Energiegewinnung durch Photovoltaikanlagen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen der Energiegewinnung mittels Photovoltaik- anlagen
2.1. Funktionsweise der Photovoltaikanlagen
2.2. Technische Unterschiede der Module
2.2.1. Kristalline Siliziumzellen
2.2.2. Dünnschichtzellen
2.2.3. Farbstoffzellen
2.3. Das Strahlungsangebot als Einflussgröße der Energiegewinnung
2.3.1. Astronomische Gegebenheiten am Anlagenstandort
2.3.2. Meteorologische Bedingungen
2.3.3. Neigung und Ausrichtung
2.4. Strahlungsgewinn durch Nachführung einer PV-Anlage
2.5. Ermittlung des Strahlungsangebots
2.6. Stromeinspeisung
2.7. Verkabelung
2.8. Einspeisevergütung
2.9. Genehmigung

3. Benötigte Produktionsfaktoren
3.1. Standort/Gebäude
3.2. Zeitbedarf
3.3. Kapital

4. Literaturverzeichnis und weiterführende Literatur

1. Einleitung

In dieser Arbeit wurden die Produktionsfaktoren und Einflussfaktoren, die für eine wirtschaftliche Betrachtung von Photovoltaikanlagen nötig sind, herausgearbeitet und erläutert.

Das technische Stromerzeugungspotenzial der Photovoltaik resultiert aus den für die Installation von Solarmodulen verfügbaren Fläche, dem regional unterschiedlichen Strahlungsangebot und der jeweiligen Anlagentechnik. Das Flächenpotenzial ermittelt sich aus den existierenden Dachflächen, einen Teil der Fassadenflächen und dem Teil der landwirtschaftlichen Nutzflächen, der für die Lebensmittelproduktion nicht benötigt wird. Zum Beispiel die jetzigen Stilllegungsflächen.

Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht und dem Namen des Physikers Alessandro Volta. Dieser Begriff bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen (BROCKHAUS 1994).

2. Grundlagen der Energiegewinnung mittels Photovoltaik- anlagen

2.1. Funktionsweise der Photovoltaikanlagen

Um aus Solarzellen elektrischen Strom erzeugen zu können, wird die Energie der Sonnenstrahlen benötigt. Diese bestehen aus vielen einzelnen Teilchen (Photonen), die die Energie transportieren. Die verschiedenen Photonen der Sonnenstrahlung haben unterschiedliche Intensitätsgrade wie beispielsweise UV- oder Infrarotstrahlung. Der größte Teil des von der Sonne als Strahlung kommenden Energiestroms wird im sichtbaren Bereich transportiert.

Solarzellen bestehen aus Halbleitern (meist Silizium), die mit Hilfe von Elektronen das Sonnenlicht absorbieren. Hierbei wird die Energie der Photonen auf die Elektronen des Absorbers übertragen. In der Solarzelle bewegen sich diese, bedingt durch die Halbleitereigenschaft der Zelle in eine Vorzugsrichtung und erzeugen so in einem geschlossenen Stromkreislauf elektrische Energie (KNAUPP und STAIß 2000).

Voraussetzung für die Absorption im Halbleitermaterial ist eine Mindestenergie der Photonen, die charakteristisch ist für das verwendete Solarzellen-Basismaterial. Photonen, deren Energie kleiner ist als die charakteristische Mindestenergie, werden nicht absorbiert und sind für den Halbleiter unbrauchbar. Photonen, deren Energie größer ist, können ihre Energie auf die Elektronen im Halbleiter übertragen, jedoch nur in Höhe der jeweiligen Mindestenergie (WÜRFEL 1995).

Am Beispiel von Siliziummodulen lässt sich die Stromerzeugung wie folgt beschreiben: Das Halbleitermaterial besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten, die verschiedene Leitereigenschaften besitzen. Mit Phosphor dotiertes Silizium verfügt über ein frei bewegliches Elektron und bildet die n-leitende Schicht. Mit Bor dotiertes Silizium enthält quasi frei bewegliche Elektronen-Löcher und bildet die p-leitende Schicht. Fallen Sonnenstrahlen und somit auch Photonen auf die Solarzelle werden Ladungspaare (Elektronen und Löcher) erzeugt. Bedingt durch die Halbleitervorzugsrichtung werden die Elektronen zur n-Schicht und die Elektronen-Löcher zur p-Schicht gezogen, wenn sie in den Übergangsbereich zwischen p- und n-leitender Schicht gelangen. An der oberen und unteren Seite der Solarzelle befinden sich jeweils Metallkontakte, an denen die erzeugten Ladungsträger gesammelt werden. An der Oberseite befindet sich eine fingerförmige Leitbahn, welche den Minuspol bildet, während auf der Unterseite eine ganzflächige Leitbahn den Pluspol verkörpert. Verbindet man die beiden Kontakte über einen Stromabnehmer, so fließen die dort befindlichen Elektronen und es entsteht ein Gleichstrom.

