim Aufbau einer Anlage und die Wertsteigerung des Gebäudes auf dem sich die Anlage befindet. Weiterhin stellt eine Photovoltaik-Anlage eine Geldanlage mit hoher Rendite dar. Weiter in die Zukunft geschaut ist man autark gegenüber den knapper werdenden Rohstoffen und statt Gewinn durch Verkauf des produzierten Stromes kommt es zu Einspareffekten, dadurch dass man nicht den teuren Strom eines Energielieferanten abnehmen muss.
Zu all diesen Punkten folgen im weiteren Verlauf ausführlichere Informationen. Am Anfang der Arbeit wird auf die Energieentstehung durch Sonneneinstrahlung eingegangen, insbesondere den photoelektrischen Effekt. Im weiteren Verlauf werden die Bestandteile einer Photovoltaik-Anlage und ihre Aufbaumöglichkeiten erläutert, darauf folgt ein Kapitel welches die Finanzierung näher beleuchtet inklusive eines Tools um einen vollständigen Finanzplan zu erstellen. Im Anschluss daran werden Checklisten, die bei der Planung und dem Betrieb helfen sollen, entwickelt und erläutert. Abschließend wird eine Simulationsrechnung für ein Bauprojekt mit dem Programm PV-Sol durchgeführt und erläutert.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort.
Abkürzungsverzeichnis
1. Einleitung/Einführung
2. Geschichte der Photovoltaik
3. Energieentstehung durch Sonnenlicht
3.1. Strahlungsarten
3.2. Halbleiter
3.3. Photoelektrischer Effekt
3.4. Umwandlung von Strahlung in Energie in Solarzellen
3.4.1. Der pn-Übergang
3.4.2. Der Sperrschicht-Photoelektrische Effekt
4. Bestandteile Photovoltaik-Anlage
4.1. Aufbaumöglichkeiten
4.1.1. Schrägdach
4.1.2. Flachdach
4.1.3. Indachsysteme
4.1.4. Fassade
4.1.5. Bodenaufständerung
4.2. Trägersysteme
4.3. Module
4.3.1. Aufbau
4.3.2. Kristalline Module
4.3.2.1. Monokristalline Zellen
4.3.2.2. Polykristalline Zellen
4.3.3. Dünnschicht-Technologie
4.3.4. Semitransparente Module
4.3.5. Probleme bei PV-Generatoren
4.4. Wechselrichter
4.5. Weitere Komponenten
5. Finanzierung,
5.1. Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)
5.2. Einnahmen & Kosten
5.2.1. Entwicklung Vergütung & Strompreis
5.3. Bankprogramme
5.4. Steuerliche Betrachtungen
5.4.1. Allgemeines
5.4.2. Gewerbesteuer,
5.4.3. Umsatzsteuer & Vorsteuer
5.4.4. Grunderwerbssteuer,
5.5. Versicherung
5.6. Einfache Musterrechnung
5.7. Vollständige Finanzierungspläne
6. Checklisten
6.1. Leitlinie Planung
6.2. Standortanalyse
6.3. Ertragsschätzung
6.4. Finanzierung
6.5. Montage
6.6. Betrieb
6.7. Wartung
7. Simulationsrechnungen für Stahlbauprojekt ISSY-Bau
8. Fazit
9. Literaturverzeichnis
10. Abbildungsverzeichnis
11. Selbständigkeitserklärung
12. Anhang
Vorwort
Für die Hilfe und Unterstützung bei der Erarbeitung der Thematik möchte ich mich bei der Leiterin der Professur Gebäudetechnik, Frau Prof. Dr.-Ing. Marina Schulz sowie bei meinem Betreuer Herrn Dipl.-Ing. Thomas Wahlbuhl bedanken.
Mein besonderer Dank gilt meinen Eltern und Großeltern, die es mir durch jahrelange Unterstützung ermöglicht haben auch in schwierigen Situationen mein Studium erfolgreich fortzuführen.
Abkürzungsverzeichnis
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1. Einleitung
Energie spielt für den Menschen seit seiner frühsten Entwicklung eine wichtige Rolle. Ob in der Altsteinzeit zum Zubereiten von Nahrung und der Wärmegewinnung oder aktuell zum Betreiben der technischen Ausrüstung in Gebäuden, um nur eine Anwendung zu nennen.
Energie wird hauptsächlich aus der thermischen Verwertung von fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Öl bzw. Gas gewonnen. Doch diese Ressourcen sind nicht unbegrenzt vorhanden und ihre Gewinnung ist oft mit starken Eingriffen in die Natur verbunden. Hingegen sind die Grundlagen regenerativer Energietechniken unbegrenzt nutzbar, wie Sonnenstrahlung und Windkraft, Gezeiten oder die in den Erdschichten befindliche Wärme.
Durch das zunehmende ökologische Bewusstsein, staatliche Förderungen und Einsparmöglichkeiten sind die nachhaltigen Technologien im Aufwärtstrend und vor dem Szenario der immer knapper werdenden rationellen Energieträger unausweichlich in Betracht zu ziehen.
