Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis

von: Konrad Mertens

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2011

ISBN: 9783446429048

Sprache: Deutsch

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Photovoltaik - Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis

	Vorwort	7
	Inhalt	9
	1 Einführung	19
	1.1 Einleitung	19
	1.1.1 Wozu Photovoltaik?	19
	1.1.2 Für wen ist dieses Buch gedacht?	20
	1.1.3 Aufbau des Buches	20
	1.2 Was ist Energie?	21
	1.2.1 Definition der Energie	21
	1.2.2 Einheiten der Energie	22
	1.2.3 Primär-, Sekundär- und Endenergie	23
	1.2.4 Energieinhalte verschiedener Stoffe	24
	1.3 Probleme der heutigen Energieversorgung	25
	1.3.1 Wachsender Energiebedarf	25
	1.3.2 Verknappung der Ressourcen	26
	1.3.3 Klimawandel	27
	1.3.4 Gefährdung und Entsorgung	29
	1.4 Erneuerbare Energien	29
	1.4.1 Die Familie der erneuerbaren Energien	29
	1.4.2 Vor- und Nachteile von erneuerbaren Energien	30
	1.5 Photovoltaik – das Wichtigste in Kürze	31
	1.5.1 Was bedeutet „Photovoltaik“?	31
	1.5.2 Was sind Solarzellen und Solarmodule?	31
	1.5.3 Wie ist eine typische Photovoltaikanlage aufgebaut?	33
	1.5.4 Was „bringt“ eine Photovoltaikanlage?	33
	1.6 Geschichte der Photovoltaik	34
	1.6.1 Wie alles begann	34
	1.6.2 Die ersten echten Solarzellen	35
	1.6.3 From Space to Earth	37
	1.6.4 Vom Spielzeug zur Energiequelle	38
	2 Strahlungsangebot der Sonne	39
	2.1 Eigenschaften der Solarstrahlung	39
	2.1.1 Solarkonstante	39
	2.1.2 Spektrum der Sonne	40
	2.1.3 Air Mass	41
	2.2 Globalstrahlung	42
	2.2.1 Entstehung der Globalstrahlung	42
	2.2.2 Beiträge von Diffus- und Direktstrahlung	43
	2.2.3 Globalstrahlungskarten	45
	2.3 Berechnung des Sonnenstandes	47
	2.3.1 Sonnendeklination	47
	2.3.2 Berechnung der Bahn der Sonne	48
	2.4 Strahlung auf geneigte Flächen	50
	2.4.1 Strahlungsberechnung mit dem Dreikomponentenmodell	50
	2.4.1.1 Direktstrahlung	51
	2.4.1.2 Diffusstrahlung	52
	2.4.1.3 Reflektierte Strahlung	53
	2.4.2 Strahlungsabschätzung mit Diagrammen und Tabellen	54
	2.4.3 Ertragsgewinn durch Nachführung	56
	2.5 Strahlungsangebot und Weltenergieverbrauch	57
	2.5.1 Der Solarstrahlungs-Energiewürfel	57
	2.5.2 Das Sahara-Wunder	58
	3 Grundlagen der Halbleiterphysik	60
	3.1 Aufbau von Halbleitern	60
	3.1.1 Bohrsches Atommodell	60
	3.1.2 Periodensystem der Elemente	62
	3.1.3 Aufbau des Siliziumkristalls	63
	3.1.4 Verbindungshalbleiter	63
	3.2 Bändermodell des Halbleiters	64
	3.2.1 Entstehung von Energiebändern	64
	3.2.2 Unterscheidung in Isolatoren, Halbleiter und Leiter	65
	3.2.3 Eigenleitungsdichte	66
	3.3 Ladungstransport in Halbleitern	67
	3.3.1 Feldströme	67
	3.3.2 Diffusionsströme	69
	3.4 Dotierung von Halbleitern	70
	3.4.1 n-Dotierung	70
	3.4.2 p-Dotierung	71
	3.5 Der pn-Übergang	71
	3.5.1 Prinzipielle Wirkungsweise	72
	3.5.2 Banddiagramm des pn-Übergangs	73
	3.5.3 Verhalten bei angelegter Spannung	75
	3.5.4 Dioden-Kennlinie	76
	3.6 Wechselwirkung von Licht mit Halbleitern	77
