Photovoltaik wird die Basis für eine neue Energiewirtschaft, umweltgerecht und weltumspannend. Photovoltaik ist eine junge Technik und hat das große Potential sich durchzusetzen.
Die Anwendungsbreite ist riesig, jedoch beträgt ihr Anteil an der hiesigen Stromerzeugung unter einem Prozent.
Elektrizität direkt aus dem Sonnenlicht zu gewinnen, wobei keine Schadstoffe entstehen, keine umständliche Aufbereitung notwendig ist und auch kein Lärm entsteht, ist für viele Menschen faszinierend.
Von den Menschen selbst wird es abhängen, ob eines Tages der Übergang zur solaren Weltwirtschaft geschafft wird und ob es gelingt die Energiequelle „Sonne“ in globalem Stil anzuzapfen, die die Erde seit Milliarden von Jahren mit Energie zum Nulltarif versorgt. Nur ein geringer Teil ihrer gesamten Strahlung fällt auf unsere Erde, aber immer noch 10000 mal mehr Energie als wir verbrauchen.
Photovoltaik ist eine Möglichkeit Energie zu gewinnen, die nicht umweltschädlich ist. Sie nutzt eine Energiequelle, die für menschliche Verhältnisse unendlich lange zur Verfügung steht. Um sie müssen keine Kriege geführt werden und sie verursacht keine Umweltkatastrophen. Viele unserer ökologischen Probleme sind Folgen der bisherigen Energieversorgung. Das Waldsterben durch Schwefeldioxid, Klimaveränderungen durch Kohlendioxid, Radioaktivität aus Atomkraftwerken, Meeresverschmutzung durch Tankerunfälle u.s.w. sind Folgen einer einseitigen und durch Lobbyismus beherrschten Energiewirtschaft. Der begrenzte und immer knapper werdende Bestand an fossilen Ressourcen wie Kohle, Erdöl und Erdgas zwingt nun auch diese Energiewirtschaft zum Umdenken. So werden sämtliche, von den Menschen zugänglichen Vorkommen an fossilen Energieträgern bereits im 21.Jahrhundert aufgebraucht und lediglich die Kohlevorräte noch über einen etwas längeren Zeitraum verfügbar sein. Somit werden wenige Generationen sämtliche fossilen Vorräte der letzten Jahrmillionen vollständig ausgebeutet haben.
Die Sonne als natürliche Energiequelle bietet uns Alternativen zur konventionellen Energieversorgung. Photovoltaik, die direkte Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht, ist eine der Alternativen. Sie ist eine bereits heute ausgereifte Technologie. Allerdings wird die Photovoltaik alleine das Energieproblem der Zukunft nicht lösen können. Es muss ein gesunder Mix aus allen regenerativen Energien (Solar, Wind, Wasser, Biomasse, Erdwärme, Brennstoffzellen, u.s.w.) entwickelt und gemeinsam genutzt werden.
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips
2.1 PV-Anlagen, Strom aus Sonnenlicht
2.1.1 Warum Sonnenstrom?
2.1.2 Überblick
2.1.3 Inselsysteme
2.1.4 Netzgekoppelte Systeme [2]
2.2 Sonnenstrahlung
2.2.1 Verteilung der Sonnenstrahlung
2.2.2 Sonnenstand und Einstrahlung auf Photovoltaikanlagen
2.3 Photovoltaischer Effekt [3], [4]
2.3.1 Funktionsprinzip einer Solarzelle
2.3.2 Aufbau einer Solarzelle
3 Herstellungstechnologien und Entwicklungsstand der Photovoltaik [1],[4]
3.1 Einteilung der Zellarten
3.1.1 Zellarten
3.1.2 Kristalline Zellen
3.1.3 Dünnschichtzellen
3.2 Elektrische Eigenschaften und Betriebsverhalten von Solarzellen
3.2.1 Ersatzschaltbilder von Solarzellen
3.2.2 Solarzellenkennlinien
3.2.3 Elektrische Beschreibung von PV-Modulen
4 Problematik der Nachführung von Photovoltaikanlagen
4.1 Warum Photovoltaikanlagen nachführen?
4.2 Einsatzgebiete und Grenzen für Nachführsysteme
5 Planung und Auslegung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage für ein Einfamilienhaus
5.1 Anlagengröße und Modulauswahl
5.2 Wechselrichterdimensionierung
5.4 Netzeinspeisung
5.5 Erdung und Überspannungsschutz
6 Wirtschaftlichkeit
6.1 Ertragsabschätzung
6.2 Ertragsberechnung ohne Kapitalverzinsung
6.3 Ertragsberechnung mit Kapitalverzinsung
7 Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Arbeit verfolgt das Ziel, eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage mit einer Gesamtleistung von 4400 Wp für ein Einfamilienhaus zu planen und auszulegen. Dabei wird die wissenschaftliche Fragestellung behandelt, wie unter Berücksichtigung technischer, wirtschaftlicher und standortspezifischer Faktoren eine effiziente Dimensionierung der Gesamtanlage realisiert werden kann.
- Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips
- Einschätzung des Entwicklungsstandes von Photovoltaik-Technologien
- Analyse der Problematik und Sinnhaftigkeit von Nachführsystemen
- Konzeptionelle Planung und technische Auslegung einer PV-Anlage für ein Einfamilienhaus
- Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter Einbeziehung von Kapitalverzinsung
Auszug aus dem Buch
2.1.4 Netzgekoppelte Systeme [2]
Das Hauptmerkmal einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage ist die wechselstromseitige Anbindung an das öffentliche Stromversorgungsnetz des EVU. Sie zählen zu den Eigenerzeugungsanlagen und müssen nach gültigen Richtlinien an das öffentliche Netz angeschlossen werden. Wichtigster Punkt bei netzgekoppelten Photovoltaikanlagen ist die Netzsicherheit. Es muss unter allen Umständen ein sicheres Abschalten und Trennen vom Netz erfolgen, sobald das Netz ausfällt, abgeschalten wird oder ein Fehler in der Photovoltaikanlage auftritt. Die Netzüberwachung muss daher immer zweifach ausgeführt werden, um eine doppelte Sicherheit zu erreichen.