Ein Aspekt regenerativer Energietechnik sind Photovoltaik-Anlagen, die Strom erzeugen durch das Herauslösen von Elektronen aus einer Siliziumschicht, die beispielsweise mit Bor angereichert ist. Im Laufe eines Jahres entstehen durch die Sonneneinstrahlung pro m2 im Durchschnitt 1.000kWh Energie, dies entspricht ca. 100l Öl.
Ein 4-Personen-Haushalt verbraucht im Jahr etwa 4.600 bis 5.500kWh elektrische Energie. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass mit 5 bis 6m2 bestrahlter Fläche der Strombedarf theoretisch gedeckt wäre, aber dafür müsste der Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung 100% betragen. Ein freistehendes Einfamilienhaus benötigt zum Heizen etwa 140kWh/m2, wenn man die Energiebezugsfläche mit 200m2 annimmt, werden 28.000kWh im Jahr benötigt. Diese Menge könnte durch 28m2 ganzjährig bestrahlter Fläche gedeckt werden. Das unten angeführte Beispiel zeigt wie viele Tassen Kaffe theoretisch gekocht werden könnten, wenn man die Energie nutzt, die durch die Sonneneinstrahlung auf 1m2 Erdoberfläche trifft.
Diese Beispiele sollen verdeutlichen wie viel, zum größten Teil ungenutztes Potenzial, in der Sonnenenergie vorhanden ist.
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Neben den Vorteilen fur die Umwelt, vor allem die Reduzierung des C02-AusstoBes existieren weitere positive Aspekte fur den Besitzer einer PV-Anlage. Dazu zahlen die hohen staatlichen Forderungen beim Aufbau einer Anlage und die Wertsteigerung des Gebaudes auf dem sich die Anlage befindet. Weiterhin stellt eine Photovoltaik-Anlage eine Geldanlage mit hoher Rendite dar. Weiter in die Zukunft geschaut ist man autark gegenuber den knapper werdenden Rohstoffen und statt Gewinn durch Verkauf des produzierten Stromes kommt es zu Einspareffekten, dadurch das man nicht den teuren Strom eines Energielieferanten abnehmen muss.
Zu all diesen Punkten folgen im weiteren Verlauf ausfiihrlichere Informationen. Am Anfang der Arbeit wird auf die Energieentstehung durch Sonneneinstrahlung eingegangen, insbesondere den photoelektrischen Effekt. Im weiteren Verlauf werden die Bestandteile einer Photovoltaik-Anlage und ihre Aufbaumoglichkeiten erlautert, darauf folgt ein Kapitel welches die Finanzierung naher beleuchtet inklusive eines Tools um einen vollstandigen Finanzplan zu erstellen. Im Anschluss daran werden Checklisten, die bei der Planung und dem Betrieb helfen sollen, entwickelt und erlautert, AbschlieRend wird eine Simulationsrechnung fur ein Bauprojekt mit dem Programm PV-Sol durchgefuhrt
2. Geschichte der Photovoltaik
Bevor die oben genannten Themen abgearbeitet werden ein kurzer Rückblick in die Entwicklungsgeschichte der Photovoltaik. Die ersten Versuche bzw. Erkenntnisse im Bereich der Photovoltaik gelangen Alexandre Edmond Becquerel. Er tauchte 1837 zwei Metallplatten in eine verdünnte Säure und beobachtete, dass das galvanische Element (Vorrichtung zur Umwandlung chemischer in elektrische Energie) mehr Energie erzeugt, wenn man es direktem Sonnenlicht aussetzt. 1869 kam es zu einer ersten Publikation über Sonnenenergie von Augustin Mouchot, der in seinen Ausführungen explizit Möglichkeiten der praktischen Nutzung aufwies.
Eine der ersten Anwendungen solarer Energie entstand 1872 im Norden Chiles. Dort wurde mittels Sonnenenergie ein Destillationsprozess gestartet, der Salz- in Süßwasser umwandelt. Die Anlage wurde 40 Jahre genutzt und produzierte durchschnittlich 23.000l Süßwasser pro Tag.
Ein weiteres Nutzungsgebiet war das Erzeugen von Hitze durch die Bündelung der Sonnenstrahlung mittels Parabolspiegeln. Diese Hitze wurde dann benutzt um Wasser in Dampf umzuwandeln und damit Maschinen zu betreiben. Dies wurde unter anderem für Dampfmaschinen, Pumpen, Druckmaschinen und andere Geräte verwendet.
Der Nachweis des Photoelektrischen Effekts - auf den im weiteren Verlauf noch eingegangen wird - gelang 1889 Charles Fritts mit einer Selenzelle. Da Selen ein sehr teurer Rohstoff war und nur geringe Wirkungsgrade von 1-2% erzielt werden konnten, setzte ein Stillstand in der weiteren Entwicklung ein. Bestärkt wurde dies auch dadurch, dass die Sonnenenergie auch in ökonomischer Hinsicht nicht mit fossilen Energieträgern konkurrenzfähig war.
