Photovoltaik und die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Erneuerbare Energien für eine bessere Zukunft

Inhalt

1 Allgemeines
1.1 STC - Bedingungen
1.1.1 Air Mass
1.2 Die Sonnenstrahlung
1.3 Die Sonnenstrahlung auf der Erde
1.4 Standortwahl einer PV - Anlage

2 Die Solarzelle
2.1 Solarzellentypen
2.1.1 Monokristalline Siliziumzelle
2.1.2 Polykristalline Siliziumzelle
2.1.3 Amorphe Siliziumzelle
2.1.4 GaAs - Zellen
2.1.5 CdTe - Zellen
2.1.6 CIS - Zellen

3 Erklarung der Halbleiterbauelemente
3.1 Dotieren von Halbleiterbauelementen
3.2 Das Bandermodell
3.3 Der pn - Ubergang
3.4 Der innere Photoeffekt
3.5 Der photovoltaische Effekt

4 Kennwerte einer Solarzelle
4.1 Maximum Power Point - MPP
4.2 Der Fullfaktor - FF
4.3 Der Wirkungsgrad - n
4.4 Temperaturkennlinien

5 Aufbau einer Photovoltaikanlage
5.1 Reihenschaltung von Solarzellen
5.2 Parallelschaltung von Solarzellen
5.3 Schutzen der Solarmodule bei Abschattungen
5.4 Zusammenschaltung von Solarmodulen

6 Wechselrichter
6.1 Wechselrichtertypen
6.1.1 Stringwechselrichter
6.1.2 Zentralwechselrichter

7 Einspeisung von Solaranlagen
7.1 Inselsystem
7.2 Netzgekoppelte Systeme

8 Erneuerbare Energien Gesetz - EEG

9 Richtlinien und Normen in der Elektrotechnik 9.1 Sonstige Richtlinien und Regelungen

Abkurzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgabenstellung

Die Firma LOS Elektrobau GmbH aus O. beschaftigt sich seit cirka drei Jahren mit der Photovoltaiktechnik. Fur die Planung, Errichtung und Abnahme ist in unserem Haus Herr C. angestellt.

Der Student Kevin Drews arbeitet in seinem 4. Praxissemester vom 27.06.05 bis 30.09.05 in dem Projektteam Adler, welches sich mit der Errichtung von Photovoltaikanlagen spezialisiert hat. Aus diesem Grund wird Herr Drews eine Belegarbeit anfertigen, welche sich mit der Photovoltaiktechnik befasst. Folgende Schwerpunkte sind in der Belegarbeit zu erwahnen.

- Grundlagen der Photovoltaiktechnik
- Standortwahl von Photovoltaikanlagen
- Modulaufbau
- Betriebs -/ Einspeisearten
- Vergutungen nach EEG

Herr Drews hat in unserer Firma alle Moglichkeiten und Voraussetzungen um diese Belegarbeit anzufertigen.

Mit freundlichen GruGen

Dietrich S.

- Geschaftsfuhrer -

Autorenreferat

Drews; Kevin: Photovoltaik, Berufsakademie Sachsen, Staatliche Studienakademie Bautzen, Studienrichtung Elektrotechnik, 2.Belegarbeit, (2005).

41 Seiten, 4 Literaturquellen, lAnlage

Unsre Energie beziehen wir heutzutage uberwiegend aus fossilen Energietragern wie Kohle, Erdgas und Erdol. Aufgrund der damit verbundenen Umweltbelastungen spielen erneuerbare Energien eine immer groGere Rolle. Dabei gibt es verschiedene Moglichkeiten der Energiegewinnung, wie zum Beispiel Windkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraftwerke, Geothermische Kraftwerke und die Photovoltaiktechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Photovoltaiktechnik und soll einen kurzen Uberblick uber die Herstellung von Solarzellen bis hin zur kompletten Zusammenschaltung einer Photovoltaikanlage, die ins offentliche Energienetz einspeisen kann geben. Auf Optimierungsmoglichkeiten von einzelnen Komponenten, wie die Wechselrichter, wird nicht eingegangen.

1 Allgemeines

Die Photovoltaik ist eine Technologie, welche die Sonnenstrahlung direkt in Strom umwandelt. Die Grundlagen dieser Technologie sind bereits mehr als 150 Jahre bekannt. Als erster beobachtete Edmond Becquerel (*1820, +1891) im Jahre 1839 den photovoltaischen Effekt. Bei einem Versuch , in dem er zwei Metallplatten in eine verdunnte Saure tauchte, bemerkte er, dass dieses galvanische Element mehr Energie erzeugte, wenn es der Sonnenstrahlung ausgesetzt war. Mit Hilfe einer Selenzelle wies Charles Fritts diesen Effekt ein halbes Jahr spater nach. Die sogenannte Solarzelle war geboren. Diese Zelle hatte aber nur einen Wirkungsgrad von ca. 2% und war wegen den enormen Kosten von Selen sehr teuer. Daher blieb diese Technik vorerst ohne Bedeutung. 1955 gelang einem amerikanischen Labor die Herstellung einer Silizium-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 6%. 1958 begann die technische Anwendung in der Raumfahrt. Heute werden Solarstromanlagen zur Versorgung von elektrischen Einrichtungen unterschiedlichster Leistung, vom Solar-Taschenrechner im Mittelwattbereich bis zu Systemen mit mehreren MW (Mega Watt) Leistungen zur Netzeinspeisung eingesetzt. Man unterscheidet in Inselanlagen und Anlagen mit Netzkopplung, welche ins offentliche Energienetz einspeisen. Der Name Photovoltaik setzt sich aus den Bestandteilen Photos- das griechische Wort fur Licht, und Volta- nach Alessandro Volta, einem italienischen Physiker zusammen.