	3.6.1 Phänomen der Lichtabsorption	77
	3.6.1.1 Absorptionskoeffizient	77
	3.6.1.2 Direkte und indirekte Halbleiter	78
	3.6.2 Lichtreflexion an Oberflächen	81
	3.6.2.1 Reflexionsfaktor	81
	3.6.2.2 Antireflexbeschichtung	82
	4 Aufbau und Wirkungsweise der Solarzelle	84
	4.1 Betrachtung der Photodiode	84
	4.1.1 Aufbau und Kennlinie	84
	4.1.2 Ersatzschaltbild	86
	4.2 Funktionsweise der Solarzelle	86
	4.2.1 Prinzipieller Aufbau	86
	4.2.2 Rekombination und Diffusionslänge	86
	4.2.3 Was passiert in den einzelnen Zellbereichen?	88
	4.2.4 Back-Surface-Field	90
	4.3 Photostrom	91
	4.3.1 Absorptionswirkungsgrad	91
	4.3.2 Quantenwirkungsgrad	92
	4.3.3 Spektrale Empfindlichkeit	92
	4.4 Kennlinie und Kenngrößen	94
	4.4.1 Kurzschlussstrom IK	95
	4.4.2 Leerlaufspannung UL	95
	4.4.3 Maximum Power Point (MPP)	96
	4.4.4 Füllfaktor FF	96
	4.4.5 Wirkungsgrad ?	97
	4.4.6 Temperaturabhängigkeit der Solarzelle	97
	4.5 Elektrische Beschreibung realer Solarzellen	99
	4.5.1 Vereinfachtes Modell	99
	4.5.2 Standard-Modell (Ein-Dioden-Modell)	99
	4.5.3 Zwei-Dioden-Modell	101
	4.5.4 Bestimmung der Parameter des Ersatzschaltbildes	101
	4.6 Betrachtungen zum Wirkungsgrad	104
	4.6.1 Spektraler Wirkungsgrad	104
	4.6.2 Theoretischer Wirkungsgrad	107
	4.6.3 Verluste in der realen Solarzelle	109
	4.6.3.1 Optische Verluste	109
	4.6.3.2 Elektrische Verluste	111
	4.7 Hocheffizienzzellen	112
	4.7.1 Buried-Contact-Zelle	112
	4.7.2 Punktkontakt-Zelle	113
	4.7.3 PERL-Zelle	114
	5 Zellentechnologien	115
	5.1 Herstellung kristalliner Silizium-Zellen	115
	5.1.1 Vom Sand zum Silizium	115
	5.1.1.1 Herstellung von Polysilizium	115
	5.1.1.2 Herstellung von monokristallinem Silizium	117
	5.1.1.3 Herstellung von multikristallinem Silizium	118
	5.1.2 Vom Silizium zum Wafer	119
	5.1.2.1 Waferherstellung	119
	5.1.2.2 Wafer aus Foliensilizium	119
	5.1.3 Herstellung von Standard-Solarzellen	120
	5.1.4 Herstellung von Solarmodulen	122
	5.2 Zellen aus amorphem Silizium	123
	5.2.1 Eigenschaften von amorphem Silizium	124
	5.2.2 Herstellungsverfahren	124
	5.2.3 Aufbau der pin-Zelle	125
	5.2.4 Staebler-Wronski-Effekt	126
	5.2.5 Stapelzellen	128
	5.2.6 Kombizellen aus mikromorphem Material	129
	5.2.7 Integrierte Serienverschaltung	130
	5.3 Weitere Dünnschichtzellen	132
	5.3.1 Zellen aus Cadmium-Tellurid	132
	5.3.2 CIS-Zellen	133
	5.4 Hybride Waferzellen	135
	5.4.1 Kombination von c-Si und a-Si (HIT-Zelle)	135
	5.4.2 Stapelzellen aus III/V-Halbleitern	136
	5.5 Sonstige Zellenkonzepte	137
	5.6 Konzentratorsysteme	137
	5.6.1 Prinzip der Strahlungsbündelung	137
	5.6.2 Was bringt die Konzentration?	138
	5.6.3 Beispiele von Konzentratorsystemen	139
	5.6.4 Vor- und Nachteile von Konzentratorsystemen	140
	5.7 Ökologische Fragestellungen zur Zellen- und Modulherstellung	140
	5.7.1 Umweltauswirkungen bei Herstellung und Betrieb	140
	5.7.1.1 Beispiel Cadmium-Tellurid	140
	5.7.1.2 Beispiel Silizium	141
	5.7.2 Verfügbarkeit der Materialien	142
	5.7.2.1 Silizium	142