Albert Einstein wurde 1921 für eine umfassende Erklärung des Photoeffekts der Nobelpreis verliehen.
Im Jahr 1955 kam es dann zu einer Wende durch die Entwicklungsergebnisse der Bell Laboratories in den USA. Sie arbeiteten anstelle von Selen mit Silizium, welches 6% der auftreffenden Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelt. Eine bahnbrechende
Anwendung folgte bereits 1958: der Satellit Vanguard I wurde ausschließlich durch Solarzellen mit Energie versorgt. Damit war die Solartechnik zumindest in der Raumfahrt ein konkurrenzloser Energielieferant.
In den Jahren danach folgte ein Preisfall, und die weitere technische Entwicklung, sowie ein gestiegenes Umweltbewusstsein und die Ölkrisen der 1970er Jahre führten dazu, dass die Photovoltaik zunehmend an Bedeutung gewinnt. Stimulierend wirkte sich in der kürzeren Vergangenheit das Erneuerbare-Energien-Gesetz aus, welches unter anderem eine feste Vergütung über 20 Jahre und den Abnahmezwang der Energielieferanten festlegt, sowie das 100.000-Dächer-Programm.
Die Folge ist, dass im Jahr 2005 die in Deutschland errichteten PV-Anlagen eine Nennleistung von 1 Gigawatt überschritten.
3. Energieentstehung durch Sonnenlicht
3.1 Strahlungsarten
Licht besteht neben seinen Teilcheneigenschaften, aus einem breiten Spektrum einzelner Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge und Intensität. Der Mittelwert der Strahlungsintensität wird Solarkonstante genannt. Dieser Wert wird vereinfacht als konstant angesehen, obwohl er durch die unterschiedliche Entfernung zwischen Erde und Sonne im Laufe eines Jahres um 3,5% nach oben bzw. unten schwankt. Die Strahlung erfolgt in 3 Bereichen, dem optischen, dem ultravioletten und dem Infrarotbereich, wobei die höchste Strahlungsintensität im optischen Bereich vorliegt (siehe Abb. 2). Die Strahlungsintensität ist auf der Erde von verschiedenen Faktoren abhängig und im Gegensatz zum Weltraum nicht konstant. Abhängigkeiten entstehen durch die Jahreszeit, die Bewölkung (siehe Abb. 3), die geographische Lage und weitere Faktoren.
Die gesamte auf eine horizontale Fläche treffende Sonnenenergie wird Globalstrahlung genannt. Sie kann unterteilt werden in direkte Strahlung und diffuse Strahlung. Diffuse Strahlung besitzt lange Wellenlängen und entsteht dadurch, dass das Licht von der Erdoberfläche reflektiert wird oder bzw. und an den Wolken gebrochen wird. Direkte
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Strahlung besitzt demzufolge kurze Wellenlängen und trifft ohne Hindernisse auf der Oberfläche auf. Im europäischen Raum überwiegt die diffuse Strahlung, vor allem in den Wintermonaten besteht die Globalstrahlung hauptsächlich aus der diffusen. In den Sommermonaten ist das Verhältnis zwischen diffuser und direkter Strahlung etwa gleich groß (siehe Abb. 4).
Beide Strahlungsarten leisten ihren Beitrag zur Stromerzeugung, bei direkter Strahlung wird allerdings mehr Energie erzeugt. Doch da in unseren Breiten ein Jahresmittel von 50% diffuser Strahlung vorherrscht sind die Module technisch bestmöglich darauf abgestimmt.
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Abb. 3: Strahlungsleistung in Abhangigkeit von der Bewolkung
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Abb. 4: Verteilung direkte und diffuse Strahlung im Jahresverlauf
3.2 Halbleiter
Um den photoelektrischen bzw. photovoltaischen Effekt zu beschreiben ist es nötig vorher einige Informationen über Halbleiter zu geben.
Halbleiter sind weder reine Leiter wie Metalle, noch Isolatoren wie Kunststoffe, sie lassen den elektrische Strom gewissermaßen mit einem Widerstand durch. Der bekannteste und am meisten verwendete Halbleiter ist Silizium, er wird auch in der Elektronik häufig verwendet. Grund für den hohen Einsatz von Silizium sind die guten technologischen Eigenschaften, sowie das häufige Vorkommen, es ist das zweithäufigste chemische Element auf der Erde. Silizium kommt ausschließlich in gebundener Form im Quarz und Quarzsand vor.
