Grundlagen und Potenziale der Photovoltaik

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1 Grundlagen und Potenziale der Photovoltaik 14. Fuldaer Elektrotechnik-Kolloquium Thomas Glotzbach Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) Königstor 59, D Kassel Tel.: 0561/ ,

2 Zu meiner Person Studium an der (damals noch) Fachhochschule Fulda (Automation und Robotik) Aufbaustudium an der Universität Kassel (Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik) Seit 2005 wissenschaftlicher Mitarbeiter im ISET / IWES (Bereich Anlagentechnik und Netzintegration, Gruppe Anlagen- und Messtechnik) Unter anderem Betreuung der hauseigenen Messtechnik im PV-Testfeld ( und Forschung im Bereich der Simulation photovoltaischer Komponenten und Kraftwerke Zur Zeit Promotion im Bereich der Simulation photovoltaischer Komponenten und Kraftwerke

3 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

4 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

5 Einleitung Energieressourcen Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

6 Einleitung Begrifflichkeit Photovoltaik Fotovoltaik (FV) (PV) Photon (das Lichtteilchen) Volt (elektrische Spannung nach Volta) Quelle: PV-Testlabor IWES (

7 Einleitung Wichtige historische Ereignisse 1839 Alexandre Edmond Becquerel entdeckt den photovoltaischen Effekt 1904 Philipp Lenard lieferte eine erste Erklärung für den photovoltaischen Effekt 1905 Albert Einstein beschreibt diesen Effekt theoretisch mit Hilfe der Quantenmechanik 1951 Bell Laboratories entwickeln erste Silizium-Solarzelle 1958 erste Nutzung von Solarzellen in der Raumfahrt 1966 Entwicklung der ersten Dünnschichtzelle (CdS/Cu2O) 1973 Energiekrise - erste Forschungsaktivitäten zur terrestrischen Nutzung der Photovoltaik in Deutschland 1990 Bund-Länder-1000-Dächer-Photovoltaik-Programm 1999 Start des Dächerprogramms 2000 Beschluss des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) 2006 Deutschland wird weltweit Spitzenreiter bei einer installierten Anlagenleistung von 2 GWp

8 Einleitung Vorteile der Photovoltaik völlig geräuschlose, verschleiß- und emissionsfreie Stromerzeugung in Kombination mit anderen Baustoffen werden viele Anforderungen an eine Gebäudehülle erfüllt Wirtschaftlichkeit durch Multifunktionalität und EEG hohe Langlebigkeit einfach recyclebar skalierbar von mw bis MW nutzbar auch im Schwachlichtbereich

9 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

10 Das Strahlungsangebot der Sonne Unerschöpfliche Energie Strahlungsleistung der Sonne: 3,845*10 26 W Tägliche Strahlungsenergie der Sonne: 0,9228*10 25 kwh Maßeinheit [W/m²] Solarkonstante 1367 W/m² (außerhalb der Erdatmosphäre) Bestrahlungsstärke ist sehr stark vom Breitengrad abhängig In Äquatornähe wird jährlich die 2,5-fache Einstrahlungsenergie erreicht (im Vergleich zu Deutschland) Auch innerhalb von Deutschland gibt es ein Nord-Süd-Gefälle Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

11 Das Strahlungsangebot der Sonne Variation der Strahlung auf der Erde Tages- und Jahresgänge Unterscheidung in diffusen, reflektierten und direkten Strahlungsanteil Beeinflussung der Intensität und der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichtes durch das Wetter Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

12 Das Strahlungsangebot der Sonne Absorptionsmaß Air Mass (AM) Länge des Weges durch die Atmosphäre bestimmt unter anderem die nutzbare Bestrahlungsstärke und das Spektrum der solaren Strahlung Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

13 Das Strahlungsangebot der Sonne Verschiedene Sonnenspektren AM wird durch die Länge der Atmosphäre bestimmt AM0 ist oberhalb der Atmosphäre (Solarkonstante 1367 W/m²)

