Evaluierung eines Photovoltaikkraftwerks von der Beratung des Kunden bis zur Endmontage- und Inbetriebnahme vor Ort

Inhaltsverzeichnis

1.0 Einleitung

2.0 Grundlagen
2.1 Die Sonne als Energielieferant
2.1.1 Die Sonnenstrahlung
2.1.2 Veränderung der Sonnenstrahlung
2.1.3 Direkte, diffuse und globale Sonnenstrahlung
2.1.4 Solarkonstante und Bestrahlungsstärke
2.1.5 Das STC-Verfahren und der Begriff Air Mass (AM)
2.1.6 Die elektromagnetischen Wellen der Solarenergie
2.2 Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik
2.3 Prinzip der Photovoltaik
2.4 Aufbau und Funktion der Solarzelle
2.4.1 Der p-n Übergang
2.4.2 Eigenschaften und Wirkungsgrad der Solarzelle
2.4.3 Solarzellentypen
2.4.4 Modultypen und deren Aufbau
2.4.5 Die Farben der Antireflexschicht
2.4.6 Vom Solargenerator zum Wechselrichter

3.0 Projekt
3.0. 1 Einleitung
3.0. 2 Woraus besteht eine Photovoltaikanlage
3.0. 3 Energieertrag einer PV-Anlage
3.0. 4 Kriterien für den Ertrag einer Anlage
3.0. 5 Kosten und Einspeisevergütung einer PV-Anlage
3.0. 6 Baugenehmigung und Bauliche Ausrichtung
3.0. 7 Welche Schritte sollten vor der Anschaffung beachtet werden
3.1.1 Der Projektablaufplan
3.2.1 Der Termin
3.2.2 Das erste Beratungsgespräch
3.2.3 Grobskizze der Montageplanung mit Modulen von Solarworld
3.3.1 Die Modulkalkulation mittels Programm Sitop 4.1
3.3.2 Modulbeschreibung
3.3.3 Endplanung des Modulaufbaus beim Kunden
3.3.4 Der Wechselrichter
3.4 Angebots- und Konzeptvorstellung beim Kunden
3.5 Zum Energieversorger des Kunden
3.6.1 Die wechselstromseitige Schutzeinrichtung
3.6.2 Zähler und Messeinrichtung
3.6.3 Die Dimensionierung der DC- und AC-Leitungen
3.7.1 Die Modulmontage- und Inbetriebnahme vor Ort
3.7.2 Die Installation des Wechselrichters und dessen Beschreibung
3.7.3 Fertige Projekt PV-Anlage
3.7.4 Wartung und Instandhaltung der PV-Anlage

4.1 Wirtschaftlichkeitsberechnung der PV-Anlage
4.2 Schlussbetrachtung

5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick und Zukunft der Photovoltaik

Abkürzungsverzeichnis

Formelverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Lebenslauf & Kompetenzprofil

Erklärung

Anhangsverzeichnis

Anhangsabbildungs- und Tabellenverzeichnis

1.0 Einleitung

Die Sonne ist der beherrschende Himmelskörper in unserem Planetensystem, zu dessen Gesamtmasse sie mit einem Anteil von 99,9% beiträgt. Sämtliche freiwerdende Energie stammt aus einer als „Kern“ bezeichneten Zone, wo rund 50% der Sonnenmasse konzentriert sind, obwohl dieser Kern nur 1,6% des Sonnenvolumens ausmacht. Der Bevölkerung der Erde steht mehr umweltschonende Energie zur Verfügung als sie jemals benötigen wird. Durch die Photovoltaik kann diese unerschöpfliche Energie genutzt werden.

Sogar in Deutschland gibt es genug Sonnenstunden für die Nutzung der Photovoltaik, denn pro Quadratmeter erhalten wir durchschnittlich 50 Prozent der Strahlungsintensität, die auf die Sahara trifft. Selbst bei bedecktem Himmel liefert eine Photovoltaikanlage einen prozentualen Anteil Strom. Allein aus regenerativen Energien könnte der gesamte Strombedarf in Deutschland gedeckt werden. Sogar der Branchenumsatz hat sich in den vergangenen 8 Jahren um mehr als das 49-Fache gesteigert.

Die Photovoltaik wandelt die Sonnenenergie ohne mechanische, chemische oder thermische Zwischenschritte in Strom um und steht damit für den Inbegriff der umweltfreundlichen Energieversorgung. Es entstehen weder Schadstoffe (Emissionen) noch Lärm. Im Vergleich zu dem üblichen Strommix in Deutschland aus Atomenergie, Kohle, Gas und Wasser spart photovoltaisch erzeugter Strom 585 Gramm CO2-Emissionen pro Kilowattstunde ein. Die heutigen Photovoltaikanlagen sind mittlerweile zu ausgereiften Hightech-Produkten geworden und setzen sich in Deutschland, sowie weltweit immer stärker durch.

Sie bestehen zudem aus Materialien wie: Aluminium für die Rahmen, Glas für die Moduloberflächen und Sand für die Siliziumsolarzellen, die in großen Mengen zu Verfügung stehen und recycelt werden können. Der Trend geht aber mittlerweile zu dünnen Solarmodulen (Dünnschichttechnik), die auch PV-Plates genannt werden. Die Photovoltaik ist mittlerweile in jeder Stadt, auf Dächern von Eigenheimen und Unternehmen sowie öffentlichen Gebäuden zum Trend geworden, da die Photovoltaikbranche nach wie vor boomt. Diese vielen Pluspunkte sprechen für die Photovoltaik, die die nötigen Antworten auf die Folgen der weltweiten Klimaerwärmung liefert und den Solarstrom zum Energielieferant der Zukunft machen.

Trotz alledem werden jährlich durch das Pyromane Energiesystem ca. 36 Mrd. Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre verfeuert, was aufgrund der Umweltbelastung und der daraus entstehenden Klimaänderung der Planet nicht mehr lange aushalten wird. Bei allen Problemen, die in der Zukunft von Menschen zu lösen sein werden, wird die zunehmende Umweltbelastung stets weiterhin an vorderster Reihe beteiligt sein. Denn ändert sich das Energieverhalten der Menschen nicht, wird es zu spät sein!

Schon Friedrich Hölderlin sagte vor 200 Jahren

„Wo aber Gefahr ist, wächst das Rettende auch“

Quelle: Friedrich Hölderlin , Veröffentlicht 1923 G. Müller Seite 190, 223

Der heutige Stand der Energieversorgung wird nun nicht mehr nur in zwei Kategorien eingeteilt, sondern mittlerweile in drei. Unter den bekannten ersten beiden Kategorien befinden sich die fossilen Energieträger wie Kohle, Öl und Gas, sowie die nuklearen Energieträger Uran, Thorium mit den dazugehörigen Umwandlungstechnologien. Den regenerativen Energiequellen wird ab dem 21. Jahrhundert immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet, da die Akzeptanz der Kernenergie und anderer Umwelt schädigenden Technologien nicht mehr so große Beachtung geschenkt wird.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die physikalischen Grundstrukturen der Photovoltaik vorgestellt und die Entwicklung dieser Technologie seit ihrer Entdeckung beschrieben. Bei diesem Praxisprojekt werden die übliche Problematik und die Wirtschaftlichkeit mit einem Einblick in die Zukunft herausgestellt. Dabei soll das Interesse des Lesers nicht nur bei Studenten der ingenieur- und naturwissenschaftlichen Fachrichtung Anklang finden, sondern allen Interessierten als Nachschlagewerk dienen.

