Solarzellen und Photovoltaikanlagen. Grundlagen, Technologien und Materialien


Bachelorarbeit, 2015

45 Seiten


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Ziele, Nichtziele, Zielgruppe
1.2.1 Ziele
1.2.2 Nichtziele
1.2.3 Zielgruppe
1.3 Bezugsrahmen

2 Grundlagen
2.1 Die Sonne als Energiequelle
2.1.1 Die Sonne als Fusionsreaktor
2.1.2 Verbreitung der Solarenergie
2.2 Funktionsweise einer Solarzelle
2.2.1 Halbleiter Grundlagen
2.2.2 Aufbau der Solarzellen
2.2.2.1 Dotierung und p/n -Übergang
2.2.3 Eigenschaften einer Solarzelle
2.2.3.1 Lichtspektrum
2.2.3.2 Wirkungsgradvergleich
2.2.3.3 Air-Mass-Zahl (AMZ)
2.2.3.4 Maximum-Power-Point (MPP)
2.2.3.5 Formeln
2.3 Die Photovoltaikanlage
2.3.1 Arten von PV-Anlagen
2.3.2 Systemkomponenten
2.3.3 Das Photovoltaikmodul
2.3.3.1 Verkapselung
2.3.4 Alternativen zur besseren Energieausbeute
2.3.4.1 Aufständerung
2.3.4.2 Verschattung
2.3.4.3 Anschlusskonzepte
2.4 Zelltechnologie
2.4.1 Dünnschicht Technologie
2.4.1.1 PVD (physical vapor deposition) Verfahren
2.4.1.2 Sputterdeposition
2.4.1.3 Prozessschritte bei Dünnschichtverfahren am Beispiel von CIS Zellen
2.4.2 Dickschicht Technologie

3 PV Materialien
3.1 Silizium
3.1.1 Herstellung
Inhaltsverzeichnis
3.1.1.1 Chemische Reinigung
3.1.1.2 Zonenreinigung
3.1.2 Monokristallines Silizium
3.1.2.1 Das Czochralski-Verfahren
3.1.2.2 Tiegelfreies Zonenziehen
3.1.2.3 Bearbeitung
3.1.3 Mono- und polykristallines Silizium
3.1.4 Amorphes Silizium
3.1.5 Kupfer, Indium, Selenid
3.1.5.1 Indium
3.1.5.2 Gallium
3.1.5.3 Kupfer
3.1.5.4 Selen (Selenid)

4 Vergleich der Materialien
4.1 Eigenschaften von Solarzellen
4.2 Wirkungsgrade
4.2.1 Standardtestbedingungen (STTB)
4.2.1.1 Monokristallines Silizium PV-Panel
4.2.1.2 Polykristallines Silizium PV-Panel
4.2.1.3 Amorphes Silizium PV-Panel
4.2.1.4 CIGS PV-Panel
4.2.2 Alternativbedingungen (NOCT)
4.2.2.1 Monokristallines PV-Panel real
4.2.2.2 Polykristallines Silizium PV-Panel
4.2.2.3 amorphes Silizium PV-Panel
4.2.2.4 CIGS PV-Panel
4.2.3 Fazit
4.3 Temperaturverhalten
4.4 Lichtverhalten
4.5 Anfälligkeit
4.6 Energetische Amortisation
4.6.1 Primärenergieaufwand
4.6.2 Energierücklaufzeit

5 Warum welches Material
5.1 Paarweiser Vergleich
5.2 Nutzwertanalyse (NWA)

6 Resümee

7 Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Anhang 1: Erste Ergänzung

GLEICHHEITSGRUNDSATZ

Um den Lesefluss nicht durch eine ständige Nennung beider Geschlechter zu stören, wird in dieser Arbeit ausschließlich die männliche/weibliche Form verwendet. Dies impliziert aber immer auch die weibliche/männliche Form.

DANKSAGUNG

Ich bedanke mich herzlich bei meinem Betreuer Herrn DI. Gerd Hribernig für die Unterstützung bei der Verfassung meiner Arbeit, für die Beantwortung meiner Fragen, die kritischen Hinterfragungen und die konstruktive Kritik.