	5.7.2.2 Cadmium-Tellurid	142
	5.7.2.3 CIS	143
	5.7.2.4 III/V-Halbleiter	143
	5.7.3 Energierücklaufzeit und Erntefaktor	144
	5.8 Zusammenfassung	147
	6 Solarmodule und Solargeneratoren	149
	6.1 Eigenschaften von Solarmodulen	149
	6.1.1 Solarzellenkennlinie in allen vier Quadranten	149
	6.1.2 Parallelschaltung von Zellen	150
	6.1.3 Reihenschaltung von Zellen	151
	6.1.4 Einsatz von Bypassdioden	152
	6.1.4.1 Reduzierung von Verschattungsverlusten	152
	6.1.4.2 Vermeidung von Hotspots	154
	6.1.5 Typische Kennlinien von Solarmodulen	157
	6.1.5.1 Variation der Bestrahlungsstärke	157
	6.1.5.2 Temperaturverhalten	158
	6.1.6 Sonderfall Dünnschichtmodule	159
	6.1.7 Beispiele von Datenblattangaben	161
	6.2 Verschaltung von Solarmodulen	162
	6.2.1 Parallelschaltung von Strings	162
	6.2.2 Was passiert bei Verkabelungsfehlern?	162
	6.2.3 Verluste durch Mismatching	163
	6.2.4 Schlaue Verschaltung bei Verschattung	164
	6.3 Gleichstrom-Komponenten	165
	6.3.1 Prinzipieller Anlagenaufbau	165
	6.3.2 Gleichstromverkabelung	167
	6.4 Anlagentypen	168
	6.4.1 Freilandanlagen	169
	6.4.2 Flachdachanlagen	171
	6.4.3 Schrägdachanlagen	172
	6.4.4 Fassadenanlagen	174
	7 Photovoltaische Systemtechnik	176
	7.1 Solargenerator und Last	176
	7.1.1 Widerstandslast	176
	7.1.2 DC/DC-Wandler	177
	7.1.2.1 Idee	177
	7.1.2.2 Tiefsetzsteller	177
	7.1.2.3 Hochsetzsteller	180
	7.1.3 MPP-Tracker	182
	7.2 Netzgekoppelte Systeme	183
	7.2.1 Einspeisevarianten	183
	7.2.2 Anlagekonzepte	184
	7.2.3 Aufbau von Wechselrichtern	185
	7.2.3.1 Aufgaben des Wechselrichters	185
	7.2.3.2 Netzgeführte und selbstgeführte Wechselrichter	185
	7.2.3.3 Trafoloser Wechselrichter	186
	7.2.3.4 Wechselrichter mit Netztrafo	188
	7.2.3.5 Wechselrichter mit HF-Trafo	189
	7.2.3.6 Dreiphasige Einspeisung	189
	7.2.3.7 Weitere schlaue Konzepte	191
	7.2.4 Wirkungsgrad von Wechselrichtern	192
	7.2.4.1 Umwandlungswirkungsgrad	192
	7.2.4.2 Europäischer Wirkungsgrad	193
	7.2.4.3 Schlaues MPP-Tracking	195
	7.2.5 Dimensionierung von Wechselrichtern	195
	7.2.5.1 Leistungsdimensionierung	195
	7.2.5.2 Spannungsdimensionierung	197
	7.2.5.3 Stromdimensionierung	198
	7.2.6 Anforderungen der Netzbetreiber	198
	7.2.6.1 Vermeidung von Inselbetrieb	198
	7.2.6.2 Maximale Einspeiseleistung	200
	7.2.7 Sicherheitsaspekte	200
	7.2.7.1 Erdung des Generators und Blitzschutz	200
	7.2.7.2 Brandschutz	200
	7.3 Inselsysteme	201
	7.3.1 Prinzipieller Aufbau	201
	7.3.2 Akkumulatoren	201
	7.3.2.1 Prinzip des Blei-Säure-Akkus	202
	7.3.2.2 Typen von Bleiakkus	203
	7.3.2.3 Akkukapazität	205
	7.3.2.4 Spannungsverlauf	206
	7.3.3 Laderegler	206
	7.3.3.1 Serienregler	207
	7.3.3.2 Shuntregler	207
	7.3.3.3 MPP-Laderegler	208
	7.3.3.4 Produktbeispiele	208
	7.3.4 Beispiele von Inselsystemen	209
	7.3.4.1 Solar Home Systems	209
	7.3.4.2 Hybridsysteme	211
	7.3.5 Dimensionierung von Inselanlagen	212
	7.3.5.1 Erfassung des Stromverbrauchs	212
	7.3.5.2 Dimensionierung des PV-Generators	213
	7.3.5.3 Auswahl des Akkus	215