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand in der Projektdurchführung und Entwicklung eines Photovoltaik-Anlagen Anwenderleitfadens für die Firma und der Projektierung der Prozessablaufkette bis zur Endmontage- und Inbetriebnahme eines netzgekoppelten PV- Kraftwerks. Die Arbeit konnte dabei auf spezielle Fachkenntnisse aus Literatur, persönlicher Weiterbildung und Firmenfachwissen aufgebaut werden. Das Hauptaugenmerk sollte dabei auf dieses sehr zukunftsträchtige Thema gelenkt werden, um das technische Verständnis zu fördern und ein Bewusstsein für die Energie und deren effizienten Umgang zu entwickeln. Zur Veranschaulichung der Nutzbarkeit dieser alternativen Stromquelle wird die komplette Planung bis zur Endmontage eines eigenen kleinen Solarkraftwerks zur Netzeinspeisung erläutert.

2.0 Grundlagen

2.1 Die Sonne als Energielieferant

Es gibt ein „Feuer“, das uns tagsüber wärmt und rund 150 Millionen Kilometer entfernt ist. Was für eine Kraft muss dieses Feuer haben, dass wir die Wärme über so eine Distanz wahrnehmen können! Unsere Erde umkreist diesen thermonuklearen Ofen „die Sonne“ genau in der richtigen Entfernung. Wäre die Sonne zu nah, würde das Wasser der Erde verdampfen, wäre sie zu weit weg, würde das Wasser der Erde gefrieren. Beide Extreme würden das Leben auf unserem Planeten komplett auslöschen. Würde man dem Kern der Sonne ein stecknadelkopfgroßes Stück entnehmen und es auf die Erde bringen, könnte man sich nicht einmal in 140 Kilometer Entfernung von dieser winzigen Wärmequelle gefahrlos aufhalten.

„Die Sonne ist nicht verschwunden, weil die Blinden sie nicht sehen."

Quelle: Birgitta von Schweden schwedische Mystikerin (1303-1373), Offenbarungen

Jede Sekunde gibt die Sonne eine Energiemenge ab, die der Explosion vieler Hunderte Millionen von Atombomben entspricht. Das Sonnenlicht ist nicht nur lebenswichtig, sondern außerdem eine saubere, leistungsstarke Energiequelle und obendrein noch wohltuend. Die Sonne ist so groß, dass unsere Erde 1,3 Millionen Mal in sie hineinpassen würde. Die Sonne ist bekanntlich ein Stern (auch als gelber Zwerg bezeichnet) und wirkt größer als die Sterne am Himmel, weil Sie uns relativ nah ist. Im Sonnenkern steckt eine Energiemacht, die ca. 15 bis 20 Millionen Grad Celsius (T = 2 · 107 K) ausmachen (siehe Anhangsv. Abb. 2.1-c).

Dieser Fusionsprozess im Sonnenkern liefert bei extrem hohen Temperaturen und einem Druck von 200 Milliarden Bar die notwendige Energie für unsere Erde. Unsere einzigartige Sonnenenergie, die unsere Erde erreicht, wird zum einen Teil durch die physikalischen Eigenschaften der Sonnenoberfläche bestimmt und zum anderen Teil als so genannte Strahlungsquelle durch den Abstand der Sonne zum Strahlungsempfänger, der Erde. Die Strahlung der Sonne entsteht durch die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen. Ein Teil der Masse wird in Energie umgewandelt und stellt daher die Sonne als einen riesigen Fusionsreaktor dar. Die Masse der Sonne beträgt 99% unseres Sonnensystems.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1-a: Energieressourcen der Erde Quelle: BSW Solar/UVS/DLR/Dr.Nitsch

Pro Tag liefert die Sonne ca. 1.370 Watt solare Energie pro m2. Dies entspricht der Energie von ca. einem Kohle-Brikett pro m2 und pro Tag. Durch Streuung (das Licht geht z.B. durch eine Wolkendecke), Neigung der Erde und Reflektion (jede Oberfläche reflektiert bzw. spiegelt eine bestimmte Menge Licht) sinkt jedoch die tatsächliche Energie, welche auf der Eroberfläche ankommt. In Deutschland strahlt die Sonne pro Jahr ca. 950 bis 1.200 kWh (Kilowattstunden) Solarenergie auf jeden Quadratmeter. Dies ist der ungefähre Stromverbrauch einer Person in Deutschland. Die Sonne ist physikalisch gesehen eine autonome Energiequelle, die über einen sehr langen Zeitraum eine konstante Strahlungsmenge abstrahlt. Sonnenlicht bewirkt Photosynthese im Chlorophyll der Pflanzen. Bei diesem Prozess entstehen Sauerstoff und Kohlenhydrate, die Grundlagen allen irdischen Lebens.

Sonnenlicht bewirkt die Zirkulation des Wassers in Form von Wolken und Regen. Bedingt durch die große Entfernung von der Erde zu unserem Energielieferanten „Sonne“ gelangt ungefähr ein Milliardstel der Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche. Trotz der Entfernungsverluste beträgt die Energiemenge, des auf die Erdoberfläche einfallenden Sonnenlichts immer noch das 10.000-Fache des weltweiten Energiebedarfs. Bereits seit einigen Jahrzehnten ist die Art der Energiegewinnung mittels Solarzellen nun im Focus und erlangt immer mehr Auftrieb durch drastische Verbesserungen in der Fertigungstechnik als wachsendes Konkurrenzpotential gegenüber den sich erschöpfenden Energieträgern aus Erdöl, Gas oder Kohlebrennstoffen.

Im Vergleich zu diesen Energiequellen wird die einfallende Strahlung in der Photovoltaik ohne Umwege direkt in elektrische Energie umgewandelt, wobei keine Schadstoffe (Emission) entstehen und kein Lärm erzeugt wird. Die geographische Lage und die Orientierung des Strahlungsempfängers mittels Solarmodul bzw. Solargenerator, sowie die jahreszeitliche und witterungsbedingte Einflüsse, spielen eine einflussreiche Rolle bei der Bestimmung eines Photovoltaikkraftwerkes.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1-b: Jährliche Sonneneinstrahlung im Vergleich zu den Ressourcen fossiler und atomarer Energieträger und zum Energieverbrauch der Weltbevölkerung Quelle: eigene Darstellung

Sonnenlicht bewirkt riesige Ströme wie den Golfstrom im Atlantik oder den Perustrom im Pazifik. Sie mildern das Klima jener Landgebiete, an deren Küsten sie entlang ziehen. In nur 8 Minuten bekommt die Menschheit von der Sonne soviel Energie, wie sie in einem Jahr benötigen würde. Die von der Sonne abgestrahlte Energiemenge würde mehr als genügen, um alle Energiebedürfnisse auf der Erde zu befriedigen.

2.1.1 Die Sonnenstrahlung

Die Strahlung der Sonne beträgt oberhalb der Erdatmosphäre durchschnittlich 1365 W/m2. Davon erreichen die Atmosphäre wegen der Kugelgestalt der Erde und der sonnenabgewandten Nachtseite jeweils einer Erdhälfte aber nur 342 W/m2.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.1-a: Darstellung der Strahlungsenergie durch die Luftmasse AM

Quelle: eigene Darstellung

Unter Sonnenstrahlung versteht man physikalisch einen Fluss von elektromagnetischen Wellen mit einer Energie von 8 J/ (cm2 · min.) bzw. 1,35 kW/m2 (Solarkonstante). Das Strahlungsspektrum beträgt: 10-16 m bis 106 m Wellenlänge. Das Spektrum wird unterteilt in ionisierende Strahlung, optische Strahlung und Hochfrequenzstrahlung. Die Strahlung wird verursacht durch die Reaktion von Wasserstoffatomkernen (Protonen) zu Heliumatomkernen (Kernfusion) mit über 15 Millionen °C im Kern der Sonne. Im SI-System ist die Energieeinheit das Joule (1J = 1Nm) und der Strahlungsfluss wird in der Einheit J/s m2 angegeben, was gleichbedeutend der Einheit W/m2 ist. In älteren Lehrbüchern ist als Einheit die cal gebräuchlich.