Des weiteren bedanke ich mich ganz besonders bei meiner bezaubernden Freundin Eva-Maria Kohl und meiner lieben Studienkollegin Jennifer Jagerhofer für die großartige Korrekturarbeit.

Darüber hinaus bedanke ich mich bei meiner Familie und vor allem bei meiner Mutter Andrea Strobl für die große Unterstützung während des Studium.

KURZFASSUNG

Photovoltaik spielt in unserer umweltbewussten Gesellschaft eine immer größer werdende Rolle. In den letzten Jahrzehnten gab es durch neue innovative Entwicklungen zur Steigerung des Wirkungsgrades und staatliche Förderprogramme einen enormen Aufschwung von privaten Photovoltaikanlagen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Grundlagen der solaren Energiegewinnung, sowie die verschiedenen am Markt erhältlichen Zelltechnologien und Halbleitermaterialien.

Ziel der Arbeit ist es durch Vergleiche und Analysen, Vor- und Nachteile der beschriebenen Solarzellentypen aufzuzeigen. Darüber hinaus wird für ein gewähltes reales Beispiel eine objektive Bewertung durchgeführt und eine Variante priorisiert.

Im ersten Teil werden Verbreitung, Funktionsprinzipien und Herstellungsprozesse von Solarzellen repräsentiert, um ein Grundverständnis zu schaffen. Im zweiten Teil werden durch gezielte Berechnungen realitätsnahe Kennwerte ermittelt, die im Analyseprozess abgearbeitet werden.

Das Ergebnis der Nutzwertanalyse zeigt, dass sich Dünnschicht Paneele knapp durchsetzen konnten, jedoch kann kein Solarzellentyp pauschal als der beste betrachtet werden. Vielmehr ist es entscheidend auf welche Eigenschaft der Solarzelle das Hauptaugenmerk gelegt wird.

Heutzutage wird an Speichersystemen für Solarenergie gearbeitet. Auch an Designkonzepten für gebäudeintegrierte Photovoltaik wird geforscht. Die Möglichkeit organische Stoffe zur Energieerzeugung zu verwenden wird immer realistischer. Zukünftig wird die Solartechnik am Energiemarkt von entscheidender Bedeutung sein.

1 EINLEITUNG

1.1 Ausgangssituation

Die Errichtung von Photovoltaikanlagen wird immer lukrativer. Es kommen immer mehr Halbleiter für die Umwandlung von Lichtwellen in elektrische Energie in Frage. Des Weiteren kam es bei industriell produzierten Solarzellen zu Technologieentwicklungen die einen Wirkungsgrad von 16 Prozent und mehr für ermöglichte. Der große Bedarf an der Ressource elektrische Energie auf unseren Planeten war natürlich ein entscheidendes Kriterium für diesen Technologiesprung. Das Thema wurde gewählt um einen Überblick über PV-Paneele zu erhalten. Darüber hinaus bietet die Photovoltaik die große Möglichkeit durch mobile Anlagen ortsunabhängig elektrische Verbraucher zu betreiben.

In dieser Arbeit wird kurz auf die Materialbeschaffung und Materialgewinnung für die Erzeugung von PVAnlagen eingegangen. Hauptaugenmerk der Arbeit ist jedoch die am häufigsten eingesetzten Halbleiter und Solarzellentypen zu analysieren und zu vergleichen. Inhalte und Ergebnisse sollen einem potentiellen Käufer unabhängig vom finanziellen Aspekt die Entscheidung erleichtern. Die speziell Forschungsfrage lautet somit wie folgt:

„Welche positiven und negativen Charakteristiken weißen die für den privaten Hausbau angebotenen Solarzellen auf?“

Um einen besseren Einblick zu erlangen wurden durch Internetrecherchen die erhältlichen Solarzellen herausgefiltert. Mit 4 PV-Zellen Typen wird der überwiegende Teil am Markt abgedeckt. Diese 4 Varianten werden in der Arbeit beschrieben und Anhand von Datenblätter realistische Wert ermittelt.