3.3 Der innere Photoelektrischer Effekt
Wesentlich zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in Strom ist der innere Photoelektrische Effekt, der durch Strahlungsenergie im Halbleiter abläuft. Durch Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur und das Kristallgitter beginnt zu schwingen. Dabei lösen sich teilweise die negativ geladenen Elektronen aus den Valenzbindungen und es entsteht an dieser Stelle ein Loch. Dieses Loch wird als Defektelektron bezeichnet und stellt eine positive Ladung dar. Es wird sofort durch ein weiteres freigewordenes Elektron besetzt, wodurch an einer anderen Stelle ein Loch entsteht. Auch dieses wird wieder besetzt, es entsteht eine elektrische Leitfähigkeit.
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Abb. 5: Silizium in der Gitterstruktur und Eigenleitung durch Herauslösen von Elektronen durch Strahlung
Der in Abbildung 5 veranschaulichte Prozess läuft jedoch nur ab, wenn die Energie der Photonen größer ist als der Energie-Bandabstand, d.h. die Energie die nötig ist um das Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband zu heben. Das wiederum heißt, wenn eine bestimmte Lichtfarbe unterschritten wird und somit eine Grenzwellenlänge, kommt es nicht zum Herauslösen der Elektronen. Beim Silizium beträgt die Grenzwellenlänge Xg 1.117nm, was weißem Licht entspricht.
3.4 Umwandlung von Strahlung in Energie in Solarzellen
3.4.1 Der pn-Übergang
Es werden in einem PV-Modul zwei Schichten gebildet, und zwar eine positive (p) und eine negative (n), diese elektrischen Eigenschaften werden durch eine Dotierung erzielt. Silizium besitzt wie in Abb. 5 zu sehen 4 Valenzelektronen, die jeweils mit einem Valenzelektron des Nachbaratoms eine Bindung eingehen. Bei der Dotierung wird zu je 108 Silizium-Atomen 1 Fremdatom beigemischt, man kann diesen Prozess als gezielte Verunreinigung bezeichnen.
Eine n-leitende Schicht wird durch Zugabe eines Atoms mit 5 Außenelektronen erreicht (z.B. Sb - Antimon oder P - Phosphor). Es gehen vier der Sb-Valenzelektronen eine Bindung mit den Außenelektronen des benachbarten Silizium-Atoms ein, eines jedoch bleibt als freier Ladungsträger übrig und kreist um das Sb-Atom. Es reicht hier eine geringe Energiezufuhr um es zu entreißen. Weiterhin entstehen Defektelektronen durch den Vorgang der Eigenleitung, wie in 3.3 beschrieben. Das Antimon-Atom wird als Donator bezeichnet, da es ein Elektron freigibt (donare - lat. schenken). Die Stelle an der es eingebaut ist wird als Störstelle bezeichnet. Da dadurch die Leitfähigkeit erhöht wird spricht man von einer Störstellenleitung. Die negative Polung kommt dadurch zustande, dass die Anzahl der Elektronen die der Defektelektronen übersteigen.
Eine p-leitende Schicht erhält man durch die Verunreinigung mit einem Atom, welches nur 3 Valenzelektronen besitzt (z.B. In - Indium oder B - Bor), dieses wird als Akzeptor bezeichnet. Dadurch kann an der Störstelle nur mit 3 Elektronen des Silizium-Atoms eine Bindung eingegangen werden. Die vierte Bindung bleibt frei, wodurch diesem Silizium-Elektron ein Loch gegenüberliegt, welches von einem seiner Außenelektronen besetzt wird. Das hat wiederum zur Folge, dass an dieser Stelle ein Loch entsteht, welches durch ein benachbartes Elektron besetzt wird, man kann sagen es entsteht eine Löcherkette. Da Löcher Defektelektronen sind, die positiv geladen sind und die Mehrheit in dieser Schicht bilden, entsteht eine p-leitende Schicht.
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Abb. 6: Dotiertes Si-Kristall, links: n-Halbleiterschicht, rechts: p-Halbleiterschicht
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die p-Schicht durch die Defektelektronen und die n-Schicht durch die freien Elektronen ihre Ladung erhält.
P-Leitung und n-Leitung wirken getrennt betrachtet wie ein Ohm'scher Widerstand, dass ändert sich erst wenn beide Teile aneinandergefügt werden. Die freibeweglichen Ladungsträger beider Zonen können durch die Grenzschicht in den benachbarten Bereich gelangen. Die Elektronen dringen also von der n-Schicht in die p-Schicht und besetzen die vorhandenen Löcher, was als Rekombination bezeichnet wird. Dieser Vorgang läuft ebenso in die andere Richtung ab, d.h. Defektelektronen gelangen in die n-Schicht und es kommt zur Rekombination mit Elektronen.
Dadurch baut sich ein elektrisches Feld auf, was das weitere Wandern anderer Ladungsteilchen verhindert, womit sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Das bedeutet, dass die Grenzschicht zur Sperrschicht wird und keine elektrische Leitung mehr möglich ist; der p-n-Übergang erscheint nach außen elektrisch neutral.
3.4.2 DerSperrschicht-Photoelektrische Effekt
Die n-Schicht ist mit 0,001mm sehr dünn angelegt, damit die Strahlung verlustfrei zum p-n- Übergang gelangen kann um dort absorbiert zu werden (Die p-Schicht ist 0,6mm stark ausgebildet).