Es gelten die Umrechnungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Strahlung, die die Erde erreicht, stammt aus einem äußeren Bereich der Sonne, wo die Temperatur an der Sonnenoberfläche nur noch ca. 5000-6000 °C beträgt. Die höchste Strahlungsintensität (siehe Anhangsv. Tab. 2.1.1-a2) und damit den Hauptanteil der Energie liefert der Bereich des sichtbaren Lichts von 380-750 nm Wellenlänge (violett bis rot) mit ca. 50 %, gefolgt von der Infrarot-Strahlung von 750 nm - 24 μm (nah bis weit) und der UV-Strahlung von 10-380 nm (extrem weit bis nah).

Sowohl der Ultraviolettanteil (UV-C und UV-B) als auch der mittlere Infrarotanteil liefern mit je ca. 1% nur einen geringen Energiebeitrag. Die Intensität der Sonneneinstrahlung auf eine horizontale Fläche ist abhängig von der auftreffenden Sonnenstrahlung und der Sonnenhöhe. Die auf die Erde treffende Sonnenstrahlung rührt aus der Temperatur der Sonnenoberfläche her. Bezeichnungen einzelner Wellenlängenbereiche des Sonnenspektrums (siehe Abb. 2.1.7-a). Die solare Einstrahlung auf die Erde (siehe Anhangsv. Tab. 2.1.1-b2) liefert im Jahr über 219.000 Billionen kWh Energie. Das ist 2500-mal mehr, als die gesamte Weltbevölkerung verbraucht. In Deutschland beträgt die durchschnittliche Globalstrahlung etwa 1.075 kWh/m2, was etwa 50% der Strahlungs­intensität entspricht, die auf die Sahara trifft. Dazwischen, im Süden Spaniens und in Nordafrika, liegt der Wert bei 1.750 kWh/m2.

Außerhalb der Erdatmosphäre ist die Intensität der Sonnenstrahlung abhängig vom Abstand zwischen Erde und Sonne. Dieser Abstand beträgt ca. 150 Mio. km (= 1 AE oder 8,3 Lichtminuten). Dadurch dass der Abstand der Sonne zu Erde variiert, verändert sich die Bestrahlungsstärke zwischen 1325 W/m2 und 1412 W/m2. Der Mittelwert wird als Solarkonstante bezeichnet. Auf der Erdoberfläche wird diese Bestrahlungsstärke nicht erreicht, da beim Durchgang durch die Atmosphäre die Solarstrahlung durch Reflexion und Absorption (Luftmoleküle, Staubteilchen oder Verunreinigungen der Luft reduzieren durch Streuung ebenfalls die Sonneneinstrahlung) eine Abschwächung erfährt, die unter dem Begriff Extinktion zusammengefasst wird.

Bei schönem Wetter wird an der Erdoberfläche in der Mittagszeit eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 erreicht (siehe Anhangsv. Abb. 2.1.1-c). Dieser Wert ist unabhängig vom Standort. Durch Reflexionen an vorbeiziehenden Wolken können an locker bewölkten Tagen die höchsten Einstrahlungsspitzen auftreten. Diese können bis zu 1400 W/m2 betragen. Summiert man den Energiegehalt der Sonneneinstrahlung über ein Jahr, so erhält man die jährliche Globalstrahlung in kWh/m2. Dieser Wert ist regional, je nach der Entfernung zum Äquator und dem Sonnenabstand, sehr variabel.

Die Regionen am Äquator erreichen die höchsten Werte der Sonneneinstrahlung über das Jahr mit 2.300 kWh/m2, während in Südeuropa mit einer jährlichen Sonneneinstrahlung von maximal 1.700 kWh/m2 und in Deutschland mit durchschnittlich 1.040 kWh/m2 gerechnet werden muss. Die Pflanzen auf der Erdoberfläche haben sich daran angepasst, indem sie gerade diesen Wellenlängenbereich absorbieren und in biochemische Energie umwandeln können. Die Wellenlänge des Lichts ist negativ korreliert mit der Energie­Menge der einzelnen Lichtquanten, denn die Energiemenge der Lichtquanten (Photonen) berechnet sich aus der Frequenz der Strahlung multipliziert mit der Planckschen Konstanten.

Für den Bereich des sichtbaren Lichtes beträgt die Strahlungsenergie zwischen 1,59 und 3,26 eV. Summiert man den Wert der Sonneneinstrahlung an einem Ort über ein Jahr, so erhält man die jährliche Gesamt- oder Globalstrahlung in kWh/m2. Die Strahlungsenergie der Sonne in Deutschland ist in den südlichen Bundesländern im Jahresmittel höher als im Norden. In Deutschland liegt die Solarstrahlung zwischen 900 kWh/m2 (Norden) und 1.200 kWh/m2 (Süden) pro Jahr. Eine Solarzelle wandelt davon ca. 15% in Strom um. Damit strahlt auf Deutschland immer noch halb so viel Energie ein, wie auf die strahlungsreichsten Gebiete der Erde am Äquator!

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.1-d: jährliche mittlere Einstrahlung in kWh/m2
Quelle: http://www.solarbusiness.de

2.1.2 Veränderung der Sonnenstrahlung

Veränderte Parameter in der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, können allerdings nicht verantwortlich für die relativ kurzfristigen Schwankungen der Nacheiszeit sein, deren Zeitskalen bei Jahrzehnten bis Jahrhunderten liegen. Eine mögliche Erklärung hierfür liegt in der Sonnenaktivität. Die seit Erfindung des Fernrohrs beobachteten und seit 1610 dokumentierten Sonnenflecken werden begleitet von Sonnenfackeln und Protuberanzen, die die Energieabstrahlung der Sonne verstärken und die Solarkonstante leicht erhöhen. So fällt das so genannte Maunder-Minimum (1650 - 1710) während der "Kleinen Eiszeit" in eine Zeit ohne Sonnenflecken.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.2-a: Veränderung der Solarstrahlung seit 1700 (Quelle: dkrz, MPI-Rep.206)

Die Bahnparameter und die Lage der Erdachse lassen sich nach den Gesetzen der Physik berechnen und bieten keine Überraschungen. Anders sieht es mit der Veränderlichkeit der Sonnenintensität aus. Schon seit dem Mittelalter ist bekannt, dass in einem 11-Jahres-Rhythmus Sonnenflecken auftreten. Diese sind seit dem 17. Jahrhundert regelmäßig an vielen Sternwarten aufgezeichnet worden. Es wurde allerdings erst mit den ersten Satellitenmessungen deutlich, dass die Sonnenflecken direkt mit der Intensität der Sonneneinstrahlung korreliert sind, und zwar bedeutet eine Zunahme der Flecken eine Zunahme der Intensität. Direkte Messungen der Sonnenstrahlung werden seit etwa 20 Jahren mit verschiedenen Satelliten durchgeführt. Hierdurch vermeidet man Fehler, die durch die Absorption in der Atmosphäre entstehen.

Schon vorher hatte man in den Aufzeichnungen der Sonnenflecken erkannt, dass es nicht nur den 11-Jahreszyklus (Schwalbe-Zyklus) gibt, sondern auch eine etwa 80-jährige Periodizität (Gleissberg-Zyklus), die man ebenfalls bei sonnenähnlichen Sternen beobachtet hat. Der 11-Jahreszyklus besitzt eine Schwankungsbreite an der Obergrenze der Atmosphäre von ca. 0.1% der Solarkonstante, der Gleissberg-Zyklus etwa 0,24 - 0,30%, was einer Veränderung der Solarkonstanten um ca. 5 W/m2 entspricht.