1.2 Ziele, Nichtziele, Zielgruppe

1.2.1 Ziele

- Analyse und Vergleich von in Standardprodukten eingesetzten Halbleitermaterialien
- Eigenschaften der einzelnen Halbleiter darstellen

1.2.2 Nichtziele

- Ökologische und ökonomische Gesichtspunkte betrachten
- Materialien aus Laborversuchen betrachten
- Randprodukte betrachten

1.2.3 Zielgruppe

Die Lesergruppe dieser Arbeit sind Elektroinstallationsunternehmen, Personen die in der Forschung und Weiterentwicklung von Halbleitermaterialien tätig sind, Studenten die aufgrund ihres gewählten Studiums sich aktiv mit technischen Themen wie Optoelektronik, Energietechnik auseinandersetzen und alle Privatpersonen, die sich eine Photovoltaikanlage beschaffen wollen.

1.3 Bezugsrahmen

Der Bezugsrahmen gibt einen grafischen Überblick über die Struktur der Arbeit und einen Hinweis auf die Vorgehensweise bzw. den Ablauf der Arbeit. Die maßgeblichen Bereiche der Arbeit sind hier aufgezeigt und es kann auf die Schwerpunkte zurückgeschlossen werden. Zu den einzelnen Themen-gebieten werden in weiterer Folge die wesentlichen Eigenschaften, Abläufe bzw. Vorgänge beschrieben und erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Grafische Darstellung der Vorgehensweise, Quelle: Eigene Darstellung.

2 GRUNDLAGEN

Um sich in weiterer Folge mit der Thematik von Solarzellen auseinandersetzen zu können, ist es unumgänglich, sich mit der Technologie und Funktionsweise vertraut zu machen. In diesem Kapitel werden grundlegende Informationen über die Technologie und Entwicklung vermittelt, ehe sie in den weiteren Unterkapiteln genauer behandelt werden. Auch der der Aufbau von Solarzellen soll in diesem einführenden Kapitel erläutert werden.

2.1 Die Sonne als Energiequelle

Die Sonne befördert täglich 1,75x10^14 KW an Strahlungsenergie auf die Erde. Das macht sie zur größten und ergiebigsten Energiequelle die für uns Menschen zur Verfügung steht. Solarkraftwerke mit einer Fläche von 3 Prozent der Sahara könnten theoretisch den gesamten Energiebedarf von Europa und Afrika decken.1 Die Abbildung unten stellt die auf der Erde jährlich verfügbaren Energieformen und den Gesamtenergieverbrauch dar. Man sieht deutlich, dass die benötigte Energie lediglich einen kleinen Bruchteil der Sonneneinstrahlung ausmacht. Derzeit wird der Energiebedarf überwiegend von fossilen Energieformen gedeckt. Doch diese konventionellen Brennstoffe sind nur begrenzt vorhanden. Das große Potential der Sonnenenergie ist dabei unbestritten.2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2:Vergleich von Energievorkommen auf der Erde , Quelle: Brigitte Kallmünzer (2008), S.26

2.1.1 Die Sonne als Fusionsreaktor

Die Sonne ist im Prinzip ein riesiger Fusionsreaktor. In ihrem Kern werden Wasserstoffatome (H) mit Heliumatome (He) fusioniert. Der Fusionsprozess benötigt sehr viel Wärme und eine hohe Dichte. So herrscht im Kern der Sonne eine Temperatur von 13 Millionen Kelvin vor. Im Wesentlichen fusionieren lediglich die Atomkerne von Wasserstoff. Um diesen Prozess zu ermöglichen, müssen sich die beiden Atomkerne treffen. Dazu sind die eben erwähnten physikalischen Parameter plus eine hohe Geschwindigkeit, um die Abstoßungskraft der positiv geladenen Kerne zu überwinden notwendig.

Die im Kern produzierte Energie benötigt 170 000 Jahre um an die Oberfläche zu gelangen. 3 Von da an kann sich die Lichtstrahlung auf den Weg zur Erde machen. Der mittlere Erdabstand zur Sonne beträgt 149,6 Millionen Kilometer, das ergibt eine Reisedauer des Lichtes von 8,3 min bis es die Erde erreicht. 4 Auf der Erde angekommen, gehen durch Reflexions- und Streuprozesse ca. 50% der angekommenen Strahlungsleistung verloren. Die restliche Strahlung wird in einen direkten und diffusen Teil gegliedert.5