Durch das Auftreffen von Licht werden die Elektronen-Loch-Paare aufgelöst und durch das innere elektrische Feld werden die Ladungen nach ihrer Polarität getrennt. Es entsteht ein Elektronenmangel im p-Halbleiter und ein Überschuss im n-Halbleiter. Die Löcher bewegen sich zur negativen Raumladung im p-Halbleiter und die Elektronen zur positiven Raumladung im n-Halbleiter. Durch diesen Vorgang entsteht eine Photospannung Uph, die einen Photostrom lph verursacht. Dieser kann über Metallkontakte an den Halbleiterschichten abgegriffen werden und einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden. Je intensiver die Bestrahlung und je großflächiger die Grenzschicht, desto mehr Elektronen-Loch-Paare entstehen, die dann aufgelöst werden können und einen Stromfluss verursachen.
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Abb. 7: Elektronen-Loch-Paare werden durch Strahlungsenergie getrennt und durch elektrisches Feld separiert
4. Bestandteile Photovoltaik-Anlage
4.1 Aufbaumöglichkeiten
Photovoltaik-Anlagen können vielfältig in die Planung von Gebäuden integriert werden oder nachträglich eingebaut werden. Die Vorteile sind zahlreich: ein einfacher Aufbau inklusive geringem Wartungsbedarf und eine lange Lebensdauer, beliebige Erweiterungsfähigkeit und autarke Energieversorgung, sowie hohe Renditen, um nur einige zu nennen.
Die einzige wichtige Voraussetzung ist der Anbau in einer südlichen, verschattungsfreien Richtung. Dabei ist eine Ausrichtung nach Süd-Westen oder Süd-Osten auch noch ertragbringend. Nachfolgend werden einige Möglichkeiten für Aufbauplätze überblickend erläutert.
4.1.1 Schrägdach
Die Montage auf einem vorhanden, bereits eingedeckten Schrägdach ist die häufigste Art einer PV-lnstallation. Dabei werden auf die Dachsparren Edelstahldachhaken so geschraubt, dass diese in keinem Kontakt mit der Dachhaut stehen. Ansonsten könnten durch eine Lastübertragung Risse entstehen, was unweigerlich dazuführt, dass die
Wasserundurchlässigkeit nicht mehr gewährleistet werden kann. Damit die Dachhaken durch die Dachhaut reichen, werden Öffnungen an den Ziegeln geschaffen, durch Abschlagen von Falzen oder Einschneiden mittels Winkelschleifer. Auf die besagten Dachhaken werden horizontal Aluminiumprofil-Schienen geschraubt, die die Module später tragen, welche vertikal darauf befestigt werden.
Es ist jedoch auch möglich die Profile vertikal und die Module horizontal zu befestigen. Dadurch ist unter den Modulen eine bessere Luftzirkulation gegeben, was zu etwas höheren Erträgen führt, da die Module nicht überhitzen. Es muss jedoch eine zweilagige Unterkonstruktion errichtet werden, die 80€/kWp mehr kostet.
Der Neigungswinkel sollte im Idealfall 30° betragen, aber Winkel zwischen 20° und 60° sind ebenfalls geeignet.
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Abb. 8: PV-Anlage als Aufdach-Variante auf einem Satteldach
Für Industriehallen die mit Trapezblechen eingedeckt sind existieren spezielle Tragschienen, die entweder direkt auf die Sicken genietet werden oder mittels Stockschrauben darauf befestigt werden. Das Anbringen der Module erfolgt dann auf ähnlichem Weg wie bei den Ziegeldächern.
4.1.2 Flachdach
Auf Flachdächern, also Dächer mit Neigungen unter 5°, kommen spezielle Aufständerungen zum Einsatz. Da eine Flachdachanlage stärkeren Windlasten stand halten muss, werden die Aufständerungen mit Betonsteinen, Betonsockeln oder speziellen Wannensystemen gesichert. Weil dadurch eine hohe Last auf das Dach gebracht wird, für die es eventuell nicht dimensioniert ist, muss die geplante Konstruktion durch einen Statiker geprüft werden.
Die Grundform der Anlage ist eine dreieckförmige Konstruktion, die einen Winkel von 30° erzeugt. Dieses Aufständerungsdreieck besteht aus Auflage-, Stütz- und Grundwinkeln, sowie Diagonalstreben, die eine zusätzliche Aussteifung erzielen. Auf den Auflagewinkeln werden horizontal die Aluminium-Tragschienen montiert und darauf wiederum vertikal die Module.
Wie oben erwähnt wird die Verbindung mit dem Dach durch Beschwerung mit Betonwerksteinen oder Wannen hergestellt. Ebenfalls möglich ist eine kraft- und formschlüssige Verbindung über statisch nachgewiesene Dübel und Schrauben.
