|
Vorwort |
7 |
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Inhalt |
9 |
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1 Einführung |
19 |
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1.1 Einleitung |
19 |
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|
1.1.1 Wozu Photovoltaik? |
19 |
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|
1.1.2 Für wen ist dieses Buch gedacht? |
20 |
|
|
1.1.3 Aufbau des Buches |
20 |
|
|
1.2 Was ist Energie? |
21 |
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|
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 |
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12.1 Checkliste zu Planung, Installation und Betrieb einer Photovoltaikanlage |
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12.2 Im Buch verwendete Abkürzungen |
278 |
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12.3 Physikalische Konstanten/Materialparameter |
279 |
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12.4 Literatur |
280 |
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12.5 Weiterführende Informationen zur Photovoltaik |
287 |
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Index |
289 |
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