Regenerative Energiequellen Photovoltaik

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1 Vorlesung Regenerative Energiequellen 7. Photovoltaik - - Anwendungsgebiete und Marktentwicklung - Funktion von Solarzellen - Modularten und aufbau - Wirkungsgrad und Ertrag von Photovoltaikmodulen - Systeme - Inselsysteme, netzgekoppelte Anlagen - Planung, Aufstellung, Gebäudeintegration

2 Regenerative Energiequellen Photovoltaik Umwandlung der Sonnenenergie Photothermisch Photovoltaisch Wärme Elektrizität Thermische Energiespeicher Chemische Energie Photochemisch

3 Regenerative Energiequellen Photovoltaik Photovoltaik - Anwendungsgebiete g Ländliche industrielle Elektrifizierung, i Anwendungen netzfern 27% 22% Konsumprodukte Netzgekoppelte 15% Anlagen 36% nstitut für Solare Energiesystem me ISE Quelle: J. Luthe er, Fraunhofer-I

4 Entwicklung des PV- Marktes in Deutschland

7 Einsatz deutscher PV-Technologie im Ausland Weltweit größtes Solarkraftwerk in Benexama 90% deutsche Technik Standort: Beneixama (Provinz Alicante) Nennleistung: 200 x 100 kwp (20 MWp) Globalstrahlung: kwh/m² p. a. auf Modulebene Grundfläche: ca m² (rund 71 Fußballfelder) Solarmodule: ca Stück, Typ City Solar PQ 200 Modulfläche: ca m² Stromproduktion: ca kwh p.a. (Bedarf von mehr als Durchschnittshaushalten) CO2-Vermeidung: ca Tonnen p. a. Fertigstellung: August 2007

8 Weltmarkt Photovoltaik

10 Energieumwandlung g bei der Solarzelle Solarstrahlung Solarzelle Elektrizität Wärme

11 Photoeffekt Der Energieinhalt der Solarstrahlung (des Photons) ist abhängig von der Wellenlänge bzw. der Frequenz h c E h Plancksches Wirkungsquantum h = 6, Js Lichtgeschwindigkeit c = 2, m/s λ [m]; ν [1/s] Energieinhalt: ELEKTRONENVOLT (ev) In Teilchenphysik übliche Energieeinheit. Ein Elektronenvolt entspricht der kinetischen Energie eines Elektrons, das durch die Spannung von 1 Volt beschleunigt wurde. 1 ev = 1, J = Nm = kg m 2 /s 2 sichtbares Licht ( nm): 3,0 1,5 ev

12 Absorption von Photonen Leitungsband Photon h > EG Bandabstand d verbotene Zone Valenzband Metall Halbleiter Äußerer Photoeffekt Hallwachs -Effekt, vollständiges Lösen von Elektronen vom Kern Innerer Photoeffekt Anheben von Elektronen auf höhere Energieniveaus, Nutzung der Energie des ultravioletten, sichtbaren und infraroten Lichtes

13 Si Si Si Si Si Si Regenerative Energiequellen Photovoltaik Eigenhalbleiter E Si Si Si Leitungsband E = 1,1 ev G Valenzband

14 Bändermodell 0 Ele ektronene nergie E Oberflächenpotenzial Leitungsband E 3 E 2 E 1 Atomkerne Valenzband: oberstes vollständig besetztes Band Leitungsband: darüber liegende, meist teilweise besetzte Bänder (freie Elektronen im Leitungsband definieren elektrische und thermische Eigenschaften des Materials) Bandabstände: Halbleiter: 0,5 2 ev, Isolatoren 10 ev

15 Schalenmodell chemischer Elemente Klassische Halbleiter (z.b. Si) in IV. Gruppe des Periodensystems 4El Elektronen in oberster nicht vollbesetzter Schale (Verbindung mit 4 weiteren Nachbar- Elektronen zu stabilen Achterschalen) Ähnlich: geeignete Legierungen der III. und V. Gruppe / II. und VI. Gruppe Galliumarsenid id - GaAs III/V Cadmiumtellurid - CdTe II/VI Intrinsische Halbleiter: Extrinsische Halbleiter: reine Halbleiter oder Halbleiterkombinationen Fermi-Niveau in der Mitte der verbotenen Zone (Verhalten bestimmt von Bandabstand und Temperatur) Dotierte Halbleiter Zugabe von Fremdatomen, Erzeugung zusätzlicher Energieniveaus in der verbotenen Zone, Donator z.b. Phosphor, Akzeptor z.b. Bor

