Unsere Energie beziehen wir heutzutage überwiegend aus fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas und Erdöl. Aufgrund der damit verbundenen Umweltbelastungen und dem Rückgang fossiler Energieträger spielen erneuerbare Energien eine immer größere Rolle. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, wie z.B. Windkraft, Wasserkraft, Gezeitenkraftwerke, geothermische Kraftwerke und die Photovoltaik.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Photovoltaiktechnik. Diese Form der Energieerzeugung beruht auf dem Prinzip, Sonnenlicht direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Die solare Stromversorgung ist auf dem Weg, eine Basistechnologie für die Stromversorgung von morgen zu werden.
Einführend wird ein Überblick über unterschiedliche Solarzellentypen sowie deren Herstellung gegeben. Weiterhin sind die Aspekte der Standortwahl, Wechselrichter und Einspeisung von Photovoltaikanlagen dargestellt. Aufbauend auf die theoretischen Grundlagen ist ein ausführliches Praxisbeispiel einer komplett installierten Photovoltaikanlage beschrieben. Dabei handelt es sich um eine 30kWp Dachanlage, die in das öffentliche Energienetz einspeist.
Abschließend finden sich allgemeine Hinweise zur Einspeisevergütung, zu Richtlinien und Normen, Versicherungsregelungen und zur derzeitigen Marktentwicklung in Deutschland. Die beigefügte Anlagendokumentation stellt den internen Standard der Firma HBS Elektrobau GmbH dar und bezieht sich speziell auf das beschriebene Praxisbeispiel.
Anliegen dieser Arbeit ist es, eine Zusammenfassung über theoretische Kenntnisse der Photovoltaik zu geben und diese praktisch anzuwenden, so dass die Verknüpfung von Theorie und Praxis gefördert wird. Bestehende Wissenslücken und Unsicherheiten gegenüber der Photovoltaiktechnologie sollen abgebaut werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeines
1.1 STC - Bedingungen
1.2 Air Mass
1.3 Die Sonnenstrahlung
2 Der Solargenerator
2.1 Die Solarzelle
2.1.1 Kristalline Solarzellen und Sonderformen
2.1.2 Solarzellen mit p/n - Übergang
2.1.3 Dotieren von Halbleiterelementen
2.1.4 Das Bändermodell
2.1.5 Der p/n - Übergang
2.1.6 Der innere Photoeffekt
2.1.7 Der photovoltaische Effekt
2.2 Die Solarzellentypen
2.2.1 Monokristalline Siliziumzelle
2.2.2 Polykristalline Siliziumzelle
2.2.3 Amorphe Siliziumzelle
2.2.3.1 CIS - Zellen
2.2.3.2 CdTe - Zellen
2.2.3.3 GaAs - Zellen
2.2.4 Auswertung und Vergleich der Solarzellen
2.3 Kennwerte einer Solarzelle
2.3.1 Maximum Power Point - PMPP
2.3.2 Der Füllfaktor - FF
2.3.3 Der Wirkungsgrad - η
2.3.4 Performance Ratio - PR
2.4 Solarmodul und Solargenerator
2.4.1 Reihenschaltung von Solarzellen
2.4.2 Parallelschaltung von Solarzellen
2.4.3 Zusammenschaltung zum Solarmodul
2.4.4 Schutz der Solarmodule bei Abschattungen
3 Standortwahl einer PV - Anlage
3.1 Modulausrichtung und Nachführung
3.2 Zusammenfassung und Praxisbezug
4 Wechselrichter
4.1 Klassifizierung der Wechselrichter
4.1.1 ENS
4.2 Zentralwechselrichter
4.3 Stringwechselrichter
4.4 Modulwechselrichter
4.5 Inselwechselrichter
5 Einspeisung von PV - Anlagen
5.1 Inselbetrieb
5.2 Netzparallelbetrieb
6 Praxisbeispiel einer Photovoltaikanlage
6.1 Vorbetrachtung zum Projekt
6.2 Unterkonstruktion
6.3 Modulverkabelung
6.4 Generatoranschlusskasten - GAK
6.5 Wechselrichter
6.6 Anschlusskasten - AK
6.7 Zählerplatz
6.8 Blitz- und Überspannungsschutz
6.9 Arbeitsschutz
6.10 Abnahme und Inbetriebnahme
6.11 Wartung und Instandsetzung
6.12 Zusammenfassung
7 Erneuerbare Energien Gesetz - EEG
8 Richtlinien und Normen beim Errichten einer PV-Anlage
8.1 Sonstige Richtlinien und Regeln
9 Versicherung der Photovoltaikanlage
9.1 Sachversicherung
9.2 Haftpflichtversicherung
10 Marktentwicklung der Photovoltaik in Deutschland
10.1 Perspektiven der Photovoltaik in den nächsten Jahren
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der technischen Realisierung einer Photovoltaik-Anlage und verfolgt das Ziel, theoretische Grundlagen der Photovoltaik mit praktischer Anwendung zu verknüpfen, um bestehende Wissenslücken zu schließen. Im Fokus steht die Projektstudie einer 30kWp-Anlage zur Netzeinspeisung als Praxisbeispiel.