14 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

15 Physikalische Grundlagen Funktion einer Solarzelle Licht bewirkt Ladungsträgertrennung am PN-Übergang Elektronenüberschuss an der Vorderseite, Mangel (Löcher) an der Rückseite der Zelle Es entsteht eine Spannung von 0,5...0,7 Volt Bei Verbraucheranschluss fließt Strom Quelle: Volker Quaschning - Systemtechnik einer klimaverträglichen Energieversorgung in Deutschland

16 Physikalische Grundlagen Modulkennlinie Elektrische Parameter Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Maximum Power Point (MPP) Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

17 Physikalische Grundlagen Modulkennlinie Einfluss der Bestrahlungsstärke Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

18 Physikalische Grundlagen Modulkennlinie Hohe Temperatur führt zu einer Spannungsreduktion 0,4 %/K und zu einer Stromerhöhung 0,06 %/K (kristalline Module) Dünnschichtmodule sind weniger temperaturabhängig Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

19 Physikalische Grundlagen Beispielhafte I/U-Kennlinien (gemessen)

20 Physikalische Grundlagen Beispielhafte I/U-Kennlinien (gemessen)

21 Physikalische Grundlagen Verschiedene Technologien Dickschicht ( μm) monokristallines Silizium polykristallines Silizium Dünnschicht (<10 μm) amorphes Silizium Verbindungshalbleiter (CdTe, CIS) Stapelzellen Kombination beider Technologien erhöht Wirkungsgrad mono Si multi Si amorph Si CIS Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

22 Physikalische Grundlagen Spektrale Empfindlichkeit

23 Physikalische Grundlagen Effizienz (Wirkungsgrad) Silizium (monokristallin) % Silizium (polykristallin) % Silizium (amorph) 5 8% CdTe % CIS % Stapelzellen % GaAs.. > 20% Organische Solarzellen. < 6% (kurze Lebensdauer)

24 Physikalische Grundlagen Effizienzsteigerung durch mehr Schichten Quelle: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.v. (DGS) - Leitfaden Photovoltaische Anlagen

25 Physikalische Grundlagen Spektrale Empfindlichkeit einer Trippelzelle Quelle: Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.v. (DGS) - Leitfaden Photovoltaische Anlagen

26 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

27 Herstellung von Solarzellen Silizium Nach Sauerstoff häufigstes Element auf der Erde (Quarzsand) Reinheitsgrad größer 99% Hoher Energieeinsatz bei Herstellung Energetische Amortisationszeit 1,0-2,5 Jahre Quelle: Multitalent Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Vortrag Dr. Bendel (ISET))

28 Herstellung von Solarzellen Siliziumzellen Herstellungsverfahren (Guss- bzw. Zonenziehverfahren) bestimmt den Zellentyp Um Material und Kosten zu sparen wurden weitere Herstellungsverfahren entwickelt Waferherstellung mittels Bandsägen, Flachbett oder Rohrziehverfahren Direktes Aufbringen der Halbleiterschicht auf ein Substrat oder Superstrat bei Dünnschichtmodulen Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

29 Herstellung von Solarzellen Farben von Solarzellen Die Dicke der Antireflexschicht an der Oberfläche von kristallinen Solarzellen prägt das farbige Erscheinungsbild. Es entstehen Interferenzfarben. Die Effizienz nimmt geringfügig ab. Blau kennzeichnet die optimale Schichtdicke. Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

30 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

31 Systemtechnik Aufbau von Standard-Modulen Generelle Unterscheidung zwischen Glas/Folie und Glas/Glas-Modulen Hersteller geben eine Leistungsgarantie von 20 bis 25 Jahre Standardmodule mit Rahmen und rahmenlos Prüfung neben Leistung auch die elektrische Isolierfestigkeit, Klimatest, Hageltest, Spannungsfestigkeit (IEC 61215, IEC 61646) Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

32 Systemtechnik Skalierung von PV Durch Reihen- und Parallelschaltung lassen sich Leistungsbereiche von Milliwatt bis Megawatt realisieren Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

33 Systemtechnik Skalierung von PV Quelle: Multitalent Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Vortrag Dr. Bendel (ISET))