16 Kristallstruktur und Bändermodell von Halbleitern

17 Materialien von Solarzellen Ausschnitt aus der Periodentafel Silizium (Si) IB IIB IIIB IVB VB VIB Germanium (Ge) 29 Cu Al Si P Ga Ge As Se Cd In Sb Te Gallium-Arsenid (GaAs) Cadmium-Tellurid (CdTe) Indium-Phosphor (InP) Aluminium-Antimon (AlSb) Kupfer, Indium, Gallium, Selen (CIS)

18 Theoretische Wirkungsgrade g von Solarzellen

19 Dotierung / Ladungstrennung g n-dotierung: elektrisch neutral Zusammenfügen von n und p dotierter Schicht Si Si Si Ph freies Elektron p-dotierung: Si Si Si Si Ph B nach Elektronenwanderung positiv geladen Ladungstrennung durch inneres elektrisches Feld Si Si Loch B Si elektrisch neutral Si Si nach Elektronenwanderung negativ geladen Si: Halbleiter-Material, t i l elektrisch leitfähig unter Zufuhr von Solarstrahlung isolierende Wirkung bei tiefen Temperaturen

20 Ladungstrennung g am p-n-übergang g n-dotierung (Einfügen von Phosphor-Atomen) nach Elektronenwanderung positiv geladen p-dotierung (Einfügen von Bor-Atomen) nach Elektronenwanderung negativ geladen

21 Aufbau einer Solarzelle Solarstrahlung Antireflexschicht (Verringerung der Reflexionsverluste) Kontaktfinger Verbraucher n-schicht p-n-übergang p-schicht Rückseiten-Metallkontakt Durchmesser der Solarzelle: etwa 0,3 mm Dicke der n-halbleiterschicht: etwa 0, mm

22 Oberflächenstruktur einer Solarzelle Photon Silizium Oxid Metall

23 Prinzipieller Aufbau eines Solarmoduls Solarzelle Glas Glas/ Kunststoff Kunststoff (EVA, Gießharz) Glasscheibe Solarzelle elektrische Verbindungen Bifacial-Solarze ellenelemente Quelle: R. Hezel: Rückenabdeckung

24 Solarzelle, Modul und Generator Quelle: BDH

25 Wirkungsgradoptimierung g g von Solarzellen Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten: Zum Beispiel Aufbau der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche trifft. Neue Materialien: Zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2) Tandem- oder Stapelzellen: Um ein breiteres Strahlungsspektrum nutzen zu können, werden unterschiedliche Halbleitermaterialien, die für verschiedene Spektralbereiche geeignet g sind, übereinander angeordnet. Konzentratorzellen: Durch die Verwendung von Spiegel- und Linsensystemen wird eine höhere Lichtintensität auf die Solarzellen ll fokussiert. Diese Systeme werden der Sonne nachgeführt, um stets t die direkte Strahlung auszunutzen MIS-Inversionsschicht-Zellen: Das innere elektrische Feld wird nicht durch einen p-n-übergang erzeugt, sondern durch den Übergang einer dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter

27 Solarmodule

28 Übersicht Solarzellen monokristallin polykristallin amorph Herstellung Herstellungs- aufwand Einkristalliner Siliziumstab aus einer Schmelze gezogen, g anschließendes Sägen in dünne Scheiben (Wafer) hoch Kontrolliertes Abkühlen flüssigen Siliziums in einer Gussform, Entstehung einer Vielzahl einzelner Kristalle,anschließendes Schneiden des abgekühlte Block in dünne Scheiben (Wafer) weniger hoch Abscheiden des Siliziums aus einer Glimmentladung in mit Silan gefüllten Kammer, Entstehung einer dünnen Fläche, kann als Zelle genutzt werden gering Wirkungsgrad Bemerkung ca. 14%, Wirkungsgradsteigerung durch Behandlung der Solarzellenoberfläche (ca.16,5% durch Saturntechnologie, BP Solar) Text : BP-Solar ca. 12% Marktanteil von 40% z. Zt. nur 5-8% Herstellung besonders preisgünstig, Text: BP-solar

29 Dünnschichtzellen CIS-Module CIS-Modul: aktives Halbleitermaterial Kupfer-Indium- Diselenid. Erzeugung in Vakuumkammer und Aufdampfen auf dünne Molybdänschicht, Rückkontakt kt auf Tä Trägermaterial lglas, transparenter Frontkontakt ist aluminiumdotiertes Zinkoxid, keine lichtinduzierte Alterung, jedoch Feuchteversiegelung g wichtig. CIS-Module Wirkungsgrad ca. 7,5% bis 9,5%, maximale Fertigungsgröße ist 1,20 m x 0,60 m Quelle:

30 Dünnschichtzellen CdTe-Module CdTe-Modul: Trägerglas auf lichtzugewandter Seite, rückseitig erst mit einer transparenten Leitschicht (meist Indium-Zinnoxid), dann einer dünnen CdS- Fensterschicht ht und darauf mit einer Cadmium- Tellurid-Absorberschicht versehen, Vakuumverfahren. Anschließend Aufbringen des metallischen Rückkontaktes, auch bei CdTe-Modulen keine Alterung (d. h. Degradation der Leistung). CdTe ist als Verbindung ungiftig und sehr stabil. CdTe-Module Wirkungsgrad ca. 6% bis 9%, Form frei wählbar, Größe der Module maximal 1,20 m x 0,60 m, Dicke des Trägermaterials ca. 3 mm mit ca. 0,008 mm Beschichtung. Quelle:

31 Photovoltaik - Fertigung g Herstellung monokristalliner und polykristalliner Solarzellen Quel le: DGS

32 Photovoltaik - Fertigung g

33 Photovoltaik - Dünnschichttechnik Fertigung g Sputtern (Kathodenzerstäubung) 1.Strukturierungsschritt Unterteilung der Kontaktfläche 2. Strukturierungsschritt Aufbringen der Absorberschicht Aufbringen des Frontkontakts 3. Strukturierungsschritt Serienschaltung entsteht abschließenden Tests Kontaktieren und Verkapseln

34 Verstringung gvon Solarzellen Kristalline Zellen Verstringung durch Lötverbindungen der Frontseitenkontakte (Lichtseite der Zelle) mit den Rückseitenkontakten der nächsten Zelle fortlaufend, Frontseitenkontakte Minus- und Rückseitenkontakte Pluspol. Reihenschaltung durch abwechselnde Verbinden von Minus und Pluspol Dünnschichttechnik Lötverbindungen entfallen, da interne Verschaltung (monolithische Verschaltung), elektrische Trennung und Verschaltung der Zellen geschieht durch Strukturierungsschritte zwischen den einzelnen Herstellungsschritten für die Zellschichten. Es können nur gleich große Zellen in Reihe geschaltet werden.

35 Photovoltaik - Wirkungsgrade g von Solarzellen Zellenmaterial Maximaler Maximaler Typischer Flächenbe- Zellwir- Zellwir- Modulwir- darf für kungsgrad kungsgrad kungsgrad 1 kwp (Labor) (Serie) Monokristallines Silizium Polykristallines Silizium Amorphes Silizium CIS/CIGS 24,7 % 21,5 % 15,0 % 6,7 m² 18,5 % 15,0 % 14,0 % 7,2 m² 12,7 % 8,0 % 6,0 % 16,7 m² 19,5 % 11,0 % 10,0 % 10,0 m² CdTe 16,5 % 10,0 % 7,0 % 14,3 m² Konzentratorzelle 40,7 % 35,0 % 28,0 % 3,6 m² Quelle: Quaschning, 2008

36 Energierücklaufzeit heutiger Solarsysteme - energy payback time energy payback time (EPBT) EPBT [Jahr re] mono-si multi-si a-si CIS CdTe Technologie

38 Strom-Spannungs-Kennlinie erzielbare Leistung 2,0 Stroms stärke [A] 1,6 1,2 0,8 P=U I Leistung als Fläche des Rechtecks 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Spannung [V] Kennlinie: Höhe des Gleichstroms bzw. der Gleichspannungsleistung in Abhängigkeit der Gleichspannung

39 Strom-Leistungs-Kennlinie MPP 10 1,0 0,8 Punkt maximaler Leistung MPP Leistu ung [W] 0,6 0,4 02 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 U = 0 bei Kurzschlussstrom Spannung [V] Leerlaufspannung Bezug der MPP-Leistungen auf Standard-Testbedingungen g (1.000 W/m², 25 C Solarzellentemperatur) MPP: Last- und Innenwiderstand gleich groß

40 Strahlungsabhängigkeit g g der Leistung 3 = 0 C 1,2 = 0 C MPP Stromstä rke [A] 2 1 E = 1000 W/m² MPP Leistung [W] 0,8 0, ,2 04 0,4 06 0,6 08 0,8 Spannung [V] ,2 04 0,4 06 0,6 08 0,8 Spannung [V]