Die Sonnenstrahlungsvariationen des 80-jährigen Gleissberg-Zyklus führen zu einer Variabilität der an der Erdoberfläche absorbierten Sonneneinstrahlung von 0,5 - 0,75 W/m2. Diese Zahl muss man im Vergleich zu der Abschätzung des Strahlungsantriebs durch das Anwachsen der anthropogenen Treibhausgase von der vorindustriellen Zeit (1850) bis heute von ungefähr 2,4 W/m2 betrachten (Anhangsv. Abb. 2.1.2-b). Es gibt noch eine Reihe weiterer Zyklen, die man in Proxy-Daten für die Solarintensität, so in 14C und 10Be-Schwankungen in Baumringen und Eisbohrkernen sowie bei sonnenähnlichen Sternen findet.

Änderungen in den Strahlungsantrieben von 1750 bis 2000 rühren von Änderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre, von Veränderungen in der Landnutzung und von der Veränderung der Sonneneinstrahlung her. Menschliche Aktivitäten beeinflussen jeden Faktor mit Ausnahme der Sonnenaktivität. Die Balken geben den Beitrag jedes dieser Faktoren zum Antrieb an, einige erzeugen eine Erwärmung, einige eine Abkühlung. Änderungen des Antriebes durch Vulkanismus sind nur episodisch, d.h. sie erzeugen eine nur wenige Jahre dauernde Abkühlung. Sie werden deshalb hier nicht gezeigt. Die vertikale Linie an jedem Balken gibt eine Abschätzung der Unsicherheit wieder. Der wissenschaftliche Kenntnisstand ist für die verschiedenen Antriebsfaktoren unterschiedlich hoch.

2.1.3 Direkte, diffuse und Globale Sonnenstrahlung

Das Sonnenlicht auf der Erdoberfläche setzt sich aus einem direkten und einem diffusen Anteil zusammen. Die direkte Strahlung kommt aus der Richtung der Sonne und verursacht scharfe Schattenwürfe von Gegenständen. Die diffuse Strahlung hingegen besitzt keine vorgegebene Richtung. An klaren Tagen überwiegt der Anteil der direkten Strahlung an der Gesamt- oder Globalstrahlung.

An stark bewölkten Tagen hingegen (vor allem im Winter) ist die Sonneneinstrahlung nahezu vollkommen diffus. In Deutschland liegen der Anteil der diffusen Sonnen­Einstrahlung bei ca. 60% und der Anteil der direkten Strahlung bei etwa 40%. Beide Strahlungsarten lassen sich für PV-Solaranlagen nutzen. Die auf die Erde einfallende und für Solaranlagen nutzbare Strahlung lässt sich wie folgt unterteilen:

Direktstrahlung: Strahlung, die auf direktem Weg die Solarmodule erreicht.

Diffusstrahlung: Sie erreicht über Umwege (z.B. Wolken, Nebel) die Modulfläche. Reflexionsstrahlung: Bei geneigtem Kollektor trifft auch die vom Boden reflektierte Strahlung die Modulfläche (besonders bei Schneelage oder hellem Wüstenboden).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Neigungswinkel des J Solar Moduls

Abbildung 2.1.3-a: Einstrahlungen auf den PV-Generator
Quelle: eigene Darstellung ansonsten http://elite.tugraz.at/diplomarbeiten/Haudek.pdf

Als Globalstrahlung Gg wird die Summe der während einer bestimmten Zeit (Tag, Monat, Jahr) auf eine horizontale Fläche (Erde) auftreffende Strahlungsmenge bezeichnet. Diese setzt sich zusammen, aus einem direkten und einem diffusen Anteil. Die diffuse Himmelsstrahlung Gh entsteht durch Streuung der direkten Strahlung beim Durchgang durch die Erdatmosphäre. Eine Solarzelle nutzt sowohl die Direktstrahlung Gdals auch die von der Umgebung der Zelle und der Erdatmosphäre gestreute Strahlung. Die Tatsache, dass die Solarzelle beide Strahlungsarten nutzen kann, ist deshalb so wichtig, weil in der Bundesrepublik die Diffusstrahlung die Direktstrahlung erheblich übersteigt. Auch bei Sonnenschein beträgt der Diffusanteil an der Globalstrahlung noch 10% bis 40% (siehe Tab. 2.1.3-c und Abb. 2.1.3-d).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.3-b: Die Jahresgänge der Globalstrahlung und ihrer Komponenten zeigen, dass in unse-
rem Land die diffuse Strahlung die direkte erheblich übersteigt
[ Quelle: Kleemann 88]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1.3-c: Strahlungsleistung und Anteil der Diffusstrahlung Quelle: eigene Darstellung

2.1.4 Solarkonstante und Bestrahlungsstärke

Diese so genannte Solarkonstante ist im strengen Sinne keineswegs konstant, sondern unterliegt aufgrund verschiedener Ursachen geringen Schwankungen. Es bezeichnet die Menge an Energie, welche die elektromagnetische Sonnenstrahlung auf einen „extraterrestrischen Quadratmeter Erde“ überträgt. So beeinflussen Veränderungen in der Umlaufbahn der Erde um die Sonne über längere Zeiträume hinweg die Intensität der Sonnenstrahlung. Das geschieht allerdings in einem Zyklus von mehr als 100.000 Jahren, und man erklärt damit den Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten während des Eiszeit­Alters, zu dem auch die jetzige Warmzeit gehört. Die Veränderungen in den Erdbahn­Parametern können zusätzlich Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen des Klimasystems, z.B. zwischen Meer und Atmosphäre anstoßen.

So hat eine gebremste Golfstrom-Zirkulation, die durch eine verstärkte Süßwasserzufuhr durch abschmelzendes Eis verursacht wurde, wahrscheinlich die starke und kurzfristige Temperaturabnahme am Ende der letzten Eiszeit (Jüngere Dryaszeit) ausgelöst. Die Intensität der Solarstrahlung außerhalb der Erdatmosphäre ist aufgrund der unbeständigen Entfernung von Sonne und Erde im Laufe eines Jahres leichten Schwankungen unterworfen und beträgt im genormten Mittel 1367 W/m2 (aufgrund der elliptischen Umlaufbahn/Sonnenflecken vergl. Sonnenwind, auch aus dem All kommende und in Sonne einschlagende Materie).

Der Mittelwert wird als Solarkonstante bezeichnet und beträgt: E0 = 1.367 W/m2. Auf der Erdoberfläche wird dieser Wert nicht erreicht, da die Atmosphäre die Solarstrahlung durch Reflexion, Absorption und Streuung reduziert. Relativ unabhängig vom Standort auf der Erde wird um die Mittagzeit bei wolkenlosem Himmel eine maximale Bestrahlungsstärke von 1.000 W/qm erreicht.

Herleitung der Solarkonstanten:

Das Gesetz von Stefan und Bolzmann für den schwarzen Strahler ergibt die spezifische Ausstrahlung des als schwarzen Strahler angenommenen Körpers. Die gesamte als Wärmestrahlung abgegebene Leistung einer Fläche A mit der Temperatur T ist:

ε σ · AT4

Der Emissionsgrad ε (0 < ε < 1) hängt ab von Material, Oberflächenbeschaffenheit

und Farbe: umso heller/spiegelnder, desto kleiner ist ε . Zwischen der Oberflächen­Leistung (Strahlungsleistung Oe je Fläche A) und der absoluten Temperatur T besteht die Beziehung aus der das Bolzmann Gesetzt besteht:

Stefan - Bolzmann - Gesetz:

Oe / A = Me = σ · T4 Stefan - Bolzmann - Konstante:

Proportionalitätsfaktor σ » 5,67 · 10

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese gesamte Energie wird (in alle Richtungen) abgestrahlt. Die Größe der Hüllfläche auf Höhe der Erde, auf der genau diese Energie ankommt, ergibt sich mit dem Abstand (= Radius) von rund 150 Mio. Km aus:

AHülle = 4 Π I-2

Der Bruch aus: multipliziert mit der ausgestrahlten Energie ф der Sonne, AHülle ergibt die gesamte Strahlungsenergie der Sonne, die auf die Erde scheint. Statt der Erdoberfläche kann man aber auf einen m2 nehmen, und schon hat man die Solarkonstante ausgerechnet.

