Einführung 4. Anwendungsprognose für autarke. Photovoltaik-Anlagen (weltweit) 28. Begriffsdefinition 8. Energie der Sonne - Die Energiequelle 29

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2 Einführung 4 Anwendungsprognose für autarke Photovoltaik-Anlagen (weltweit) 28 Begriffsdefinition 8 Photovoltaik-Anlagen von A bis K 9 Photovoltaik-Anlagen von L bis Z 10 Anlage ohne Energiespeicher 11 Anlage mit Energiespeicher 11 Anlage mit Wechselspannungsausgang 12 Hybridanlage mit Photovoltaik- und Motorgenerator 12 Hybridanlage mit Photovoltaikgenerator,! Energie der Sonne - Die Energiequelle 29 An der Erdatmosphäre anfallende Strahlung 30 Die Solarkonstante 31 Sonnenenergieeinstrahlung auf die Erde 31 Strahlungsbilanz der Erde 32 Schwächung der Strahlung in der Atmosphäre 32 Die Globalstrahlung 34 Direkte und diffuse Strahlung 34 Motorgenerator und Windkonverter 13 Globalstrahlungssummen (weltweit) 35 Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage 14 Dezentrale netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage 15 Zentrale netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage 16 Kombinierte Photovoltaik-Anlage 16 Photovoltaik-Hausanlage-Prinzipieller Aufbau 17 Photovoltaik-Hausanlage-Blockschaltbild 18 Photovoltaik-Hausanlage-Schaltskizze 18 Energieaufbereitungskonzepte 19 Anwendungsklassifizierung von PV-Anlagen 20 PV-Marktentwicklung (weltweit) 22 Solarzellenproduktion (weltweit) 23 Photovoltaikanwendungen (weltweit) 24 Photovoltaik-Marktentwicklung 2010 (weltweit) Anwendungsbereiche 24 Photovoltaik-Marktentwicklung (weltweit)- Solarzellenproduktion 25 Photovoltaik-Marktentwicklung 2010 (weltweit) Entwicklungsszenarien 26 Photovoltaik-Marktprognose für Europa 27 Photovoltaik-Potential für Inselsysteme bis Globalstrahlungssummen in Europa 35 Globalstrahlungssummen in Deutschland 36 Globalstrahlungsleistung in Norddeutschland 36 Monatsmittelwerte der Globalstrahlung 37 Jährliche Globalstrahlungssummen 37 Globalstrahlung auf eine geneigte Fläche 38 Berechnungsalgorithmus für den Globalstrahlungseinfall 39 Globalstrahlung als Funktion des Einfallswinkels 40 Energiebilanz der Erde im Überblick 41 Energiebilanz der Erde im Detail 42 Nutzungsmöglichkeiten regenerativer Energien 43 Die Erde im Sonnensystem 44 Potentialbegriffe Definition 45 Energiebegriffe Definition 46 Energiewirtschaftliche Maßeinheiten 47 Weltweite Potentiale erneuerbarer Energien 48 Weltweiter Primärenergieverbrauch im Jahr 1982 und Potentiale regenerative Energien in Deutschland 50

3 Stromerzeugungspotentiale aus Sonne, Wind und Wasser in Deutschland 51 Primärenergieverbrauch in Deutschland 52 Endenergieverbrauch in Deutschland 53 Einsatz von Strangdioden 77 Sammelschienen- und Einzelstrangtechnik 78 Typen von Solarzellen 78 Erreichte Wirkungsgrade technisch interessanter Solarzellen 79 " #!!! Valenz- und Leitungsband 54 Spezifische Widerstände fester Körper 55 Eigenleitung und Störstellenleitung 55 Der p-n-übergang 56 Strom-Spannungskennlinien 57 Arbeitspunktbestimmung 58 Wirkungsgrade von Silizium-Solarzellen und modulen 80 Wirkungsgrade von CdTe-Solarzellen und modulen 81 Wirkungsgrade von GaAs-Solarzellen 82 Die Herstellungsschritte von Si-Solarzellen 82 Methoden der Siliziumtechnologie 84 Vergleich verschiedener Solarzellentypen 84 Der Photoeffekt 59 Der p-n-übergang in der Solarzelle 60 Die Standard - Solarzelle 60 Halbleiter-p-n- Übergänge 61 Typische Solarzellenstrukturen 62 Prinzipielle Modultechniken $%&' ' 85 Das Ersatzschaltbild der Solarzelle 63 Die Kenngrößen der Solarzelle 63 Verluste in der Solarzelle 64 Das vollständige