41 Temperaturabhängigkeit g der Leistung Stromstär rke [A] E = 1000 W/m² = 0 C Leistung [W] 1,2 0,8 0,4 E = 1000 W/m² = 0 C ,2 0,4 0,6 0,8 Spannung [V] 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Spannung [V]

42 Temperaturverhalten von Solarzellen Le eistung [W W] 100 amorphe Zellen 0,2 % kristalline Zellen 0,4 % Temperatur [C ]

44 Inselanlagen Anlage mit Zwischenspeicherung ng

45 Inselanlagen Wasserpumpe Straßenbeleuchtung

46 Inselanlagen Wohngebäude in Indien Wohngebäude in Brasilien

47 Netzgekoppelte Anlagen

48 Prinzipschema netzgekoppelte Anlage - Wechselrichter Wechselrichter - Bindeglied zwischen Solargenerator und Wechselstromnetz bei netzgekoppelten Anlagen. Funktionen und Aufgaben: -Umwandlung von Gleichspannung (DC) / bzw. -strom in Wechselspannung (AC)/ -strom - Arbeitspunktanpassung Wechselrichter/ Solargenerator (MPP-Regelung) - Betriebsdatenerfassung und Signalisierung (z. B. Anzeige von Daten) - DC- u. AC-Schutzeinrichtungen Sh ih (z.b. Netzüberwachung, Isolationsüberwachung)

49 Energieflussdiagramm g netzgekoppelte PV-Anlage

51 Integration / Aufstellung von Photovoltaik-Modulen Freiaufstellung Aufdachmontage Aufständerung auf Flachdach Aufdachmontage hinterlüftet Dachziegel Dachinte- gration

52 Verschattung Eigenverschattung Umgebungsverschattung

53 Leistungsminderung g durch Verschattung I max = 1 A I max = 0 A I = 2 A max I = 2 A max I = 2 A max I R I = 1 A max I = 0 A max P = I U V R R U R I = 2 A max I = 2 A max I = 2 A k Zelle 50 % abgedeckt Zelle 100 % abgedeckt. P ges des Moduls = 0 W 50 % weniger Leistung im Modul Im Belastungsfall ll speisen alle Zellen die gesamte Zelle und erwärmen sie.

54 Solarmodul - Verschattung zelliges PV-Modul

57 AH eizung lternati ve1a W ärmep umpe WinteüberW Fußbod enheizung ärmepumpe r underd sonden Kühlun g Erdson den STROM Lüftu ng Fern sterlüftu ng W ärmepum pe Fas sade S VundIS S Fußbodenk Somer übererdson (ohnewp) ühlung den Er max.10m dsonden Regenerative Energiequellen Photovoltaik Planungsoptimierung g - Verschattungsstudie Verschattungsstudie Geometriemodell und Dachaufsicht

58 Planungsoptimierung g - Verschattungsstudie Verschattungsstudie Dachaufsicht Übergangszeiten Verschattung im März 21. März 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 Fazit: Zwischen 11 Uhr und 14 Uhr sind die Fotovoltaikelement vollständig unverschattet.

59 Vorplanung Überschlägige gg Dimensionierung Abschätzung von installierbarer Leistung und Ertrag: P MPP kw A 1 2 m Leistungsfaktor Bei einem Modulwirkungsgrad von 12 % und einer verfügbaren Fläche von 20 m² kann eine 0,70 Leistung von ca. 2,4 kwp installiert t werden ,60 W el E glob,sol,modul P MPP 2 1kW m f Leistung Bei einem Neigungswinkel der Module von 30 und direkter Südorientierung (Berlin - resultierende jährliche Globalstrahlung in Modulebene ca kwh/(m²a)) einer installierten Leistung von 2,4 kwp sowie den Bedingungen einer durchschnittlichen Anlage (f Leistung = 0,75) ergibt sich ein Energieertrag der Anlage von 2070 kwh/a. 0,85 0,80 Beschreibung Ideale Anlage, sehr gut hinterlüftet, keine Verschattung, geringe Verschmutzung Sehr gute Anlage, gut hinterlüftet, keine Verschattung, geringe Verschmutzung 0,75 Durchschnittliche Anlage 0,50 Durchschnittliche Anlage, geringe Verluste durch Verschattung oder schlechte Hinterlüftung Schlechte Anlage, größere Verluste durch Verschattung, Verschmutzung oder Anlagenausfälle Sehr Schlechte Anlage mit großen Verschattungen oder Defekten