2.1.5 Das STC-Verfahren und der Begriff Air Mass (AM)

Die Einstrahlung der Sonne ist keine konstante Größe, sondern unterliegt starken Schwankungen im Tages- und Jahresverlauf. Um dennoch eine Vergleichbarkeit der elektrischen Kennwerte von Solarzellen und Solarmodulen zu ermöglichen, wurden die so genannten Standard-Test-Bedingungen (STC) entwickelt. Diese STC-Bedingungen geben konstante Werte der Einstrahlung (E) von 1000 W/m2, der Zelltemperatur (T) von 25 °C (± 2 °C) und des AirMass (AM) von 1,5 (das AM charakterisiert eine bestimmte spektrale Verteilung der Sonnenstrahlung) vor.

Anwendung:

Von den Herstellern der Solarmodule werden Strom-, Spannungs- und Leistungsdaten in MPP angegeben, die sich (wenn nicht anders angegeben) immer auf STC beziehen.

AM oder auch Luftmasse:

Die Luftmasse (AM) der Erdatmosphäre, durch die das Sonnenlicht dringt, beeinflusst dessen spektrale Zusammensetzung. Zur Charakterisierung verschiedener Sonnenspektren wurde die AirMass eingeführt. Das Spektrum AM 0 steht für die Strahlung im Weltraum. Steht die Sonne am Äquator im Zenit, legt die Strahlung den kürzesten Weg durch die Atmosphäre zurück (Spektrum entsprechend AM 1,0 = bezeichnet die Strahlung, die senkrecht am Äquator auf „ NN = Meeresspiegel “ fällt).

In unseren Breiten steht die Sonne nicht so hoch am Himmel, so dass die Strahlung grundsätzlich längere Wege durch die Luftmasse zurücklegen muss, was z. B. durch das AM-1,5-Referenzspektrum berücksichtigt wird (AM 1,5 ist der Wert, der unter einem Winkel von 41,5° gegen den Horizont einfällt und damit eine 1,5-fach größere Luftmasse durchstrahlt) Zudem ist der Wert AM 1,5 eine wichtige Bezugsgröße, die zur normierten Charakterisierung von Solarzellen dient. Die geographische Breite ist ebenso ein gravierender Faktor für die Berechnung der Globalstrahlung (z.B. am Äquator mit dem Breitengrad 0, wo der Wert für den Jahresdurchschnitt der Globalstrahlung um das 1,8-Fache höher ist als der Wert für Mitteleuropa).

2.1.6 Die elektromagnetischen Wellen der Solarenergie

Das Spektrum elektromagnetischer Wellen reicht von (q) langwelligen Radiowellen y = 43 1316 10 bis 10 m bis zu (q) kosmischen Strahlen y = 10 bis 10 m. Das Spektrum im Wellenlängenbereich von y = 3 · 10 - bis 2,5 · 10 m kann von schwarzen Körpern emittiert und absorbiert werden. Dieses Wissen wird bei thermischen Solaranlagen zur Wassererwärmung durch Absorption elektromagnetischer Wellen genutzt. Die Intensität der solaren Strahlung ist von der Wellenlänge abhängig. Sie besitzt ihr Maximum im grüngelben Bereich bei Wellenlänge max. ungefähr 0,55 μm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.7-a: Sonnenspektrum in Bezug zu Lichtwellenlänge Quelle: http://www.hmi.de/pr/bildarchiv/solarenergie/grafiken/

Die einzelnen Farbanteile des sichtbaren Lichtes, die durch das menschliche Auge wahrgenommen werden können, entstehen, wenn weißes Licht über ein Prisma gebrochen wird. Analog tritt dieser Effekt beim Regenbogen auf, wobei die Regentropfen die Funktion des Prismas übernehmen. Die Erfahrung lehrt, dass dunkle Oberflächen von Körpern bei Sonneneinstrahlung - also unter Einwirkung elektromagnetischer Wellen - wärmer werden als Körper mit hellen Oberflächen. Die auf einen Körper auftreffenden Photonen als Energieträger führen zu einer Schwingungsanregung der Atome bzw. deren elektrisch geladenen Bestandteile (Elektronen, Ionen), die eine Temperaturerhöhung des Körpers zur Folge hat. Je höher die Amplitude der Schwingung der Atome, umso höher ist deren thermische Energie, die als Wärme empfunden wird.

2.2 Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik

Die Geschichte der Photovoltaik beginnt bereits 1839, als der französische Physiker und Nobelpreisträger Alexandre-Edmond Bequerel das erste photoelektrische Element konstruierte. Der französische Physiker trat in die Fußstapfen seines Vaters, der ein berühmter Physiker in Frankreich des 19. Jahrhunderts war. Die Bequerels bildeten über vier Generationen eine Forscherdynastie. Insgesamt arbeiteten sie mehr als anderthalb Jahrhunderte lang im selben Labor in Paris. Das erste photoelektrische Element bestand aus einem Topf, der in der Mitte durch eine Membran geteilt war und für Flüssigkeiten, nicht aber für Licht durchlässig war.

Dieser Topf wurde mit einer Lösung gefüllt und auf jeder Seite eine Platinelektrode eingetaucht. Die Elektroden waren über ein empfindliches Galvanometer elektrisch leitend verbunden. Dadurch, dass der Deckel des Topfes auch halbiert war, konnte eine Seite abgedunkelt werden, wobei auf die andere Sonnenlicht einwirkte. Es stellte sich ein (am Galvanometer ablesbarer) Potentialunterschied ein. Der photoelektrische Effekt war somit gesehen durch Zufall entdeckt, konnte aber mit dem damals vorherrschenden Masse-Kugel-Atommodell noch nicht erklärt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2.1-a: Die erste Solarzelle der Welt Quelle: http://www.montgelas-gymnasium.de/physik/photovoltaik/geschichte.html

Der nächste Schritt in der Geschichte der Solarzelle war die Entwicklung der Selenzelle durch Willoughby Smith. Im Jahre 1873 stellte er fest, dass sich die Leitfähigkeit von Selen unter Lichteinstrahlung um das ca. 1000-Fache erhöht. Damit war nicht nur der erste Halbleiter entdeckt, sondern auch die Grundvoraussetzung geschaffen um schließlich 1877 die erste Selensolarzelle zu konstruieren. Diese hatte jedoch nur einen Wirkungsgrad von ca. 1 % und war, wegen des teuren Selens, sehr unwirtschaftlich.

Der Photoeffekt, der die Grundlage dieser Technologie darstellt, widersprach der von James Clerk Maxwell 1865 aufgestellten Wellentheorie des Lichts. Aus diesem Grund fehlte noch die theoretische Erklärung zur Photovoltaik. Diese lieferte Albert Einstein im Jahre 1905 mit seiner Theorie des Quantencharakters von Licht. Diese besagt nämlich, dass Licht nicht nur als elektromagnetische Schwingung, sondern auch als Abfolge von Teilchen verstanden werden will. Diese energiereichen Teilchen nennt man Photonen. Wird also ein Material dem Licht ausgesetzt, wird es ständig von Photonen getroffen. Dadurch kann es zu einer Herauslösung von Elektronen aus dem Material kommen. Die Folge ist entweder eine positive Aufladung des Materials oder eine Erzielung von Leitfähigkeit. Somit war der Photoeffekt auch theoretisch erklärt. Von da an ruhte die Geschichte der Photovoltaik für fast 50 Jahre.