2.1.2 Verbreitung der Solarenergie

Im Jahr 1839 wurde vom Physiker Alexandre-Edmond Becquerel bei einem Experiment erstmals der photoelektrische Effekt bzw. auch Becquerel-Effekt wissenschaftlich festgehalten. Hier wurden 2 identische Elektroden in einen Elektrolyten getaucht und eine Elektrode dabei stärker belichtet. Dabei entstand zwischen den Elektroden eine Potentialdifferenz.6 Es ist zwischen inneren und äußeren Photoeffekt zu unterscheiden. Für die Photovoltaik von Bedeutung ist lediglich der innere Photoeffekt bei dem die Elektronen in einem Festkörper bei Lichteinwirkung in einen energiereichen Zustand übergehen. Die ersten Solarzellen bestanden aus Selen und wurden Ende des 19. Jahrhunderts präsentiert. Auf der Grundlage des p/n-Übergangs konnten in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 6 Prozent entwickelt werden.7

Durch Solarzellen ist es möglich sauberen sowie emissionsfreien Strom zu erzeugen. In den letzten 30 Jahren gewannen Solarzellen immer mehr an Bedeutung. Anfangs wurden Zellen in Taschenrechnern oder Satelliten eingebaut. Inzwischen leisten Solarkraftwerke einen großen Beitrag zur öffentlichen Energieversorgung. Auch in privaten Haushalten kommen Photovoltaiksysteme immer öfter zum Einsatz. Grund für diesen Fokus war die technische Weiterentwicklung monokristalliner Siliziumzellen durch Erhöhung des Wirkungsgrades. Jedoch haben Solarzellen dieser Bauweise ihre physikalische Leistungsgrenze nahezu ausgereizt.8

Anfang der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden die Solarzellen ausschließlich in Satelliten verwendet, da die Aufbereitung des Halbleitermaterials sehr aufwendig war. Erst zu Beginn der Ölkrise in den 70er Jahren konnte man eine terrestrische Ausbreitung von Photovoltaikanlagen forcieren. Auch durch die ablehnende Haltung der Gesellschaft gegenüber Atomkraft bekam die Solarenergie einen enormen Aufschwung. Aber bereits nach der Stabilisierung am Rohölmarkt sowie diverser Mängel an Solarpanelen war der erste Boom vorüber. Durch professionelle Angebote, bessere Wirkungsgrade, den weltweit immer größer werdenden CO2 Ausstoß sowie staatliche Förderungen, wurde der Ausbau von Photovoltaikanlagen bis ins 21. Jahrhundert stark vorangetrieben.9

2.2 Funktionsweise einer Solarzelle

Nun stellt sich die Frage wie eine Solarzelle überhaupt Strom erzeugt. In diesem Kapitel wird ausführlich erklärt welche Komponenten es dafür benötigt und wie die einzelnen Materialien zusammenspielen. Zuerst wird die unbeleuchtete Solarzelle beschrieben.

2.2.1 Halbleiter Grundlagen

Für die Herstellung einer Solarzelle wird ein Halbleiter benötigt. Wie der Name schon vermuten lässt, liegt die Leitfähigkeit zwischen denen von Metallen und Isolatoren. Bei hohen Temperaturen nimmt die Leitfähigkeit zu, in der Nähe des absoluten Nullpunktes ist fast keine Leitfähigkeit mehr vorhanden.

Um die Funktionsweise einer Solarzelle zu verstehen ist es wichtig zu wissen, wie der Halbleiter als Festkörper funktioniert. In solchen Halbleitern befinden sich 2 verschiedene Energiebänder, das Valenzband und das Leitungsband. Die jeweiligen Energiebänder werden zusammengefasst betrachtet, da hier durch mehrere Atome sogenannte Wechselwirkungen entstehen. Die beiden Energiebänder befinden sich auf verschiedenen Energieniveaus. Beim absoluten Nullpunkt. befinden sich alle Elektronen im Valenzband. Zwischen den Bändern herrscht ein Abstand, dieser wird als Bandlücke bezeichnet. Die verschiedenen Halbleiter haben alle einen unterschiedlichen Bandabstand. Auch die Anzahl der für die Energieübertragung zur Verfügung stehenden Elektronen im Valenzband ist unterschiedlich. Der Bandabstand wird in Elektronenvolt [eV] gemessen. Im Siliziumkristall beträgt er beispielsweise 1,1eV. Um jetzt ein Elektron in das Leitungsband zu heben muss es mindestens die Energie aufnehmen die die Bandlücke beträgt. Das geschieht durch Erwärmung oder Bestrahlung mit Licht. Bei geringer werdendem Bandabstand erhöht sich die Leitfähigkeit des Materials und umgekehrt. Die Abbildung 3 veranschaulicht Leiter, Halbleiter und Isolatoren aufgrund des Bandabstandes.10