1.1 STC - Bedingungen

Die Einstrahlung der Sonne ist keine konstante GroGe, sondern unterliegt Schwankungen im Tages- und Jahresverlauf. Um dennoch eine Vergleichbarkeit der elektrischen Kennwerte von Solarzellen oder Solarmodulen zu ermoglichen wurden die STC - Bedingungen (STC, engl.: standart-test- condition) entwickelt. Diese Bedingungen geben die Spitzenleistung eines Solarmoduls, bei konstanten Werten der Beleuchtungsstarke (E) von 1000W/m2, der Zellentemperatur (T) von 25°C und einer Luftmasse (AM) von 1,5 vor.

Die Leistungsangabe 1kWp (kiloWattpeak) bezieht sich auf 1000W/m2 Sonneneinstrahlung, 25°C Zellentemperatur und einer Luftmasse von AM1,5.

1.1.1 Air Mass

AM bedeutet Luftmasse (engl.: Air Mass) und beschreibt die unterschiedlichen Atmospharenverhaltnisse, welches das Sonnenlicht von der Sonne bis zur Erdoberflache durchlauft. Dabei nimmt die Strahlungsleistung des Sonnenlichts ab. Bei einem AM von 1 nimmt das Sonnenlicht den direkten Weg durch die Erdatmosphare. AM von 0 befindet das Sonnenlicht im Weltraum. Der wichtigste Standartwert ist AM 1,5. Dies entspricht einer Strahlenleistung von 1000Wm2.

Bereich der Sonnenstande in Deutschland

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.2 Die Sonnenstrahlung

Die Sonne hat einen Durchmesser von 1,4Millionen km und die Entfernung zur Erde betragt 150 Millionen km. Jahrlich trifft etwa das 20.000fache der benotigten Weltjahresenergie in Form von Sonnenenergie auf die Erdoberflache. Das bedeutet, dass taglich fast 50mal mehr Energie von der Sonne auf die Erde gestrahlt wird , als die Menschheit in einem Jahr verbraucht (stand 1998 Quelle:www.wikipedia.org). Die Sonnenstrahlung setzt sich aus verschiedenen Wellenlangen und Frequenzen zusammen. Diese sind fur das menschliche Auge nur teilweise sichtbar. Die sichtbare Strahlung nennt man auch das Regenbogenspektrum. Weiterhin gibt es Infrarot- (IR) und Ultraviolett- (UV) Strahlung. Addiert man diese Leistungen des UV-Lichts, des IR-Lichts und des sichtbaren Lichts, so erhalt man die sogenannte Solarkonstante. Der Mittelwert fur die Solarkonstante E0 wurde 1982 von der World Meteorological Organisation in Genf auf 1367 W/m2 festgelegt.

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1.3 Die Sonneneinstrahlung auf der Erde

Die Sonneneinstrahlung auf der Erde setzt sich zusammen aus den Sonnenscheinstunden und der Globalstrahlung (G). Eine Sonnenstunde, ist eine Stunde direkter Sonneneinstrahlung von mindestens 200W/m2. In Deutschland betragt die Sonnenscheindauer etwa 1400 bis 2000 Stunden pro Jahr. Die Globalstrahlung setzt sich zusammen aus der diffusen Strahlung und der direkten Sonneneinstrahlung. Diffuse Strahlung ist die Addition der Reflexionsstrahlung, zum Beispiel an Bergen und der Himmelsstrahlung zusammen.

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Abb. 2: Darstellung der Sonneneinstrahlung vom Weltraum bis auf die Erdoberflache

Auf der Erdoberfläche schwankt die Globalstrahlung im Laufe der Tages- und Jahreszeiten und variiert je nach Breitengrad und Witterung. In Deutschland liegt die Globalstrahlung zwischen 900 und 1200 kWh/m². (siehe Strahlenkarte Deutschland)

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Abb. 3: Strahlungskarte Deutschland