Die klassische Methode ist die Überwachung von Spannung und Frequenz. Spannungen außerhalb des Bereiches 0,8 UN - 1,1 UN gelten als nicht sicherer Netzbetrieb und müssen somit zur Abschaltung der Photovoltaikanlage führen. Zum Erkennen von Unsymmetrien (z.B. bei Ausfall einer Netzphase) müssen hier auch die verketteten Spannungen überwacht werden (auch bei einphasiger Netzeinspeisung). Bleibt bei Ausfall des öffentlichen Netzes die Spannung innerhalb der vorgegebenen Toleranzen (Einspeiseleistung der Photovoltaikanlage entspricht der Leistungsaufnahme der angeschlossenen Verbraucher im Netz), verändert sich auf jeden Fall die Frequenz (Toleranzbereich 49 Hz - 51 Hz), so dass die Frequenzüberwachung die Anlage trennt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet die ökologische Notwendigkeit einer Energiewende und ordnet die Photovoltaik als ausgereifte, jedoch noch unterrepräsentierte Technologie in den Kontext der zukünftigen Stromerzeugung ein.
2 Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips: Dieses Kapitel erläutert die physikalischen Grundlagen der solaren Stromerzeugung, von der Strahlungsquelle Sonne bis hin zur Unterscheidung zwischen Insel- und netzgekoppelten Systemen.
3 Herstellungstechnologien und Entwicklungsstand der Photovoltaik [1],[4]: Der Fokus liegt hier auf den verschiedenen Zelltechnologien, deren Herstellungsprozessen, den elektrischen Eigenschaften von Solarzellen sowie der Bedeutung des Wirkungsgrads und des Modulaufbaus.
4 Problematik der Nachführung von Photovoltaikanlagen: Das Kapitel analysiert die technische Relevanz von ein- und zweiachsigen Nachführsystemen hinsichtlich ihres Energieertrags gegenüber den damit verbundenen Kosten und Wartungsaufwänden.
5 Planung und Auslegung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage für ein Einfamilienhaus: Hier erfolgt die konkrete Dimensionierung, Modulauswahl und elektrische Auslegung (Wechselrichter, Leitungen) für das beispielhafte Projekt am Einfamilienhaus.
6 Wirtschaftlichkeit: Dieses Kapitel berechnet die Rentabilität der geplanten Anlage unter Berücksichtigung von Ertragsprognosen sowie Investitionskosten, sowohl mit als auch ohne Kapitalverzinsung.
7 Zusammenfassung: Abschließend wird das Potenzial der Photovoltaik als regenerative Energiequelle bewertet und die Bedeutung politischer Rahmenbedingungen wie des EEG für die Marktdurchdringung hervorgehoben.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Solarmodule, Netzkopplung, Energiewirtschaft, Wechselrichter, Solarstrahlung, Wirkungsgrad, Dimensionierung, Eigenerzeugungsanlagen, Erneuerbare-Energien-Gesetz, Wirtschaftlichkeit, Kapitalverzinsung, Netzüberwachung, ENS, Stromerzeugung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der vorliegenden Projektarbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der detaillierten technischen und wirtschaftlichen Planung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage zur Installation auf dem Dach eines Einfamilienhauses.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf den physikalischen Grundlagen der Photovoltaik, der Bewertung unterschiedlicher Zelltechnologien, der Netzüberwachung, der Dimensionierung der elektrischen Komponenten sowie der ökonomischen Amortisationsrechnung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist die Projektierung einer Solarstromanlage mit einer Gesamtleistung von 4400 Wp, die technisch korrekt und wirtschaftlich sinnvoll für ein spezifisches Wohngebäude ausgelegt ist.
Welche wissenschaftlichen Methoden finden Anwendung?
Es werden eine fundierte Literaturanalyse zu solarelektrischen Systemen, eine Verschattungsanalyse mittels Software sowie mathematische Berechnungen zur Leitungsdimensionierung und Wirtschaftlichkeitsrechnung (Annuitätenmethode) verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Einführung zur Halbleiterphysik und zu Zellarten, eine Untersuchung der Nachführungsproblematik sowie eine praxisorientierte Schritt-für-Schritt-Auslegung der Anlage inklusive Wechselrichterwahl und Schutzmaßnahmen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren diese Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Photovoltaik, Netzeinspeisung, Moduldimensionierung, EEG, Wechselrichter, Wirkungsgrad, Netzimpedanz und Wirtschaftlichkeit.
Warum wird für diese Anlage ein Teilgeneratorkonzept verwendet?
Das Teilgeneratorkonzept ermöglicht eine bessere leistungsbezogene Anpassung an eventuelle Teilverschattungen, wodurch ein Teil der Anlage weiterhin mit maximaler Leistung betrieben werden kann, wenn andere Module abgeschattet sind.
Welche Rolle spielt die ENS (Einrichtung zur Netzüberwachung) in diesem Projekt?
Die ENS ist entscheidend für die Netzsicherheit; sie gewährleistet eine automatische und allpolige Netztrennung bei Ausfall des öffentlichen Stromnetzes oder technischen Fehlern in der Photovoltaikanlage.
- Arbeit zitieren
- Roald Naundorf (Autor:in), 2001, Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage mit netzgekoppeltem Betrieb, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/4000