- Grundlagen der Photovoltaik-Technik und Solarzellentypen
- Dimensionierung, Standortwahl und Verschattungsanalyse
- Anforderungen an Wechselrichter und Netzanschluss
- Praktisches Beispiel der Projektierung einer PV-Anlage
- Rechtliche Rahmenbedingungen (EEG) und Versicherung
Auszug aus dem Buch
2.4.4 Schutz der Solarmodule bei Abschattungen
In totaler Dunkelheit liefert ein Solarmodul keine Leistung mehr. Dieser Vorgang kommt bei jeder Dämmerung vor und ist vollkommen unbedenklich für das Modul. Kritisch wird es für ein Solarmodul, wenn z.B. eine einzelne Solarzelle abgeschattet wird oder sogar ausfällt. Durch die in Reihe geschalteten Solarzellen eines Moduls fließt ein gemeinsamer Strom. Jede einzelne Zelle trägt mit ihrer Spannung zur Gesamtspannung bei. Durch Abschattung einer in Reihe geschalteten Zelle erzeugt diese keinen Strom mehr. Eine solche Zelle verhält sich wie ein ohmscher Widerstand und kann sich, wenn der Strom der übrigen Zellen hindurchfließt, bis zur Zerstörung erhitzen. Ein so genannter Hot Spot entsteht, der ein Loch in das Zellmaterial schmelzen kann. Um dies zu vermeiden, werden Bypassdioden parallel zu einzelnen Zellen geschaltet. In der Praxis werden nicht zu allen einzelnen Solarzellen Bypassdioden parallel geschaltet, sondern zu einzelnen Strängen (Abb. 32). Durch diese Reihenschaltung der Bypassdioden kann die vorhandene Restleistung des teilverschatteten Moduls noch genutzt werden, was ohne Bypassdiode nicht möglich wäre.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Allgemeines: Einführung in die Geschichte und Technologie der Photovoltaik sowie Erläuterung der Standard-Test-Bedingungen (STC) und meteorologischer Einflussfaktoren.
2 Der Solargenerator: Detaillierte Betrachtung der physikalischen Funktionsweise von Solarzellen, deren Typen, Kennwerten sowie der Verschaltung zu Modulen und Generatoren.
3 Standortwahl einer PV - Anlage: Analyse der Kriterien zur Standortbestimmung, einschließlich Ausrichtung, Neigungswinkel und Methoden zur Verschattungsanalyse.
4 Wechselrichter: Klassifizierung und Anforderungen an Wechselrichter sowie deren entscheidende Rolle als Schnittstelle zwischen Solargenerator und Stromnetz.
5 Einspeisung von PV - Anlagen: Darstellung der Unterschiede zwischen Insel- und Netzparallelbetrieb sowie Auflistung der notwendigen Anmeldeunterlagen für den Versorgungsnetzbetreiber.
6 Praxisbeispiel einer Photovoltaikanlage: Umfassende Dokumentation der Projektierung einer realen PV-Anlage unter Einsatz der Planungssoftware PV-SOL.
7 Erneuerbare Energien Gesetz - EEG: Überblick über die gesetzlichen Vergütungsstrukturen für Solarstrom in Deutschland.
8 Richtlinien und Normen beim Errichten einer PV-Anlage: Zusammenfassung der relevanten DIN- und VDE-Normen sowie Richtlinien für den fachgerechten Anlagenbau.
9 Versicherung der Photovoltaikanlage: Erläuterung der notwendigen Absicherung gegen Eigentums- und Fremdschäden durch Sach- und Haftpflichtversicherungen.
10 Marktentwicklung der Photovoltaik in Deutschland: Rückblick auf die Marktdynamik und Ausblick auf zukünftige Entwicklungen der Photovoltaik-Technologie.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Solargenerator, Solarzelle, Netzparallelbetrieb, Wechselrichter, Modulverkabelung, Ertragsprognose, EEG, Einspeisevergütung, Anlagendimensionierung, PV-SOL, Wirkungsgrad, MPP, Bypassdioden, Standortwahl.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit behandelt die projektmäßige Planung und technische Realisierung einer Photovoltaik-Anlage zur Netzeinspeisung unter Berücksichtigung theoretischer und praktischer Anforderungen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Funktion und Typen von Solarzellen, die Wechselrichtertechnik, die Standortanalyse sowie die gesetzlichen Rahmenbedingungen nach dem EEG.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Verknüpfung von theoretischem Wissen über Photovoltaik mit der praktischen Anwendung, demonstriert an einer konkreten 30kWp-Anlage.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine anwendungsorientierte Projektstudie durchgeführt, wobei zur Dimensionierung und Ertragsprognose die Planungssoftware PV-SOL eingesetzt wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst physikalische Grundlagen, die Anlagentechnik, die Standortwahl, die Wechselrichtertypen sowie ein konkretes, Schritt-für-Schritt erklärtes Praxisbeispiel.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Photovoltaik, Solargenerator, Wechselrichter, Wirkungsgrad, Netzeinspeisung und Anlagendimensionierung.
Welche Rolle spielt die Software PV-SOL im Projekt?
Die Software dient zur präzisen Anlagendimensionierung, Simulation von Erträgen und Überprüfung der technischen Grenzwerte der installierten Komponenten.
Warum wird im Projekt eine Unterkonstruktion mit Stockschrauben verwendet?
Diese Lösung wurde gewählt, um die bestehende Dacheindeckung aus Welleternit nicht direkt zu belasten und gleichzeitig die notwendige Hinterlüftung der Module zu gewährleisten.
Was ist der Zweck der Bypassdioden innerhalb der Solarmodule?
Sie dienen dem Schutz der Solarmodule bei Teilabschattung, indem sie den Strom an der abgeschatteten Zelle vorbeileiten und so die Entstehung von Hot Spots verhindern.
- Quote paper
- Dipl. - Ing. Kevin Drews (Author), 2006, Eine Projektstudie zur Realisierung einer Photovoltaik-Anlage, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/75030