1.4 Standortwahl einer PV-Anlage

Zur allgemeinen Wahl des Standortes, neben der Betrachtung des Sonnenangebots beim Aufstellort der Photovoltaikanlage, ist die Beschattung durch Bäume, Gebäude, Masten, Schornsteine und Antennen sehr zu berücksichtigen. Des weiteren ist zu beachten die Verschmutzung der Solarmodule durch Industriestaub und Vogelkot. Für die Aufstellung einer PV-Anlage ist die genaue Kenntnis des Sonnenverlaufs in Abhängigkeit vom Ort auf der Erde, der Tageszeit und Jahreszeit von Bedeutung. Zur effektiven Nutzung der Sonnenstrahlung werden Module so ausgerichtet, dass die Sonneneinstrahlung möglichst groß ist. Hierbei spielen neben dem Einfallswinkel der Sonne auch der Azimutwinkel und der Neigungswinkel der Module eine Rolle. Der Neigungswinkel betrifft die Abweichung von der Horizontalen. Untersuchungen belegen, dass Solaranlagen mit einem Neigungswinkel um 30° optimal ausgerichtet sind (siehe Abb. 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Darstellung der Sommer- und Wintersonnenwende und des Neigungswinkel

Der Azimutwinkel gibt an, wie viel Grad die Modulflächen von der exakten Südausrichtung abweichen. In Abbildung 2 ist die Ausrichtung der Solarmodule und der Leistungsausbeute, in Abhängigkeit des Azimutwinkel und des Neigungswinkels dargestellt. Diese Abweichungen haben natürlich gewisse Leistungseinbusen zufolge, da eine Solarzelle ihre optimale Leistungsabgabe nur unter den STC - Bedingungen erfüllt und die Sonnenstrahlung senkrecht zum Sonnenmodul einwirken muss.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Darstellung der Abhängigkeit des Azimutwinkel, Neigungswinkel und der daraus resultierenden Ertragswerte

Abbildung 3 soll den Sonnenverlauf eines Tages in Abhängigkeit der Ertragswerte verdeutlichen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Darstellung des Sonnenverlaufs eines Tages

2 Die Solarzelle

Die direkte Umwandlung von Licht in elektrische Energie erfolgt durch Solarzellen. Hierzu werden großflächige Halbleiterbauelemente wie Silizium, Gallium-Arsenid, Kadmium-Tellurit oder Kupfer-Indium-Diselenid eingesetzt. Der größte Teil der derzeit hergestellten Solarzellen besteht aus Silizium. Seit über 40 Jahren werden diese Zellen weiterentwickelt und erreichen heutzutage Wirkungsgrade bis zu 18 Prozent. Man unterscheidet im wesentlichen 3 Arten von Silizium Solarzellen. Monokristalline Siliziumzellen, polykristalline Siliziumzellen und amorphe Zellen.

2.1 Solarzellentypen

2.1.1 Monokristalline Siliziumzelle

Monokristalline Zellen werden meist aus einem Rohling mit ca. 10cm Durchmesser, scheibenförmig und nur 0,3mm dick herausgesägt. Nach der sogenannten Verunreinigung der Siliziumscheibe für die Verwendung als Solarzelle, werden schmale Silberstreifen, für die spätere Energieabnahme, auf die Oberflache aufgebracht. Das Endprodukt nennt man den sogenannten Wafer. Diese Solarzellen besitzen einen hohen Wirkungsgrad bis 16Prozent und eine lange Lebensdauer von ca. 20 Jahren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: verschiedene Waferbauformen

2.1.2 Polykristalline Siliziumzelle

Die polykristallinen Zellen werden durch das sogenannte Blockgießverfahren hergestellt. Dies wird am häufigsten genutzt. Dabei entstehen Siliziumblöcke, die erst in Stangen und dann in 0,3 mm dicke Wafer gesägt werden. Anschließend werden die Wafer mit Stromabnahmelinien auf der Vorderseite und mit einer Antireflexschicht auf der Rückseite versehen. Bei dem Blockgießverfahren bilden sich Kristalle unterschiedlicher Orientierung aus. Diese lassen sich an der Oberfläche gut erkennen. Nachteil dieses Wafer ist der etwas geringern Wirkungsgrad von ca. 13Prozent.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 8: Darstellung der Kristallausbildung

2.1.3 Amorphe Siliziumzellen

Bei der Herstellung von Amorphen Zellen werden photoaktive Halbleiter als dünne Schichten auf ein Trägermaterial, wie Glas, Kunststoff oder Metall aufgebracht. Die Größen dieser Zellen sind frei auswählbar. Nachteil ist ihr zu geringer Wirkungsgrad von bis zu 8Prozent. Anwendung finden diese Dünnschichtzellen zum Beispiel in Armbanduhren oder Taschenrechnern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 9: Darstellung einer Dünnschichtzelle

2.1.4 GaAs-Zellen

Gallium – Arsenid - Zellen besitzen einen hohen Wirkungsgrad, sind sehr temperaturbeständig, haben geringerer Leistungsabfälle bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, sind aber noch sehr teuer in der Herstellung und werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt.

2.1.5 CdTe – Zellen

Kadmium –Tellurit – Zellen sind sehr günstig herstellbar. Bei einer Laborsolarzelle sind schon etwa 16% erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade liegen aber bisher noch deutlich unter 10 %. Die Formen der Module sind frei wählbar und haben meist eine dunkelgrün spiegelnde bis schwarze Farbe.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 10: Darstellung eines CdTe – Moduls

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