Ersatzschaltbild der Solarzelle 65 Einfluss der Ersatzwiderstände auf die Kennlinie 66 Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen 66 Spektrale Empfindlichkeit von Solarzellen 67 Lichtspektren 68 Der Einfluss von Einstrahlung und Temperatur 68 Die Kennlinie bei variabler Einstrahlung und Temperatur 69 Der Einfluss des Innenwiderstandes 70 Kenngrößen der Standardzelle 70 Reihenschaltung von Solarzellen 71 Die Konstruktion der Generatorkennlinie bei Reihenschaltung 72 I-U-Kennlinie zur Erläuterung des Hot-Spot 73 Arbeitspunkte bei Zellenabschattung - Reihenschaltung 74 Die Auswirkungen einer Bypassdiode 75 Parallelschaltung von Solarzellen 75 Die Konstruktion der Generatorkennlinie bei Parallelschaltung 76 Kenndaten verschiedener Speichertechnologien 87 Kenngrößen von Akkumulatoren 88 Für Solaranlagen geeignete Akkumulatoren 89 Lebensdauer von Batterien 90 Strom- und Spannungsverlauf beim Ladevorgang 90 Photovoltaiksysteme mit Energiespeicher 91 Laderegler mit Längsregelung 92 Laderegler mit Kurzschlussregelung 93 Temperatureinflüsse 93 Mikrocontroller-gestützte Laderegelung 94 Abhängigkeit der Arbeitspunkte 95 Einsatz von Anpasswandlern 96 Der Tiefsetzsteller 97 Der Hochsetzsteller 97 Der invertierende Wandler 98 Regelstrategie eines MPP-Trackers 99 Der Wechselrichter 99 Pulsbreitensteuerung 100 Wechselrichterprinzipien 100 Eigenschaften von Wechselrichtern 101 Energieaufbereitungskonzepte 101 Photovoltaik-Anlagenkonfigurationen 102 Auswahl kommerzieller Kleinwechselrichter 103 Arbeitspunkte bei Zellenabschattung - Parallelschaltung 76

4 ( ' ' Mögliche Strukturen 104 Das Solarkraftwerk Hausdach 105 Solare Hausstromversorgung 105 Beispiel Dannenberg Installation 106 Beispiel Dannenberg Wirtschaftlichkeit 107 Lichttechnische Größen 108 Elektronische Vorschaltgeräte 108 Übersicht Kompaktleuchtstofflampen 110 Test von Vorschaltgeräten 110 Test von Fernsehgeräten 111 Test von Kühlgeräten 113 Dimensionierung I 114 Dimensionierung II 115 Kleinelektrizitätskraftwerke 116 Gebäudebeispiel 116 Netzformen für Gleichstromsysteme 117 Vor- und Nachteile von geerdeten und isolierten Wechselstromnetzen bei Inselversorgungsanlagen 119 Prinzipieller Aufbau eines Photovoltaik- Pumpensystems 120 Grafische Dimensionierung eines PV-Pumpensystems 121 Leistungsbedarf und Energieangebot 121 Pumpentypen für PV-Anwendungen 122 Einsatz von Pumpensystemen 122 PV-Generatoren - neue Energiesysteme 123 Entwicklungsperspektive - Photovoltaik- Wechselrichtereinheiten 123 PV-IGBT-Wechselrichtereinheiten von 20 kva bis 1 MVA 124 Interpretation der VDE 0100 für Photovoltaikanlagen 130 Auslegung Überstromschutz 131 Überspannungen in Photovoltaikanlagen Kopplungsarten 132 Schleifenbildung durch Modulverschaltung 132 Einkopplung in die Verbindung vom Solargenerator zu Laderegler, Batterie und Wechselrichter 133 Beispiel für kapazitive Einkopplung 133 Überspannungsschutz am Solargeneratorausgang 134 Optimales Installationskonzept 135 Unterteilung der Strangspannung 136 Erd- und kurzschlusssichere Leitungsverlegung 137 Leitungsdimensionierung für 12 V und 24V Anlagen 138 Strombelastbarkeit von Mantelleitungen 139 Leiterquerschnitte in Photovoltaikanlagen 139 Leiterquerschnitte Batterie-Verbraucher 140 Abnahmeprüfung einer Photovoltaikanlage 140 Messungen durch den Installateur 141 Inspektion durch den Betreiber ' Entscheidungskriterien für die Anwendung von Photovoltaikanlagen 142 Einfluss der Neigung und Ausrichtung auf den Energieertrag 143 Der optimale Neigungswinkel 143 Das Einflussdiagramm 144 Die Solarfassade 144 Nachführungstechniken 145 ) '! * Struktur der Schutzmaßnahmen 125 Normung von Photovoltaik-Modulen 126 Energieproduktion eines Standardmoduls 145 Neigungsvariation (Simulationsrechnungen) 146 Auslegungsgrundlagen 147,-,.- / Normung von Photovoltaik-Komponenten und Systemen 127 Normen für elektromagnetische Verträglichkeit 129 Fehlermöglichkeiten in Photovoltaikanlagen #,123! 148 "