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Vergleich der Bandlücken von Metallen, Halbleiter und Isolatoren, Quelle: Holger Göbel (2015), S.35

2.2.2 Aufbau der Solarzellen

Zur Erklärung wird Silizium als Ausgangsmaterial betrachtet, da es auch in den meisten Anwendungsfällen verwendet wird. Um elektrische Energie erzeugen zu können werden freie Ladungsträger benötigt, also Elektronen die Verbrauchern zugeführt werden können.11

2.2.2.1 Dotierung und p/n -Übergang

Der Kern der Solarzelle besteht aus einer p- und n-dotierten Siliziumschicht. Die n-dotierte Schicht ist 1μm dick, die p-dotierte Schicht ca. 200μm. Ein Siliziumatom hat 4 Außenelektronen im Valenzband die zum Ladungstransport verwendet werden können. Phosphor wird in der n-dotierten Schicht beigemischt um eine gezielte Verunreinigung zu erzeugen. Da Phosphor 5 Außenelektronen besitzt ist bei einer Mischung mit Silizium ein Elektron zu viel. Durch diesen Vorgang werden freie Elektronen erzeugt, weshalb es auch n-dotierte Schicht genannt wird. In der p-dotierten Schicht ist das genau konträr. Hier werden Bor Atome zur Siliziumschicht beigemischt. Das Bor Atom hat nur 3 Elektronen, daher fehlt ein Außenelektron für die vierte Atombindung an Silizium. Hier entstehen folglich freibewegliche, positive Lücken. Durch die unterschiedliche Ladung der einzelnen Schichten ziehen sie sich nun gegenseitig an, was zu Diffusionsströmen führt. Diesen Strömen wirken die in den beiden Schichten festsitzenden ionisierten Atome entgegen und bilden eine Raumladungszone. Im unbeleuchteten Zustand gleichen sich die Feld- und Diffusionsströme nahezu aus, was zu einer Armut an freien Ladungsträgern führt.

Trifft nun Licht an die Grenzschicht bzw. Raumladungszone werden Elektronen-Loch-Paare vom Bor Atom wieder getrennt. Die Elektronen wandern Richtung äußerste Schicht der n-dotierten Zone.12 Damit man mit diesem Effekt schließlich Strom aus der Zelle generieren kann, benötigt man Metallkontakte die später mittels Kabel an einem Verbraucher oder Wechselrichter angeschlossen werden können. Um eine größtmögliche Absorption des Sonnenlichtes zu gewährleisten, wird an der Oberseite oder p-dotierten Schicht eine Titanoxidfolie gepresst. Es werden aber auch Antireflexschichten aus Siliziumnitrit angebracht. Darüber kommt der zweite Metallkontakt, der aber lediglich aus dünnen Streifen besteht. Die freigewordenen Elektronen fließen nun über die n-Schicht zum Verbraucher und werden anschließend wieder in die p-Schicht eingeschleust und rekombinieren wiederum mit den freien Löchern. Bei Abbildung 4 wird das Funktionsprinzip und der Grundaufbau der Solarzelle graphisch dargestellt. Hier ist der Rekombinationsprozess klar zu sehen13

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: schematischer Aufbau einer Solarzelle mit p-n Übergang und Dotierung, Quelle: Wesselak/Voswinckel (2012), S.35

2.2.3 Eigenschaften einer Solarzelle

In diesem Unterkapitel wird erklärt unter welchen Bedingungen die Solarzellentypen miteinander verglichen werden können.

2.2.3.1 Lichtspektrum

Die Umwandlung von Licht in Strom ist von Solarzelle zu Solarzelle unterschiedlich. Je nach Halbleitertyp wird ein anderes Spektrum von Licht zur Umwandlung herangezogen. Aufgrund dessen werden auch verschieden hohe Spannungswerte erzielt.