- 1839 Entdeckung des photovoltaischen Effekts
- 1883 Modul aus Seelenzellen
- 1907 Albert Einstein kann den lichtelektrischen Effekt erklären
- 1954 Silizium Solarzelle wird produziert
- 1958 Solarzellen werden bei Satelliten angewandt

Doch nachdem 1949 von Brattain, Shockley und Bardeen die Physik der Halbleiter erforscht worden war, stand auch der Weg für neue Solarzellen offen. Die erste Entwicklung entstand bereits im Jahre 1951 und war eine auf Germanium basierende Solarzelle. Weitaus wichtiger aber war 1954 die Entwicklung der ersten Silizium-Zelle durch die Wissenschaftler Pearson,

Fuller und Chapin in den Bell Laboratories, USA. Diese hatte einen Wirkungsgrad von etwa 6 % und war für die Raumfahrt gedacht. Drei Jahre später startete dann auch der erste mit Solarzellen bestückte Satellit ins Weltall. Die neue Technik war natürlich noch nicht für jedermann nutzbar, da sie aufgrund der geringen Stückzahlen und Wirkungsgrade sehr teuer und unwirtschaftlich war. Nach der Ölkrise aber entstanden in den 70er Jahren sehr viele neue Forschungsstationen, die sich auf diese Technologie konzentrierten. Von da an war der Vormarsch der Photovoltaik nicht mehr aufzuhalten. Die Folgezeit war geprägt von Weiter- und Neuentwicklungen und kontinuierlichen Steigerungen der Wirkungsgrade. Heutige Multispektralzellen erreichen bereits einen Wirkungsgrad von bis zu 31 %. Den Grundstein zur Erforschung der Technologie, die die direkte Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie ermöglicht, legte Alexandre Edmond Bequerel 1839.

Sein Sohn Antoine Henri Becquerel erhielt 1903 zusammen mit Ehepaar Curie den dritten Physiknobelpreis - nach ihm ist die Maßeinheit des radioaktiven Zerfalls benannt. Als er im abgedunkelten Raum mit elektrolytischen Zellen experimentierte, konnte er bei Helligkeit geringfügige Anstiege im Elektrodenstromfluss beobachten. Er entdeckte so zufällig den photovoltaischen Effekt, konnte diesen aber damals aufgrund fehlender theoretischer Erkenntnisse nicht näher erklären. Der Auslöser für die späteren Forschungen um den Photoeffekt sind die Entdeckungen, die bei Lichtbestrahlung von Selen gemacht wurden. Die technische Herstellung der Solarzellen konnte aber erst mit der Erfindung des Transistors und der Entdeckung des pn-Übergangs 1949 begonnen werden. Da die Herstellung sehr der Anfertigung von Halbleiterbauteilen ähnelt, sind die frühen Siliziumsolarzellen sehr teuer und können deshalb nur in speziellen Einsatzgebieten benutzt werden.

Später entwickelte die Luftfahrtindustrie diese Pionierarbeit weiter und stattete Raumschiffe zwecks autonomer Energieversorgung mit PV-Modulen aus. Geradezu ideal hierfür waren damals bereits Satelliten, denn hier treten die Entwicklungskosten im Vergleich zur Nutzbarkeit in den Hintergrund, solange die Zellen einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielen, dabei ein möglichst geringes Gewicht aufweisen und zuverlässig der hohen Strahlung im Weltraum standhalten. Als 1973 der Erdölpreis dramatisch anstieg, wurde der Umstieg zur Photovoltaik für viele lukrativer und gelangte so mehr und mehr ins öffentliche Interesse. Damals ist die Einrichtung einer Anlage mit Kosten von bis zu 1500 DM pro Watt Spitzenleistung verbunden. Diese konnten bis 1988 auf knapp 20 DM pro Wp reduziert werden, so dass der privaten Nutzung der Photovoltaik nichts mehr im Wege stand. Neben der traditionellen Herstellung der Siliziumzellen führten Forschungen zu neuen, effektiveren Entwicklungen aus anderen Halbleitermaterialien. Vorstellbar sind in Zukunft auch erheblich günstigere Baukosten durch die Möglichkeit des Einsatzes von unreinem Silizium. Sogar das Prinzip der Energieumwandlung durch den photovoltaischen Effekt muss nicht immer Grundlage der Solarzelle sein, wie die Erforschung der organischen und der Farbstoffzellen zeigt. Das Potential dieser Energiequelle ist noch lange nicht erschöpft und steht mit Blick auf die möglichen Entwicklungen sicherlich noch vor dem Höhepunkt seiner Erfolgskarriere.

2.3 Prinzip der Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers und Nobelpreisträger Alessandro Volta. Es bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Direkte Umwandlung heißt, dass das Sonnenlicht nicht zum Erwärmen von Dampf mit nachgeschalteter Dampfturbine und Generator in Strom umgewandelt wird, sondern unter direkter Ausnutzung des physikalischen Photoeffektes.

Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung und beruht auf dem bereits 1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekts. Solarzellen basieren auf dem photovoltaischen Effekt. Der Hauptteil einer Solarzelle die das Sonnenlicht in Strom umwandelt ist ein Halbleiter, meist Silizium. Bei bestimmten übereinander angeordneten Halbleiterschichten entstehen unter dem Einfluss von Licht (Photonen) freie positive und negative Ladungen, die durch ein elektrisches Feld getrennt werden und als Elektronen über einen elektrischen Leiter abfließen können.

Das Prinzip ist denkbar einfach und beruht darauf, dass diese negativ geladenen Elektronen, die vor dem Lichteinfall an Atome gebunden waren, freigesetzt werden und sich im Festkörper frei bewegen können. Im gleichen Moment entstehen dabei positiv geladene Löcher, die sich ebenfalls frei bewegen. Elektronen und Löcher sind also die negativen und positiven Ladungen in einer Solarzelle. Der so entstehende Gleichstrom kann direkt zum Betrieb elektrischer Geräte genutzt oder in Batterien (bei Inselsystemen) gespeichert werden.

Er kann auch in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden. Solarzellen können z.B. in Taschenrechnern oder Uhren zum Einsatz kommen. Man kann auch die Solarzellen innerhalb der Häuser finden. Die Leistung eines Solargenerators reicht von einigen Watt bis in den Megawatt-Bereich.

2.4 Aufbau und Funktion der Solarzelle

Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Diese Halbleitermaterialien und deren Stoffe besitzen die Eigenschaften bei tiefen Temperaturen isolierende Eigenschaften anzunehmen, während sie elektrisch leitfähig werden, wenn Licht oder Wärme zugeführt wird. Hauptbestandteil einer Solar/Photovoltaikzelle ist Silizium. Über 95% aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium. Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in ausreichenden Mengen vorhanden ist und die Verarbeitung des Materials als umweltschonend gilt. Der allgemeine Aufbau einer Solarzelle beschreibt im Wesentlichen eine großflächige Diode, mit dem der pn-Übergang die Grundlage zum Verständnis ihrer Funktionsweise bildet und die Methoden der Halbleiterphysik für die Beschreibung herangezogen werden können (siehe Kap. 2.4.1).

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Abbildung 2.4-a: pn-Übergang in der Funktionsweise der Halbleiterphysik und die Größe einer Solarzelle Quelle: http://solarzelle.know-library.net/

Aufgebaut sind Photovoltaikzellen aus mindestens vier Schichten, von denen nur die positiv- bzw. negativ-leitenden Schichten aus einem Halbleiter bestehen. Diese Schichten werden abgekürzt p-Schicht (siehe Abb. 2.4-b 1 μm dick) und n-Schicht (0,3 μm dick) genannt. Um eine Photovoltaikzelle herzustellen muss das Halbleitermaterial „dotiert“ werden. Die Art des Dotierstoffes bestimmt also die Art und die Größe der Leitfähigkeit des Halbleiters.

Über die in die Photovoltaikzelle eingebauten Leiter aus Metall ist es nun möglich, die gewonnene Spannung abzugreifen. Über das Schließen des Stromkreises, zum Beispiel über das einklemmen eines Verbrauchers, kann nun ein fließender Gleichstrom gemessen werden. Die bisher hergestellte Standardgröße für Photovoltaikzellen beträgt 10 cm · 10 cm.