	8 Photovoltaische Messtechnik	217
	8.1 Messung solarer Strahlung	217
	8.1.1 Globalstrahlungssensoren	217
	8.1.1.1 Pyranometer	217
	8.1.1.2 Strahlungssensoren aus Solarzellen	219
	8.1.2 Messung von Direkt- und Diffusstrahlung	220
	8.2 Leistungsmessung von Solarmodulen	221
	8.2.1 Aufbau eines Solarmodul-Leistungsprüfstands	221
	8.2.2 Güteklassen von Modulflashern	222
	8.2.3 Bestimmung der Modulparameter	223
	8.3 Peakleistungsmessung vor Ort	224
	8.3.1 Prinzip der Peakleistungsmessung	224
	8.3.2 Möglichkeiten und Grenzen des Messprinzips	225
	8.4 Thermographie-Messtechnik	226
	8.4.1 Prinzip der Infrarot-Temperaturmessung	226
	8.4.2 Hell-Thermographie von Solarmodulen	227
	8.4.3 Dunkel-Thermographie	229
	8.5 Elektrolumineszenz-Messtechnik	230
	8.5.1 Messprinzip	230
	8.5.2 Beispiele von Aufnahmen	231
	9 Planung und Betrieb netzgekoppelter Anlagen	233
	9.1 Planung und Dimensionierung	233
	9.1.1 Standortwahl	233
	9.1.2 Verschattungen	234
	9.1.2.1 Verschattungsanalyse	234
	9.1.2.2 Nahverschattungen	235
	9.1.2.3 Eigenverschattungen	236
	9.1.2.4 Optimierte Stringverschaltung	237
	9.1.3 Anlagendimensionierung mit Simulationsprogrammen	238
	9.1.3.1 Wechselrichter-Auslegungstools	238
	9.1.3.2 Simulationsprogramme für Photovoltaikanlagen	239
	9.2 Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen	240
	9.2.1 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz	241
	9.2.2 Renditeberechnung	241
	9.2.2.1 Eingangsgrößen	241
	9.2.2.2 Amortisationszeit	242
	9.2.2.3 Objektrendite	242
	9.2.2.4 Weitere Einflussgrößen	244
	9.3 Überwachung, Monitoring und Visualisierung	245
	9.3.1 Methoden zur Anlagenüberwachung	245
	9.3.2 Monitoring von PV-Anlagen	246
	9.3.2.1 Spezifische Erträge	246
	9.3.2.2 Verluste	247
	9.3.2.3 Performance Ratio	247
	9.3.2.4 Konkrete Maßnahmen zum Monitoring	248
	9.3.3 Visualisierung	248
	9.4 Betriebsergebnisse von konkreten Anlagen	249
	9.4.1 Schrägdachanlage aus dem Jahre 1996	249
	9.4.2 Schrägdachanlage aus dem Jahre 2002	251
	9.4.3 Flachdachanlage aus dem Jahre 2008	252
	10 Ausblick	253
	10.1 Potential der Photovoltaik	253
	10.1.1 Theoretisches Potential	253
	10.1.2 Technisch nutzbare Strahlungsenergie	253
	10.1.3 Technisches Stromerzeugungspotential	255
	10.1.4 Photovoltaik versus Biomasse	256
	10.2 Effiziente Förderinstrumente	257
	10.3 Preisentwicklung	258
	10.4 Überlegungen zur zukünftigen Energieversorgung	260
	10.4.1 Bisherige Entwicklung der erneuerbaren Energien	260
	10.4.2 Betrachtung unterschiedlicher Zukunftsszenarien	260
	10.4.3 Optionen zur Speicherung von elektrischer Energie	262
	10.4.4 Anforderungen an die Netze	264
	10.5 Fazit	265
	11 Übungsaufgaben	266
	12 Anhang	276
	12.1 Checkliste zu Planung, Installation und Betrieb einer Photovoltaikanlage	276
	12.2 Im Buch verwendete Abkürzungen	278
	12.3 Physikalische Konstanten/Materialparameter	279
	12.4 Literatur	280
	12.5 Weiterführende Informationen zur Photovoltaik	287
	Index	289

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