Jede Durchdringung der Dachhaut wie bei der mechanischen Befestigung der Konstruktion, schwächt die Dichtigkeit und muss sorgfältig nachträglich abgedichtet werden, dies stellt einen großen Risikofaktor dar. Aus diesem Grund kommt meist eine Aufständerung mittels Beschwerung zum Einsatz.
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Abb. 9: Aufständerung auf einem Flachdach (roter Pfeil: Beschwerung durch Auflast, z.B. Betonelement)
4.1.3 Indachsvsteme
Bei dieser Montagevariante stellen die PV-Module gleichzeitig die Dachhaut dar und sind als wasserführende Schicht oder auf einer dichten Unterkonstruktion auszuführen. Diese Form der Installation ist gleichzeitig die optisch ansprechendste, da eine homogene Oberfläche entsteht. Es ist aber trotzdem möglich Dachfenster und Blindelemente in das Svstem zu integrieren.
Weiterhin sind die Anschlüsse und Kabel besser geschützt, es muss allerdings eine gute Hinterlüftung geschaffen werden, da die Leistung mit steigender Temperatur zunehmend sinkt. Dafür können an der Dachtraufe Lochbleche und am First Abluftöffnungen geschaffen werden. Wichtig ist jedoch eine fachgerecht und penibel ausgeführte Unterkonstruktion, die exakt ausgeglichen sein muss.
Als Montagesvstem können speziell auf das Dach angepasste Rahmensvsteme genutzt werden, in die die Module eingeklinkt werden. Die PV-Module greifen dabei ähnlich wie Dachziegel ineinander und bilden eine wasserführende Oberfläche.
Weiterhin können ungerahmte Module auf einer polvmeren Abdichtung auf AluminiumTragschienen in Schindelbauweise verlegt werden. Da keine Verschraubung vorgenommen wurde können sich die Module spannungsfrei ausdehnen. Das Niederschlagswasser wird über Ablaufrinnen im Profil abgeführt.
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Abb. 10: Dachintegriertes Svstem auf einer Lattung mit Konterlattung
4.1.4 Fassade
Bei dieser Montageform übernimmt die Gebäudehülle nicht nur die Witterungsschutzfunktion, sondern auch die Aufgabe der Erzeugung elektrischer Energie. Dafür werden die Fassadenelemente als Module ausgeführt.
Wegen des vertikalen Winkels kommt es jedoch zu einer Ertragsminderung von 30% und die Preise für Fassaden-Module sind höher als für normale. Ein weiteres großes Defizit besteht in der Verschattung durch nahliegende Gebäude, auch dadurch sind große Leistungseinbußen unumgänglich. Aber man darf eine PV-Fassadenanlage nicht ausschließlich als Stromerzeugungselement sehen, da sie komplett alle Funktionen einer Gebäudehülle übernimmt, die neben dem Wetterschutz, Verschattung, Wärme- und Schalldämmung, sowie Nutzung von Tageslicht wären.
Durch eine Ausbildung als hinterlüftete Kalt-Fassade wird selbst bei hohen Temperaturen ein Hitzestau vermieden um den Ertrag nicht noch weiter zu schmälern. Die Tragprofile sind mit einer Abrutschsicherung ausgestattet, auf denen die Module mit Klemmhaltern kraft- und formschlüssig durch Verschraubung montiert sind. Es können Wandunebenheiten bis 30mm ausgeglichen werden.
Aus architektonischen Gründen wird immer häufiger auf PV-Fassaden zurückgegriffen, da sie in verschiedenen Farben und sogar transparent erhältlich sind, wodurch Lichteffekte im Inneren entstehen.
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Abb. 11: PV-Module als Fassadenverkleidung am Freiburger Hbf. (höchste PV-Fassade Deutschlands)
4.1.5 Bodenaufständerung
Der Aufbau einer aufgeständerten PV-Anlage erfolgt analog zum Aufbau auf einem Flachdach, unterschiedlich ist lediglich die Verbindung mit dem Untergrund. Das heißt die Module werden optimal nach Süden ausgerichtet und in einem Winkel von 30° auf einer dreieckförmigen Unterkonstruktion befestigt. Um die auftretenden Lasten in den Baugrund weiterzuleiten werden hier Betonfundamente geschalt, bewehrt und gegossen.
Der Aufbau am Boden kann unterteilt werden in ortsfeste PV-Anlagen und nachgeführte Systeme. Bei nachgeführten PV-Anlagen werden die Module durch einen Stellmotor, der vertikale und horizontale Bewegung ausführt, in eine optimale Lage zum Sonnenstand gebracht und so die Ausbeute erhöht. Nachteilig wirken sich jedoch höhere Kosten aus, da das mechanische System gewartet werden muss und durch die Bewegungen ein höherer Reparaturaufwand entsteht als bei ortsfesten Anlagen. Der Energieertrag kann jedoch um bis zu 30% gesteigert werden, abhängig von der geographischen Lage.