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Abbildung 2.4-b: Aufbau einer typischen pn-Silizium Solarzelle Quelle: Meissner, D 1993

Erst vor kurzem wurde dieses Angebot noch durch eine Zelle mit den Abmessungen 15 cm · 15 cm erweitert. Die Zellen sind mit einer durchsichtigen Antireflexschicht (siehe Kap. 2.4.5) überzogen. Somit wird ein gewisser Schutz der Zellen erreicht und der Verlust durch Reflexion an der Zelloberfläche minimiert. Je nach Lichteinstrahlung steigt oder fällt die Stromstärke, während die Lichteinstrahlung kaum einen Einfluss auf die Klemmenspannung hat. Die abgreifbare Spannung ist dabei abhängig vom Halbleiter­material, das für die Photovoltaikzelle verwendet wurde. Eine einzelne Solarzelle hat eine Spannungsvariabilität von 0,5 - 1 Volt. Die Stromdichte beträgt 20 - 40 mA/cm2. Zum Beispiel beträgt die Spannung bei Silizium ungefähr 0,5 V. Betrachtet man eine Siliziumzelle mit einer Fläche von 100 cm2 und bestrahlt sie mit 1.000 W/m2, erhält man die maximale Stromstärke von etwa 2 Ampere. Hierbei hat die Außentemperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung (Leistung P = Strom I · Spannung U) einer Photovoltaikzelle. Umso höher die Temperatur der Zellen, desto kleiner die Leistung. Und somit sinkt auch der Wirkungsgrad, welcher die Umwandlung der aufgenommenen Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie beschreibt (siehe Kap. 2.4.3 und Anhangsv. Abb. 2.4-c).

2.4.1 Der p-n Übergang

Die Lichtteilchen der Sonne (Photonen) werden in der Solarzelle absorbiert. Dort erzeugen die Photonen Elektronen, die sich vorerst frei im Halbleiter bewegen können. Diese erzeugten Elektronen werden in negative Ladungen und positive Ladungen (Löcher) eingeteilt. Tritt der Fall ein, dass diese Ladungen zu lange beieinander sind oder sich begegnen, rekombinieren sie, was zur Folge hat, dass kein Strom entsteht. Damit keine Rekombination stattfindet, werden die beiden Ladungen so schnell und effektiv wie möglich mittels pn-Übergang getrennt. Der pn-Übergang entsteht an der Grenzfläche zwischen der negativ-leitenden Schicht und der positiv-leitenden Schicht. Die positiv und negativ leitenden Schichten werden bei der Herstellung der Solarzelle erzeugt. In der positiven Schicht gibt es fast nur Löcher und in der negativen Schicht fast nur Elektronen.

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Abbildung 2.4.1-a: Darstellung des pn-Übergangs mittels Solarzellen Querschnitt

Quelle: eigene Darstellung

2.4.2 Eigenschaften und Wirkungsgrad der Solarzelle

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 Volt. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Licht­Einstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm2 großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m2 etwa einen Wert von 2 A. In der Abbildung 2.4.2-a wird die Strom- und Spannungskennlinie einer kristallinen und amorphen Solarzelle für eine Fläche von 5 cm2 angezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.2-a: Strom- und Spannungskennlinie für eine kristalline und amorphe

Silizium Solarzelle

Quelle: eigene Darstellung

Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad.

Der Wirkungsgrad:

Der Wirkungsgrad, wichtigste Kenngrösse einer Solarzelle, gibt an, wie viel Prozent der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird. Bei industriell gefertigten Solarzellen beträgt der Wirkungsgrad eine Größe zwischen 10- und 16 Prozent. Im Labor werden mit höherem technischem Aufwand Wirkungsgrade mit Silizium bis zu 24% erreicht.

Bei Galliumarsenid werden sogar über 33% Wirkungsgrad mit 3 pn-Übergängen erzielt. Eine Strom-Spannungs-Kennlinie, aus der alle für die Solarzelle relevanten Parameter bestimmt werden können (siehe Abb. 2.4.2-b). Diese Abbildung zeigt eine typische Kennlinie einer Si-Solarzelle bei Dunkelheit (dunkel) und Licht (hell). Man beachte, dass die Dunkelkurve die Kennlinie einer Diode darstellt und lediglich zur Lichtkurve parallel verschoben ist. Durch die Beleuchtung wird die Kennlinie um den konstanten Betrag jsc - dem Lichtstrom - nach unten verschoben. Im „maximalen Power Point“ (MPP) ist die abgegebene Leistung maximal. Beim Betrieb der Solarzelle muss der externe Lastwiderstand so gewählt werden, dass diese im „maximalen Power Point“ betrieben wird. Unter Vernachlässigung der Rekombination in der Raumladungszone.

Dazu gehören die Kurzschlussstromdichte jsc, die Leerlaufspannung Voc, der Füllfaktor (engl. Fill-faktor) und natürlich der Punkt maximaler Leistung MPP= Wirkungsgrad (engl. Maximum power point) selbst. Aus den Schnittpunkten mit den jeweiligen Koordinaten­achsen erhält man zum einen die Kurzschlussstromdichte jsc (engl. short circuit current density) für den spannungsfreien Fall bzw. die Leerlaufspannung Voc (engl. open circuit voltage) im stromlosen Fall. Maximale Leistungsentnahme erfordert den Abschluss des äußeren Kreises mit einem entsprechend angepassten Arbeitswiderstand. Solarzellen werden so wie alle elektrischen Bauteile anhand ihrer Kennlinien (Strom­Spannungskurven) charakterisiert. Bisher wurde überwiegend die Silizium-Solarzelle beschrieben (siehe Kap. 2.4.4 Wirkungsgrad-Vergleich und Kap. 3.7.2 Wirkungsgrad des Projektwechselrichters).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.2-b: Hell und Dunkelkennlinie eines pn-Übergangs nach dem Ein-Dioden-Modell.

Quelle: eigene Darstellung

Die Reflexion und Passivierung:

Mit dem Verfahren der Verunreinigungen lässt sich aber noch lange keine effiziente Solarzelle herstellen, denn die meisten Halbleiter geben eine große Reflexion an der Zellenvorderseite ab. Durch diese Reflexion gelangt ein großer Teil des Lichts gar nicht erst in die Zelle, sondern wird bereits an der Zellenoberfläche zurückgeworfen (reflektiert). Eine unbeschichtete Solarzelle (Wafer) glänzt daher und sieht silbrig aus. Um eine Reflektion des Lichtes zu verhindern, bringt man eine Antireflexschicht auf die Oberfläche auf. Der beschichtete Wafer erhält dann eine Farbe in den Bereichen zwischen schwarz bis silbern (siehe Kap. 2.4.5). Diese Schicht reduziert die Reflexionsverluste von etwa 40% auf 5%.

Auf der Oberfläche eines Halbleiters gibt es so genannte Zwischenzustände, die das Rekombinieren sehr leicht machen. Durch die Bandlücke wird ein so großer Abstand hergestellt, dass es ohne Zwischenzustände nur wenig Rekombinationen gibt. Bei der Passivierung wird die entsprechende Schicht die das Rekombinieren ermöglichen ausgeschaltet, indem man z.B. eine Schicht aus Si3 N4 aufbringt. Eine Passivierung an der Rückseite nennt man auch Rückseitenfeld oder auch Back Surface Field (BSF). Der Passivierungseffekt beruht darauf, dass eine Barriere (erhöhte Dotierung) den Elektronen keinen Zugang zur Oberfläche ermöglicht. Die Löcher, die trotzdem die Oberfläche erreichen, können alleine nicht mehr rekombinieren. Das Rückseitenfeld dient somit als Passivierung. Durch dieses Verfahren kann die Leistung der Solarzelle deutlich verbessert werden und der Solarzellenwirkungsgrad steigt bei beiden Passivierungsschritten um jeweils 1 bis 2%.