2.2.3.2 Wirkungsgradvergleich

Um den Wirkungsgrad der PV-Zellen bestimmen und vergleichen zu können, müssen Standardtestbedingungen geschaffen werden. Dafür wurden mehrere Parameter zur Berechnung festgelegt. Da Temperatur und Lichtstärke sich stetig ändern, wurden konstante Werte zur Berechnung geschaffen. Zum einen beträgt hier die Temperatur der Zelle 25°C, zum anderen die Lichtintensität 1000 W/m². Dieser Wert der Lichtintensität wird bei einer Air-Mass-Zahl, die im nächsten Kapitel näher erläutert wird von 1,5 erreicht.

2.2.3.3 Air-Mass-Zahl (AMZ)

Die Air-Mass-Zahl beschreibt die Länge der Wegstrecke, die das Sonnenlicht bis zum Erdboden zurücklegt. Mit größer werdender Wegstrecke nimmt die Intensität der Sonnenstrahlung ab. Grund dafür sind diverse Reflexionen, Absorptionen und Streuungen. Auch die spektrale Zusammensetzung des Lichts verändert sich dadurch. Um ein Referenzspektrum zu schaffen wird eine AMZ von 1,5 zur Wirkungsgradbestimmung herangezogen.14 Diese spektrale Zusammensetzung wird dabei genau bei 48° Einstrahlwinkel zur Erdoberfläche erreicht.

2.2.3.4 Maximum-Power-Point (MPP)

Der MPP beschreibt die maximal erzielbare Leistung einer Solarzelle. Dabei ist zu erwähnen, dass sich die Zunahme des Stroms proportional zur Lichteinstrahlung verhält, jedoch hat diese Zunahme nur geringen Einfluss auf die Leerspannung. Bei ansteigender Temperatur nimmt die Leerlaufspannung rapide ab. Um einen MPP zu erhalten, müssen der Strom und die Spannung möglichst hoch sein. Die folgende Abbildung stellt die Ermittlung eines MPP graphisch dar15 Da sich Temperatur und Lichteinstrahlung ständig ändern, werden in Wechselrichtern bzw. Mikroprozessoren spezielle elektronische Schaltungen zum MPP-Tracking verwendet16

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: U/I Kennlinie und MPP Darstellung , Quelle: Dieter Meissner (1993), S.187

2.2.3.5 Formeln

In diesem Kapitel werden Werte ermittelt, die für Kapitel 4 von essentieller Bedeutung sind. Zunächst werden die Formeln allgemein erklärt. Danach werden anhand der ausgewählten Datenblätter der verschiedenen PV-Paneele die spezifischen Werte ermittelt.

Wie schon zu Beginn erwähnt wurde, werden zur Berechnung die 4 häufigsten, am Markt vorkommenden, Solarzellentypen herangezogen.

Die wichtigsten Kennwerte werden anschließend einzeln erklärt. Dieser Vorgang ist enorm wichtig um ein klares Verständnis für die jeweiligen Formeln zu erhalten.

Wie unter Punkt 2.3.3.2 beschrieben, werden die Berechnungen unter Standardtestbedingungen durchgeführt.

Kurzschlussstrom (IK)

Bei diesem Strom handelt es sich um den Stromfluss einer widerstandsfreien (Leitungswiderstand ist vernachlässigbar) Verbindung zwischen einer Spannungsquelle. Die Spannung ist hierbei verschwindend gering.

Leerlaufspannung (UL)

Hier wird die offene Spannungsquelle gemessen. Das heißt, es ist kein Verbraucher angeschlossen. Daher ist die Leerlaufspannung UL gleich der Quellenspannung UQ17

Maximale Spannung (UMPP)

Im Betrieb die maximale, erzielbare Spannung. Spannung am Punkt der maximalen Leistung

Maximaler Strom (IMPP)

Im Betrieb der maximale, erzielbare Strom. Strom am Punkt der maximalen Leistung

Maximale Leistung (PMPP)

Produkt aus UMPP und IMPP. Diese Leistung kann das PV-Panel bei optimalen Bedingungen produzieren.