Bei am Boden befindlichen Anlagen entstehen zusätzlich Kosten für den Diebstahlschutz, dass heißt es muss mindestens zu einer Einfriedung mittels Zäunen kommen, die einen Übersteigschutz bieten. In gefährdeteren Regionen fordern Versicherer teilweise noch höhere Sicherheitsvorkehrungen. Dazu zählen Spezialschrauben, die nicht mit handelsüblichem Werkzeug gelöst werden können, Funksender an den Modulen, Sicherheitsdrähte unter den Modulen, die beim Durchtrennen einen Alarm auslösen, GPS- Chips und vieles mehr.
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Abb. 12: am Boden aufgeständerte ortsfeste Photovoltaik-Anlage Abb. 13: Schema nachführbare Anlage
4.2 Trägersysteme
Die Tragkonstruktion besteht zum Großteil aus universell ersetzbaren Baukastensystemen und ihre primäre Aufgabe besteht darin die Module zu halten. Bei den Profilschienen ist das verwendete Material Aluminium, wodurch ein geringes Gewicht vorhanden ist, um die Montage zu vereinfachen und keine größeren Linienlasten auf das Dach zu bringen.
Nachfolgend ein paar Informationen über das Tragsystem für den am meisten verwendeten Standort einer Photovoltaik-Anlage: das Schrägdach. Die Dachhaken, die die Verbindung zwischen Sparren und Profil herstellen, bestehen aus Edelstahl oder Aluminium, wodurch eine Korrosion verhindert wird. Klemmschellen, Schiebemuttern und Schrauben werden ebenfalls aus Edelstahl hergestellt.
Die Tragsysteme müssen die an den Modulen angreifenden Wind- und Schneelasten aufnehmen und an den anliegende Dachstuhl des Gebäudes ableiten. Weiterhin müssen über die Unterkonstruktion Unebenheiten des Standortes ausgeglichen werden.
Aufgrund der verschiedensten Standorte für Photovoltaik-Anlagen (siehe 4.1) soll dieser Bereich nicht weiter ausgeführt werden, da es für die umfangreichen Lagen unterschiedlichste Möglichkeiten gibt Module zu befestigen.
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Abb.14: Trägersystem auf einem Schrägdach (1: Edelstahldachhaken, 2: Profilschiene, 3: Modulklemme)
4.3 Module
Dieses Kapitel beschäftigt sich mit dem wesentlichen Bestandteil einer Photovoltaik-Anlage und zwar den Modulen. Eine Photovoltaik-Anlage wird auch Solargenerator genannt, die Module prägen nicht nur das Erscheinungsbild, sondern sind das Grundelement des Systems, da hier elektrische Energie erzeugt wird. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Module - Strings genannt - bestimmen die Systemspannung.
4.3.1 Aufbau
In Abbildung 15 ist der Aufbau eines herkömmlichen PV-Moduls dargestellt. Für die Herstellung eines Moduls werden vier bzw. acht Zellreihen nebeneinandergelegt und in Reihe geschaltet, durch Verlöten der Frontkontakte (-) einer Zelle mit den Rückkontakten (+) der nächsten Zelle. Bei Dünnschicht-Modulen entfällt das Löten, da die Verschaltung bereits beim Beschichtungsverfahren durchgeführt wird.
Die oberste Schicht eines Moduls ist transparent, um möglichst viel Strahlungsenergie auf die Solarzelle auftreffen zu lassen. Sie besteht aus Deckglas und erfüllt eine Schutzfunktion vor Umwelteinflüssen, wie Niederschlag, Wasserdampf und Verunreinigungen, die ansonsten zur Korrosion der Solarzellen führen würden. Eine zusätzliche Härte des Glases wird durch einen Tempervorgang erreicht, wodurch höherer Schutz vor Hagelschäden und Vandalismus erreicht wird.
Eine transparente Verklebung die aus Polyvinylbutyral (PVB) hergestellt wird, dass ebenfalls bei Sicherheitsgläsern eingesetzt wird, verbindet das Glas mit den Solarzellen. PVB-Folien - umgangssprachlich auch nach der Produktbezeichnung Tedlar benannt - sind extrem reißfest und widerstandfähig. Die Solarzelle selbst ist mit einer EVA-Beschichtung versehen, die Reflexion verhindert um genügend Strahlungsenergie der Grenzschicht des p-n- Übergangs zuzuführen. Die Reflexion kann weiter verringert werden durch Einätzen von Strukturen in die Zelloberfläche.
Der in Kapitel 2 beschriebene Photoelektrische Effekt läuft komplett innerhalb der Solarzellen ab. Der dabei entstehende elektrische Strom fließt von der Zelloberfläche durch ein Metallgitter - Frontkontakt oder Kontaktfinger genannt - und wird mithilfe des Rückseitenkontaktes einem Stromkreis zugeführt. Beim Übergang von Zelloberfläche zum
Frontkontakt entsteht ein ungewünschter Widerstand. Es wird versucht durch einen netzartigen Aufbau des Metallgitters den Übergangswiderstand klein zu halten ohne, durch eine zu verdichtete Gitterstruktur, die Lichtdurchlässigkeit zu beeinträchtigen.