34 Systemtechnik Anschluss von Solarmodulen, Bypassdiode der Anschluss von Modulen erfolgt über verwechslungssichere Steckverbindungen in einer Anschlussdose befinden sich zusätzlich Bypassdioden, die im Falle einer Beschattung eine wichtige Funktion erfüllen Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

35 Systemtechnik PV-Wechselrichterkonzepte Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

36 Systemtechnik MPP-Tracking

37 Systemtechnik MPP-Tracking

38 Systemtechnik MPP-Tracking w w

39 Systemtechnik MPP-Tracking

40 Systemtechnik MPP-Tracking

41 Systemtechnik MPP-Tracking

42 Systemtechnik MPP-Tracking

43 Systemtechnik Systemkomponenten PV-Anlage im Netzparallelbetrieb Der Solargenerator wandelt die Solarstrahlung in elektrischen Strom um Der Wechselrichter wandelt die vom Solargenerator erzeugte Gleichspannung in eine netzkonforme Wechselspannung um Der Einspeisezähler registriert die ins öffentliche Netz eingespeiste Energie Der Verbrauchszähler registriert die aus dem öffentlichen Netz entnommene Energie Quelle: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre)

44 Systemtechnik Verschiedene Typen von PV-Anlagen Freifeld nachgeführt Dach Dachintegriert Gebäudeintegriert Quellen: Multitalent Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Vortrag Dr. Bendel) BSW-Solar (Bundesverbandes Solarwirtschaft) / S.A.G. Solarstrom AG

45 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

46 Potenziale der PV Freifeld / Dach / Dachintegriert / nachgeführt Ertrag ist abhängig vom Aufstellungsort (Breitengrad), der Ausrichtung und der Hinterlüftung Freifeldanlagen lassen sich optimal ausrichten dies ist bei Dachanlagen i.d.r. nicht möglich dachintegriert Multifunktionalität schlechterer Wirkungsgrad Ertrag maximieren durch eine Nachführung bis zu 35% Mehrertrag Ertrag bis 1000 kwh/kwp und mehr in Deutschland Weniger als 1% der Fläche Deutschlands nötig zur Versorgung mit PV (55km*55km) Quellen: Multifunktionale Photovoltaik Photovoltaik in der Gebäudehülle (Broschüre) Lothar Petry - Energiekonzepte für das Biosphärenreservat Rhön - Verlag für Akademische Schriften Frankfurt

47 Potenziale der PV Leistung und Energie in Deutschland Quelle: Erneuerbare Energien in Zahlen nationale und internationale Entwicklung (BMU Broschüre)

48 Potenziale der PV Szenarien der Zukunft Last und Stromeinspeisung [GW] Konv. KW Woche des maximalen PV-Ertrags Wind (17 GW) 5 GWp PV 10 GWp PV 15 GWp PV 20 GWp PV 25 GWp PV 30 GWp PV Tag der Woche Wochengang der Netzlast im Jahre 2005 mit maximaler PV-Einspeisung (17GW installierte Windleistung) Quelle: Rolle der Solarstromerzeugung in zukünftigen Energieversorgungsstrukturen - Welche Wertigkeit hat Solarstrom? - Studie ISET, ISE, meteocontrol

49 Inhalt Einleitung Das Strahlungsangebot der Sonne Physikalische Grundlagen Herstellung von Solarzellen Systemtechnik Potenziale der Photovoltaik Zusammenfassung und Ausblick

50 Zusammenfassung und Ausblick Schon heute über 6 GWp installierte Photovoltaik in Deutschland Dank EEG wurde diese Leistung erreicht Neue Techniken und die Weiterentwicklung machen die Photovoltaik wirtschaftlicher Weitere Steigerung der Wirtschaftlichkeit durch Multifunktionalität In Zukunft wird die Solarenergie ein unverzichtbarer Energielieferant sein

51 Zusammenfassung und Ausblick Quelle: Einsparung von Primärenergie durch Erneuerbare Energien (Vortrag Prof. Jürgen Schmid (ISET))

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!