PMPP = UMPP*IMPP

Füllfaktor (FF)

Der Füllfaktor stellt PMPP mit dem Produkt von IK und UL gegenüber. Der Wert ist klarer Weise immer unter 1. Je näher sich der Wert des Füllfaktors an 1 nähert, desto effizienter arbeitet die Solarzelle. Der Füllfaktor ist ein wichtiges Maß um den Modulwirkungsgrad zu berechnen.

Fläche

Produkt aus Länge und Breite des PV-Panels. Der Flächenwert wird ebenfalls in der Formel für den Wirkungsgrad benötigt. Dieser Wert kommt als Divisor in die Formel.

Einstrahlleistung (PEIN)

Wie unter Punkt 2.3.2.3 erwähnt, wird unter Standardtestbedingungen mit einer Einstrahlleistung von exakt 1000 W pro m² gerechnet. Da für die Berechnung zur Verfügung stehenden PV-Paneele unterschiedliche Baugrößen haben, muss dieser Wert auf die jeweilige Fläche des Paneels angepasst werden.

Wirkungsgrad

Für die spätere Nutzwertanalyse wird der Modulwirkungsgrad als Vergleichswert berechnet. Grund dafür ist, realistische Zahlenwerte zu erhalten.

Der Zellenwirkungsgrad ist grundsätzlich immer höher als der Modulwirkungsgrad, da durch die Zusammenschaltung der einzelnen Zellen Leitungswiderstände entstehen.

Hier ist nochmal festzuhalten, dass für jede elektrische Komponente ein Wirkungsgrad errechnet werden kann. Ziel ist es jedoch, die unterschiedlichen Zellentypen bzw. deren Technologie zu vergleichen. Deswegen wird lediglich auf den Modulwirkungsgrad näher eingegangen

Modulwirkungsgrad

Die Formel für den Modulwirkungsgrad lautet:

Bei größer werdender Einstrahlleistung steigt der Kurzschlussstrom linear (bei gleichbleibender Spektralverteilung) mit. Jedoch verändert diese Tatsache nur bedingt die Leerlaufspannung. Der Füllfaktor bleibt konstant. Das bedeutet, dass bei größer werdender Einstrahlleistung der Wirkungsgrad nicht zwangsläufig größer wird, da IK schließlich auch von der Spektralverteilung und der Bestrahlungsstärke abhängt.18

Für die realen Berechnungen in Kapitel 4, werden die Werte von IK und UL aus den jeweiligen Datenblättern für NOCT Bedingungen entnommen

[...]


1 Vgl. Sven Geitmann (2005), S.100

2 Vgl. Brigitte Kallmünzer (2008), S.25

3 Vgl. Wesselak/Voswinckel (2012), S.15 ff.

4 Vgl. Übelacker (1984), S. 11

5 Vgl. Ward, Onlinequelle [08.12.2015]

6 Vgl. Schubert, (1982), S.8

7 Vgl. Wesselak/Voswinckel (2012), S.6 ff.

8 Vgl. Wesselak/Voswinckel (2012), S.2 ff.

9 Vgl. Hackstock, Onlinequelle [08.12.2015]

10 Vgl. Holger Göbel (2014), S.7

11 Vgl. Wesselak/Voswinckel (2012), S.31 ff.

12 Vgl. Wesselak/Voswinckel (2012), S.35 ff.

13 Vgl. Wesselak/Voswinckel (2012), S.35 ff.

14 Vgl. Wesselak/Voswinckel (2012), S.20 ff.

15 Vgl. Kaltschmitt/Streicher/Wiese (2009), S.366 ff.

16 Vgl. Bhaskar/ Lokanadham, Onlinequelle [05.11.2015]

17 Vgl. Diekmann/Rosenthal (2014), S.55

18 Vgl. Dieter Meissner (1993), S.186 ff.

Ende der Leseprobe aus 45 Seiten

Details

Titel
Solarzellen und Photovoltaikanlagen. Grundlagen, Technologien und Materialien
Autor
Jahr
2015
Seiten
45
Katalognummer
V371824
ISBN (eBook)
9783668504813
ISBN (Buch)
9783668504820
Dateigröße
1375 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
solarzellen, photovoltaikanlagen, grundlagen, technologien, materialien
Arbeit zitieren
Matthias Strobl (Autor), 2015, Solarzellen und Photovoltaikanlagen. Grundlagen, Technologien und Materialien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/371824

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