Um den Strom in das elektrische Verbundnetz einzuspeisen, benötigt man einen Wechselrichter, der den Solarstrom in Wechselstrom für das Niederspannungsnetz (230Volt mit 50Hz) umwandelt. (BEYERSDORF et al. 2000)

Abb. 1: Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Silizium-Solarzelle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: (ISFH 2000)

2.2. Technische Unterschiede der Module

Solarzellen, die für den Gebrauch in einer Photovoltaik-Anlage in Frage kommen, sollten bestimmte Anforderungen erfüllen.

Um den einfachen und kostengünstigen Einsatz von Solarzellen in PV-Modulen zu ermöglichen, sind großflächige Zellen (>1 dm²) von Vorteil. Um sowohl eine hohe Wirtschaftlichkeit im Hinblick auf die Modulleistung zu erzielen, als auch eine gewisse Planungssicherheit zu gewährleisten, erscheint es sinnvoll, besonders langlebige Zellen (mind. 20 Jahre Lebensdauer) in PV-Modulen zu verwenden. Ebenso sollten Solarzellen beim Einsatz in Modulen umweltverträglich sein, so dass schon bei der Herstellung keine schädlichen Stoffe entstehen und auch der spätere Abbau nicht zu Entsorgungsproblemen führt.

Solarzellen sollten außerdem einen hohen Wirkungsgrad (>15%) besitzen, da Modul-Standorte (meist Dächer) in ihrer Fläche begrenzt sind und dennoch eine möglichst hohe Effektivität erzielt werden soll (MEISSNER 1993).

Solarzellen lassen sich aufgrund ihrer verschiedenen Halbleitermaterialien in drei Gruppen einteilen. Neben den am häufigsten verwendeten kristallinen Siliziumzellen existieren noch Dünnschicht- und Farbstoffzellen.

- kristallines Silizium
- monokristalline Zellen
- polykristalline Zellen
- Dünnschichtzellen
- Amorphe Siliziumzellen
- Galliumarsenid (GaAs) -Zellen
- Cadmiumtellurid (CdTe) -Zellen
- Kupfer-Indium- Diselenid (CIS) -Zellen
- Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) -Zellen
- Farbstoffzellen

2.2.1. Kristalline Siliziumzellen

Die meisten Solarzellen werden heute noch aus Silizium hergestellt, welches das zweithäufigste Element auf der Erde ist.

Zur Herstellung von monokristallinen Siliziumzellen benötigt man hochreines Halbleitermaterial. Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Dieses Herstellungsverfahren garantiert relativ hohe Wirkungsgrade (im Labor 24%, in der Praxis 14-17%), ist aufgrund des hohen Energiebedarfs jedoch sehr kostenintensiv.

Kostengünstiger ist die Herstellung von polykristallinen Zellen. Dabei wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen, die anschließend in Scheiben gesägt werden. Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen, an deren Grenzen allerdings Defekte auftreten können. Diese Kristalldefekte haben einen geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge (im Labor 18%, in der Praxis 13-15%).

Die Langlebigkeit beider Formen von kristallinen Siliziumzellen wird auf bis zu 25 Jahren garantiert (LADENER 1996).

2.2.2. Dünnschichtzellen

Dünnschichtzellen lassen sich aufgrund ihrer verschiedenen Materialzusammensetzungen in fünf Untergruppen einteilen:

- Amorphe Siliziumzellen

Bei den amorphen Siliziumzellen existiert kein Kristallgitter. Durch die Verwendung von Wasserstoff werden Defekte im amorphen Silizium weitgehend abgesättigt und es entsteht ein dotierter Halbleiter. Der Wirkungsgrad dieser Zelltypen liegt bei 13% im Labor und 5-8% in der Praxis.

Die amorphen Siliziumzellen altern durch Lichtabsorption (Degration), das heißt, die Leistung sinkt in den ersten beiden Jahren stark und pendelt sich anschließend auf ein relativ konstantes Niveau, die so genannte Nennleistung, ein.

Um diesen Prozess abzumildern, werden relativ dünne Siliziumschichten produziert, die dann mehrschichtig zum Einsatz kommen. Eine völlige Neutralisierung des Effekts ist dadurch jedoch nicht möglich (KNAUPP und STAIß 2000).

Abb. 2: Verlauf des Wirkungsgrades einer amorphen Siliziumzelle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: (MEISSNER 1993)

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