5 %& Das vorliegende Studienmaterial basiert auf einem für Weiterbildungszwecke erarbeiteten Foliensatz zum Thema Photovoltaik. Auf umfangreiche erläuternde Texte wurde bewusst verzichtet. Für das Selbststudium ist eine intensive Auseinandersetzung mit den bildlich dargestellten Folieninhalten erforderlich. Die nachfolgenden Inhaltsbeschreibungen der einzelnen Kapitel stellen gleichzeitig die Lernziele dar. Kapitel 1 : Photovoltaische Energieversorgungssysteme Es wird die Photovoltaikanlage als solares Energieversorgungssystem dargestellt. Dabei werden die Systeme nach netzfern, netzfrei und netzgekoppelt untergliedert. Die besondere Bedeutung der direkten Verbraucherversorgung mittels netzfreier Anlagen wird herausgearbeitet. Auf kombinierte Anlagen und Hybridsysteme wird hingewiesen. Die unterschiedlichen Systemstrukturen werden an Hand von typischen Einsatzbeispielen untersetzt (Systeme mit und ohne Energiespeicher, Systeme mit Gleich- und Wechselspannungsausgang, Hybridanlagen, dezentrale und zentrale Netzkopplung, kombinierte Anlagen). Der Aufbau einer Photovoltaik-Hausanlage mit den einzelnen Komponenten wird besprochen (prinzipieller Aufbau, Blockschaltbild, Schaltskizze). Am Beispiel der Hausanlage werden unterschiedliche Energieaufbereitungskonzepte untersucht (zentrales, dezentrales, gemischtes). Herausgearbeitet werden die Vor- und Nachteile von zentralen Wechselrichtern. Die Bedeutung von modulorientierten und modulintegrierten Wechselrichtern wird erarbeitet. Entsprechend den möglichen Anwendungen von PV-Anlagen wird eine Klassifizierung vorgenommen (netzfrei, netzfern, netzgekoppelt, Indoor: Konsumund industrielle Anwendung, Outdoor). Neben den technischen Möglichkeiten zur Nutzung von Photovoltaikanlagen wird die wirtschaftliche Bedeutung analysiert. Ausgehend von der Entwicklung des weltweiten PV-Marktes ( ) und der entsprechenden Solarzellenproduktion werden die Entwicklungsperspektiven bis zum Jahr 2010 dargestellt (insbesondere der Einsatz von PV-Anlagen in kleinen und mittleren netzgekoppelten Anlagen sowie in Solar- Home-Systemen). Die Bedeutung von Inselnetzversorgungen wird für den Bereich der Kommunikation (Europa) dargestellt. Für die Länder der Dritten Welt werden die Bereiche der Hausversorgung, der Trinkwasserbereitstellung und der Bildung bewertet und damit Aufgabenbereiche für mögliche Exportstrategien aufgezeigt. Kapitel 2 : Grundlagen zur Nutzung der Sonnenenergie Den Ausgangspunkt bilden Betrachtungen zur Energiebilanz der Sonne. Die Abstrahlungsenergie wird berechnet. In Abhängigkeit vom jahreszeitlichen Stand Sonne-Erde wird der zeitliche Verlauf der Solarkonstante beschrieben und die Sonnenenergieeinstrahlung auf der Erde untersucht. Hieraus wird die Strahlungsbilanz der Erde dargestellt. Von besonderer Bedeutung ist die Schwächung der Strahlung in der Erdatmosphäre. Ausgehend von der spektralen Verteilung der Sonnenstrahlung erfolgt die Gegenüberstellung von theoretischer Strahlung eines schwarzen Körpers, von Sonnenstrahlung außerhalb und nach Durchgang durch die Atmosphäre. Es wird der Zusammenhang von

