Unsere Energie beziehen wir heutzutage überwiegend aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas und Erdöl. Aufgrund der damit verbundenen Umweltbelastungen spielen erneuerbare Energien eine immer größere Rolle.
Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, wie zum Beispiel Windkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraftwerke, Geothermische Kraftwerke und die Photovoltaiktechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Photovoltaiktechnik und soll einen kurzen Überblick über die Herstellung von Solarzellen bis hin zur kompletten Zusammenschaltung einer Photovoltaikanlage, die ins öffentliche Energienetz einspeisen kann, geben. Auf Optimierungsmöglichkeiten von einzelnen Komponenten, wie die Wechselrichter, wird nicht eingegangen.
Inhaltsverzeichnis
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 Erklärung der Halbleiterbauelemente
3.1 Dotieren von Halbleiterbauelementen
3.2 Das Bändermodell
3.3 Der pn – Übergang
3.4 Der innere Photoeffekt
3.5 Der photovoltaische Effekt
4 Kennwerte einer Solarzelle
4.1 Maximum Power Point – MPP
4.2 Der Füllfaktor – FF
4.3 Der Wirkungsgrad - η
4.4 Temperaturkennlinien
5 Aufbau einer Photovoltaikanlage
5.1 Reihenschaltung von Solarzellen
5.2 Parallelschaltung von Solarzellen
5.3 Schützen 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
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit gibt einen Überblick über die Funktionsweise und Technologie der Photovoltaik. Das Ziel ist es, die physikalischen Grundlagen der Energieumwandlung von Sonnenlicht in Strom zu erläutern, technische Komponenten vorzustellen und die Rahmenbedingungen für den Betrieb von Solaranlagen zu skizzieren.
- Physikalische Grundlagen des photovoltaischen Effekts und Halbleitertechnik.
- Übersicht verschiedener Solarzellentypen und deren Wirkungsgrade.
- Technische Struktur von Photovoltaikanlagen inklusive Wechselrichterkonfigurationen.
- Kriterien für die Standortwahl und Optimierung der Energieausbeute.
- Gesetzliche Rahmenbedingungen und Normen für Netzanschluss und Einspeisung.
Auszug aus dem Buch
3.3 Der pn – Übergang
Fügt man n-dotiertes und p-dotiertes Silizium zusammen, entsteht der sogenannte pn - Übergang. An der Grenzfläche der unterschiedlichen dotierten Kristalle, wandern nun die Elektronen aus dem n-Bereich in den p-Bereich und besetzen dort die Löcher. Dieser Vorgang geschieht bis zu einer gewissen Tiefe. Es bildet sich die sogenannte Raumladungszone aus.
Durch das Abwandern der Elektronen aus dem n-Bereich wird dieser nun leicht positiv geladen, da die positiven Atomrümpfe zurückbleiben. Im p-Bereich werden die Löcher von Elektronen des n-Bereichs ausgefüllt. Dadurch steigt die Zahl der negativen ladungsträger und der p-Bereich wird leicht negativ geladen. Durch diese Ladungstrennung ist nun ein elektrisches Feld entstanden, welches eine Spannung zu Folge hat. Diese Spannung wird auch Diffusionsspannung genant und liegt bei Silizium zwischen 0,6 – 0,7V. Da das N-Gebiet positiv geladen ist, zeigt die Diffusionsspannung von N nach P.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Allgemeines: Einführung in die Historie und die grundlegenden Funktionsprinzipien der Photovoltaik sowie Definition der standardisierten Testbedingungen.
2 Die Solarzelle: Detaillierte Betrachtung verschiedener Zelltypen wie monokristalline, polykristalline und Dünnschichtzellen sowie deren spezifische Eigenschaften.
3 Erklärung der Halbleiterbauelemente: Physikalische Erklärung der Leitfähigkeit, Dotierung, des Bändermodells und des photovoltaischen Effekts innerhalb der Halbleiter.
4 Kennwerte einer Solarzelle: Beschreibung der elektrischen Messgrößen, der Wirkungsweise von Kennlinien und der Bedeutung des Maximum Power Point (MPP).
5 Aufbau einer Photovoltaikanlage: Darstellung der Verschaltungsmöglichkeiten von Solarzellen zu Modulen und Maßnahmen zur Vermeidung von Schäden durch Teilverschattung.
6 Wechselrichter: Analyse der Rolle von Wechselrichtern zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom sowie Vergleich von String- und Zentralwechselrichtern.
7 Einspeisung von Solaranlagen: Gegenüberstellung von Inselsystemen und netzgekoppelten Anlagen sowie deren grundlegender technischer Aufbau.
8 Erneuerbare Energien Gesetz – EEG: Erläuterung der aktuellen Vergütungsstrukturen für Solarstrom aus unterschiedlichen Anlagentypen und Leistungsklassen.
9 Richtlinien und Normen in der Elektrotechnik: Überblick über die geltenden Normen, Sicherheitsanforderungen und Richtlinien für die Installation von PV-Anlagen in Deutschland.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Sonnenenergie, Solarzelle, Halbleiter, pn-Übergang, Silizium, Wirkungsgrad, MPP, Wechselrichter, Netzkopplung, Erneuerbare Energien Gesetz, EEG, Elektronen-Loch-Paarbildung, Strahlungsleistung, Modulverschaltung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die grundlegende Technologie der Photovoltaik, von der physikalischen Umwandlung von Licht in Strom bis hin zur technischen Ausführung und wirtschaftlichen Einspeisung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zu den zentralen Themen gehören die Halbleiterphysik, Solarzellentypen, Anlagenkonfigurationen, Wechselrichtertechnik sowie gesetzliche Rahmenbedingungen für den Betrieb von Solaranlagen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, ein Verständnis für die Funktionsweise und die technische Umsetzung photovoltaischer Systeme in Deutschland zu vermitteln.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine grundlagenorientierte, technische Dokumentation, die auf physikalischen Prinzipien und existierenden technischen Normen und Richtlinien basiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden die physikalischen Effekte in Halbleitern, die Kennlinien von Solarzellen, der Aufbau von Solarmodulen sowie die Integration in das öffentliche Stromnetz detailliert erläutert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist durch Begriffe wie Photovoltaik, Silizium, Wirkungsgrad, Wechselrichter, MPP, EEG und Halbleitertechnik charakterisiert.
Welche Bedeutung haben die STC-Bedingungen für Solarmodule?
Die STC-Bedingungen dienen als standardisierte Messbasis, um die Leistung verschiedener Module unter vergleichbaren Bedingungen (Einstrahlung, Temperatur, Luftmasse) bewerten zu können.
Warum ist die Beschattung für Solarmodule kritisch?
Partielle Beschattung kann zu Hot-Spots führen, die das Zellmaterial beschädigen können. Bypassdioden werden eingesetzt, um den betroffenen Teil zu überbrücken und Schäden zu vermeiden.
Was unterscheidet Stringwechselrichter von Zentralwechselrichtern?
Während ein Zentralwechselrichter den gesamten Strom eines Solargenerators wandelt, wird bei Stringwechselrichtern jeder Strang separat angeschlossen, was die Auswirkungen von Verschattungen auf den Gesamtertrag reduziert.
Welche Rolle spielt das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) für Betreiber?
Das EEG regelt die Einspeisevergütung für Solarstrom über einen Zeitraum von 20 Jahren, was Planungssicherheit für Betreiber von Photovoltaikanlagen schafft.
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- Dipl. - Ing. Kevin Drews (Author), 2005, Photovoltaik und die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Erneuerbare Energien für eine bessere Zukunft, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/62383