Die Rückseite besteht aus einem Verbund PVF-Polyester-PVF oder auch optional Glas. PVF ist die Abkürzung für Polyvinylfluorid, einem Polymer aus der Klasse der thermoplastischen Kunststoffe. Es ist prädestiniert für den Einsatz durch seine Temperaturbeständigkeit, seine Eigenschaft der Schmutzabweisung und die hohe Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien.
Der Rahmen hält die unterschiedlichen Schichten zusammen und verleiht eine mechanische Festigkeit, die unter anderem für die Montage auf dem Dach benötigt wird. Das dabei verwendete Material ist Aluminium beziehungsweise Verbundwerkstoffe mitAluminium, um das Gewicht eines Moduls und damit die Dachauflast nicht zusätzlich zu erhöhen. Es existieren jedoch auch rahmenlose Module, die wie Glasscheiben montiert werden können. Sie werden als Laminate bezeichnet und hauptsächlich bei dachintegrierten Lösungen (siehe 4.1.3) eingesetzt.
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Abb. 15: Aufbauform eines Moduls
Durch ein Loch an der Rückseite gelangen die Anschlüsse der Zell-Strings nach außen in die Modulanschlussdose, in der sich auch die Bypassdioden befinden. Diese sorgen bei Teilverschattung dafür, dass die Leistung nicht so stark abnimmt. Die Modulanschlussdose ist UV- und Witterungsbeständig, von ihr gehen die Anschlussleitungen für weitere Module ab. An den Leitungsenden befinden sich im Normalfall berührungs- und verpolungssichere Stecker, die den Aufbau erheblich vereinfachen, da nicht auf dem Dach umständlich verklemmt werden muss.
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Abb. 16: Produktformen von Photovoltaik-Zellen
4.3.2 Kristalline Module
Kristalline Solarzellen wurden bereits in den 50er-Jahren hergestellt, man unterscheidet hierbei in monokristalline und polykristalline Zellen. Der Unterschied spiegelt sich im Herstellungsprozess und damit verbunden den Kosten, sowie dem Marktanteil und Wirkungsgraden wieder. Die theoretischen Wirkungsgrade für Silizium liegen bei etwa 30% abhängig von der Art der Zelle.
Es sind bei beiden Typen verschiedenste Farbtöne realisierbar, meist werden jedoch die Farben blau und schwarz verwendet.
4.3.2.1 MonokristalHneZellen
Monokristalline Zellen werden erstellt indem Silizium geschmolzen wird. Anschließend wird ein Kristallkeim aus einer hochreinen Siliziumschmelze durch langsames Drehen zu einemrunden Einkristallstab mit bis zu 30cm Durchmesser geformt. Danach wird der Stab in eine quadratische Form gebracht und 0,3mm dicke Scheiben daraus geschnitten, die Wafer genannt werden. Durch die quadratische Form - mit oder ohne abgerundeten Ecken - können die Zellen effektiver auf einer Fläche angeordnet werden. Die Kantenmaße der Wafer betragen 10 oder 12,5cm. Auf die bereits p-dotierten Wafer wird durch Aufdampfen mittels einer Phosphor-Diffusion eine n-dotierte Schicht gebracht.
Die unter realen Bedingungen erreichten Wirkungsgrade im Modul betragen 15-17%, es sind die höchsten Wirkungsgrade bei Solarzellen. Monokristalline Module erzeugen während ihrer Nutzungszeit 5,5-mal soviel Energie, wie für ihre Produktion, Nutzung und Beseitigung benötigt wird. Aus diesem Grund und dem aufwendigen Herstellungsverfahren sind die Preise jedoch auch hoch, womit lediglich ein Marktanteil von 30% erreicht wird.
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Abb. 17: monokristallines PV-Modul
4.3.2.2 Polykristalline Zellen
Polykristalline Zellen werden hergestellt indem das auf 1.500°C erhitzte Silizium in Blöcke gegossen wird, wodurch sofort ein quadratisches Format erzeugt wird. Durch den kontrollierten Abkühlprozess in einem Graphittiegel entstehen viele Einzelkristalle die der Solarzelle nicht nur ihr Aussehen, sondern auch den Namen verleihen. Beim Schneiden entsteht hier weniger Verschnittabfall als bei den Monokristallinen Zellen.
Da der Erstellungsprozess kostengünstiger ist und der Wirkungsgrad mit 13-15% nur leicht unter dem der monokristallinen Zellen liegt, sind diese Zellen am Markt stärker nachgefragt.
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- B.Sc. Alexander Liebram (Author), 2009, Erstellung von Checklisten und Arbeitsanweisungen zur Planung und Errichtung von Photovoltaik-Anlagen incl. Wirtschaftlichkeitsberechnungen , Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/140204