6 extraterristischer, direkter, Himmels- und Reflektionsstrahlung beschrieben. Zusammenfassend erfolgt eine Darstellung von Diffus- und Direktstrahlung im Jahresgang. Ausgehend von der Globalstrahlungssummenkarte der Erde werden die Strahlungssummen für Europa, Deutschland und den norddeutschen Raum gegenübergestellt. Auf die monatlichen Streubereiche wird besonders eingegangen. Als Planungsgrundlage für Photovoltaiksysteme wird der Algorithmus für die Bestimmung der Globalstrahlung auf eine geneigte Fläche dargestellt und an einem Beispiel berechnet. Weitere Grundlagen sind: - Energiebilanz der Erde - grundsätzliche Möglichkeiten zur Nutzung des regenerativen Energieangebots - die Erde im Sonnensystem (Definition von astronomischen Kennwerten). Dargestellt werden weiterhin Potentialbegriffe (theoretisches, technisches, wirtschaftliches und Erwartungspotential), Energiebegriffe sowie energiewirtschaftliche Maßeinheiten. Basierend auf den damit gelegten Grundlagen werden die Potentiale erneuerbarer Energieträger beurteilt (weltweit, für Deutschland) und den Primärenergieverbräuchen gegenübergestellt. Kapitel 3 : Von der Solarzelle zum Solargenerator Zum Verständnis der Photovoltaik werden die physikalischen Grundlagen dargestellt: - Leiter, Nichtleiter, Isolator : Leitungs- und Valenzbändermodell - Spezifische Widerstände. Für die Halbleiter werden am Beispiel von Germanium und Silizium die Probleme der Eigen- und Störstellenleitung behandelt. Schwerpunkt bildet der p-n-übergang und die sich daraus ableitende Diodenkennlinie. Zum Verständnis der Kennlinie einer Solarzelle werden behandelt: - Strom-Spannungskennlinie einer Spannungs- und einer Stromquelle - Kennlinie eines Lichtbogenschweißgerätes - Kennlinie eines Akkumulators - Kennlinie von ohmschen Widerständen - Strom-Spannungskennlinie eines Ventilators/einer Pumpe - grafische Ermittlung des Arbeitspunktes. Der Photoeffekt (p-n-übergang in der Solarzelle)wird beschrieben und die mathematischen Beziehungen zur Berechnung von Strom- und Spannungsbildung werden vermittelt. Ausgehend von dem Aufbau einer monokristallinen Solarzelle werden typische Solarzellenstrukturen beschrieben (hoch-effiziente Silizium-Solar-Zelle, amorphe Silizium-Solar-Zelle, Gallium-Arsenid-Solarzelle, Tandem-Solar-Zelle). An Hand des elektrischen Ersatzschaltbildes werden die Formeln zur Berechnung von Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom einer Solarzelle beschrieben und die Kenngrößen (Maximum-Power-Point, Füllfaktor, Wirkungsgrad) berechnet. Die Verluste in einer Solarzelle werden analysiert und der Wirkungsgrad (maximale Wirkungsgrade verschiedener Solarzellen) beurteilt. Mittels des vollständigen Ersatzschaltbildes einer Solarzelle werden die Einflüsse von Serien- und Shuntwiderstand auf das Kennlinienfeld betrachtet. Zur Beurteilung des Einsatzfeldes von Solarzellen werden die spektrale Empfindlichkeit von Solarzellen dem Spektrum von Sonnenlicht, Leuchtstofflampenund Glühlampenlicht gegenübergestellt. (

7 Eine detaillierte Betrachtung auf die Kennlinien von Solarzellen erhalten die Einflüsse von Einstrahlung und Temperatur. Die Verschiebung des Maximum-Power-Point`s wird ausgewertet. Zur Untersuchung des Einflusses von Teilabschattungen werden Reihen- und Parallelschaltungen betrachtet und die Schutzmaßnahmen Strang- und Bypassdiode für Sammelschienentechnik und serielle Einzelstränge abgeleitet. Ein Überblick über verschiedene Solarzellentypen, deren erreichte Wirkungsgrade sowie die prinzipielle Herstellungstechnologie wird gegeben. Die Gegenüberstellung der prinzipiellen Modultechniken schließt das Kapitel ab. Kapitel 4 : Komponenten für autarke Photovoltaiksysteme Als Hauptelement Elektrischer Speicher werden verschiedene