Der Kontaktgrid:

Der erzeugte Strom muss über die Vorder- und Rückseitenkontakte abgeführt werden. Das Sonnenlicht fällt nun auf die Vorderseite der Zelle und kann nicht ungehindert durch die Kontakte hindurch scheinen. Daher werden die Kontaktflächen möglichst klein gehalten was wiederum zur Folge hat, dass bei einer zu kleinen Kontaktfläche der elektrische Widerstand in den Metallfingern erhöht wird und die Leistung der Solarzelle geringer wird. Um dieses Problem zu lösen, muss einiger Aufwand betrieben werden um eine geeignete Form für den Vorderseitenkontakt anzupassen. Üblich ist eine Metallfinger Gitterstruktur, da die vielen kleinen Metallfinger den Strom sammeln und ihn zu einer Sammelschine (Busbar) transportieren.

Die üblichen Kontaktfinger haben in der Regel eine Dicke von 20μπ (1 Mikrometer = 1/1000 Millimeter) und eine Breite von 50 - 100 μm, welche aus Aluminium oder Silber bestehen. Darüber hinaus ist es möglich eine Legierung für eine Kontaktverbesserung aus Palladium oder Titan aufzubringen. Die Kontakte werden aufgedruckt oder aufgedampft.

Bestimmung des Punktes maximaler Leistung:

Hierzu sei kurz an den elektrotechnischen Begriff der Leistungsanpassung erinnert. Die Klemmenspannung UKL einer Stromquelle ist vom angelegten Lastwiderstand abhängig nach der Beziehung:

UKL = Uo - I . Ri Formel 1

mit Ri = innerer Widerstand der Stromquelle und Uo = Leerlaufspannung der Stromquelle.

Es lässt sich zeigen, dass die Leistung (P = I · U), die bei offenem Stromkreis (I = 0) und bei Kurzschluss (U = 0) jeweils gleich Null ist, ein Maximum hat, wenn der Außenwider­stand Ra (= Last) gleich dem Innenwiderstand Ri ist. Der Innenwiderstand der Zelle lässt sich über die (Abb. 2.4.2-c) leicht graphisch ermitteln. In Diagramm a) ist P gegen Ra aufgetragen. Die Spannung UMPP kann aus dem Diagramm b) P gegen U abgelesen werden. Die korrespondierende Stromstärke am Punkt maximaler Spannung kann in der Kennlinie (Abb. 2.4.2-d) eingezeichnet bzw. abgelesen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.2-c: Graphische Ermittlung des Innenwiderstands der Solarzelle a) P gegen Ra b)P gegen U Quelle: eigene Darstellung

Der Füllfaktor beschreibt somit das Verhältnis der Flächen zweier Rechtecke, nämlich Isc · uoc als die theoretische Maximalleistung und IMPP · UMPP als die experimentell bestimmte Maximalleistung (engl. maximum power point, MPP) einer Solarzelle. Er ist ein Maß dafür, wie sehr die IV-Kennlinie einem Rechteck ähnelt (siehe Abb. 2.4.2-d). Je geringer also der Stromverbrauch der Diode in der Solarzelle ist, desto mehr Leistung kann die Solarzelle abgeben und desto größer ist der Füllfaktor. Der Füllfaktor ist immer kleiner als 1 und wird mit der Formel 2 definiert.

Berechnung des Wirkungsgrades: Leistung am Punkt maximaler Spannung

Elektrische Beschreibung von Solarzellen:

Eine unbestrahlte Solarzelle (siehe Abbildung 2.4.2-e ESB a)) verhält sich wie eine Diode und hat physikalisch den gleichen Aufbau. Die Solarzelle besteht ebenfalls aus einem n- und p-dotierten Halbleiter mit einer sich ausbildenden Raumladungszone. Der Zellstrom I und die Zellspannung U werden über folgende Parametergrößen ermittelt welche hierbei folgende Bedeutung haben: der Sättigungsstrom in Diodensperrichtung liegt in der Größenordnung von 10-10 Ampere der Diodenfaktor wurde eingeführt, da bei vielen Solarzellen ein Kennlinien verlauf zu beobachten ist, der von der idealen Diode abweicht. Eine bessere Beschreibung der Solarzelle wird durch den Diodenfaktor zwischen 1 und 5 möglich. Der Faktor ist bei einer idealen Diode ist = 1. Solarzellenklemmspannung bzw. -strom

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus dem ersten Kirchhoffschen Gesetz ergibt sich die Gleichung für die Strom- Spannungs-Kennlinie der Solarzelle des vereinfachten Ersatzschaltbildes (siehe Formel 5). Für eine genauere Beschreibung der Solarzelle sollte das einfache Ersatzschaltbild erweitert werden, da die Abweichungen zwischen der berechneten Kennlinie und den realen Werten bei wenigen Prozent liegen. Der Spannungsabfall, der bei einer realen Solarzelle auf dem Weg der Ladungsträger vom Halbleiter zu den externen Kontakten auftritt, kann über den Serienwiderstand Rs beschrieben werden. Dieser Widerstand liegt bei realen Zellen im Milliohm Bereich. Leckströme die an der Kante einer Solarzelle auftreten, können durch den Parallelwiderstand Rp beschrieben werden (siehe Abb. 2.4.2-e ESB c)). Dieser Parallelwiderstand ist in der Regel größer als 10 Ohm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei ist Pmax / Pmpp die elektrische Leistung und φ · A ist die eingestrahlte Lichtleistung ( A = Fläche der Solarzelle, φ = Lichtfluss [W/m2]).

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist schließlich definiert als das Verhältnis der von der Zelle photovoltaisch erzeugten elektrischen Leistung zur auffallenden Lichtleistung. Unter Verwendung des Normspektrums AM 1.5 (Bestrahlungsstärke 1000 W/m2) und der Formel für den Füllfaktor ergibt sich somit:

Pelektrisch = VMPP · jMPP = FF · Voc · jsc PLicht PLicht PLicht

Leistung einer kristallinen Solarzelle:

Im Punkt der maximalen Leistung (Maximum Power Point MPP) ist die elektrische Leistung Pmpp einer Solarzelle am größten. Sie ergibt sich aus dem Produkt der Solarzellenspannung UMPP multipliziert mit dem Solarzellenstrom IMPP und hat die Einheit Wattpeak (Wp = Spitzenleistung). Ihre Größe wird maßgeblich vom Solarzellenstrom IMPP bestimmt.

Elektrische Spannung einer Solarzelle:

Die elektrische Spannung einer Solarzelle ist im unteren Solarstrahlungsbereich (bis 100 W/m2) stark abhängig von der Einstrahlung, im oberen Bereich bei hohen Einstrahlungen relativ konstant. Temperatureinflüsse verändern den Wert zusätzlich: Bei Erwärmung sinkt die Spannung, bei Abkühlung steigt sie an. Im unbelasteten Zustand einer Solarzelle stellt sich die Leerlaufspannung UL ein, im MPP die Zellenspannung UMPP. Die Kennlinie einer Solarzelle spiegelt die zwei wichtigsten Eigenschaften des p/n-Übergangs wieder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.2-f: die elektrische Spannung einer Solarzelle
Quelle: Solarintegration.de/sunbeam GmbH

Elektrischer Strom einer Solarzelle:

Der elektrische Strom einer Solarzelle ist proportional abhängig von der Einstrahlungs­Leistung (W/m2) der Sonne. Wird sie im MPP betrieben, stellt sich der Zellenstrom IMPP ein, wird sie kurzgeschlossen, fließt der Kurzschlussstrom.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4.2-g: der elektrische Strom einer Solarzelle Quelle: Solarintegration.de/sunbeam GmbH

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