Speichertechnologien bezüglich Energiedichte, Leistungsdichte, Lebensdauer und spezifische Kosten gegenübergestellt. Die Kenngrößen Nennstrom und Ladefaktor sowie Ladeschluss-, Gasungs-, Nenn- und Entladeschlussspannung werden behandelt. Eine besondere Behandlung erfahren für Solaranlagen geeignete Akkumulatoren und die Bewertung ihrer Lebensdauern sowie die Temperatureinflüsse. Das Kennlinienfeld eines Solargenerators mit Batteriebelastung wird behandelt und daraus abgeleitet die Funktionsweise von Serien- und Kurzschlussladereglern sowie Laderegler mit Mikrorechnersteuerung. In Abhängigkeit von der Verbrauchercharakteristik (Strom-Spannungskennlinie) werden Anpasswandler behandelt (Tiefsetz-, Hochsetzsteller und invertierende Wandler). Von besondere Bedeutung sind selbstgeführte Wechselrichter. Das Prinzip des pulsbreitengesteuerten Wechselrichters wird behandelt; die wichtigsten Eigenschaften werden dargestellt. Die Vorteile von modulintegrierten Wechselrichtern werden vermittelt und eine Übersicht über verfügbare Kleinwechselrichter wird gegeben. Kapitel 5 : Autarke Photovoltaiksysteme Den Ausgangspunkt bildet eine Zusammenstellung von möglichen Strukturen als Funktion der umzusetzenden elektrischen Leistung. Am Beispiel einer autarken Photovoltaik-Hausanlage mit Motorgenerator werden Aussagen zu Aufwendungen, Energie- und Kosteneinsparungen getätigt. Als Projektierungshilfe werden die wichtigsten Gleichstromverbraucher für Solar- Home-Systeme behandelt und Übersichten über verfügbare Geräte (EU-Markt) gegeben: - Elektronische Vorschaltgeräte für Kompakt-Leuchtstofflampen - Kühlgeräte - Fernsehgeräte. Die grundlegende Verfahrensweise für die Dimensionierung von autarken Solaranlagen wird vermittelt und an einem Beispiel trainiert. Für die Errichtung von autarken Gleichstromnetzen werden unterschiedliche Netzformen behandelt (TN-, TNS-, TNCS-, TT- und IT-Netz). Als direkt betriebenes System wird das Photovoltaik-Pumpensystem behandelt (Leistungsbedarf, Energieangebot, Leistungsberechnung, grafische Dimensionierung). Die Vor und Nachteile von Kreiselpumpen und Excenterpumpen werden gegenübergestellt. )

8 Kapitel 6 : Elektrische Sicherheit und Errichtungsbestimmungen In Anlehnung an die DIN VDE 0100 werden die grundlegenden Schutzmaßnahmen besprochen. Zur Beurteilung der auf dem Markt angebotenen Solarmodule und Komponenten für Solarsysteme werden die gültigen IEC-, Europa- und Nationalen Normen vorgestellt (inklusive der Normen zum Nachweis der elektromagnetischen Verträglichkeit). Mögliche Gefahrensituationen in PV-Anlagen werden beschrieben. Besprochen werden Überspannungs- und Überstromschutzmaßnahmen. Ein optimales Installationskonzept wird vorgestellt. Bezüglich der Installation wird der Schwerpunkt auf die Art der Leitungsverlegung sowie auf die Bemessung der Leiterquerschnitte gelegt. Es werden Hinweise für die Durchführung von Inspektionen für den Anlageninstallateur, den abnehmenden Meister und den Betreiber von Photovoltaikanlagen vermittelt. Kapitel 7 : Auslegung von Photovoltaiksystemen Ausgehend von den Entscheidungskriterien für die Anwendung einer Photovoltaikanlage und der damit verbundenen Verbrauchercharakteristik wird der Einfluss von Modulneigung und von Modulausrichtung auf den Energieertrag untersucht. Der Effekt von Sonnen-Nachführungs-Einrichtungen wird bewertet. Es wird die überschlagsmässige Auslegung behandelt (Rechnung mit Mittelwerten), die Auslegung auf Basis von exakter Verbraucherermittlung sowie die Optimierung mittels Simulationsrechnungen. Auf den Ertrag von Solarfassaden wird eingegangen. +