Solartechnik/Photovoltaik

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1 Solartechnik/Photovoltaik

2 Was versteht man unter P h o tovo ltaik - Direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen - Seit 1958 ist sie zur Energieversorgung der meisten Raumflugkörper im Einsatz -Heute wird sie auch auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden und auf Freiflächen Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos ( = Licht ) und Volta (von Volt als Einheit der elektrischen Spannung nach Alessandro Volta) zusammen Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der umfassenderen Solartechnik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt

3 Geschichte der Photovoltaik - Bereits im Jahre 1839 wurde vom französichem Physiker Alexandre Emond Becquerel der photoelektrische Effekt entdeckt. (wird ein Photon von einem Elektron, das z. B. in einem Atom oder im Leitungsband eines metallischen Körpers gebunden ist, absorbiert und das Elektron dadurch aus der Bindung gelöst, spricht man vom photoelektrischen Effekt. Die Energie des Photons muss dazu mindestens so groß wie die Bindungsenergie dieses Elektrons sein) Bindungsenergie wird freigesetzt, wenn zwei oder mehr Bestandteile durch Anziehungskräfte zusammengebracht werden und miteinander ein gebundenes System bilden gelang es Albert Einstein, den Photoeffekt richtig zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis für Physik bekam. - Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren. - Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre in der Satellitentechnik gefunden.

4 G esc h i c h te d er P h o to v o l tai k - In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Photovoltaikzellen - Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und insbesondere die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem DächerProgramm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz ( die Weiterentwicklung von Technologien zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Quellen fördern ) erhebliche finanzielle Anreize bietet. - Das Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreichte die gesamte Nennleistung der in Deutschland installierten Photovoltaik-Anlagen ein Gigawatt.

5 Te c h n is c h e B e s c h re ibu n g Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Photovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt, in Akkumulatoren gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Photovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Ein bekanntes Beispiel für akkumulatorgepufferte Inselsysteme sind Parkscheinautomaten Die photovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen

6 Technische Beschreibung Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Photovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen Ohne die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Energiespeicherung im großen Maßstab werden bei Photvoltaik konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Das Stromeinspeisungsgesetz und insbesondere das Erneuerbare-EnergienGesetz haben zu einem Boom bei der Errichtung von Photovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Nennleistung von Photovoltaikanlagen überschritten, das entspricht allerdings nur nominell einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten zehn Jahren.

7 Wirkungsgrad Die heutzutage mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielbaren Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent bis zu über 40 Prozent. Da die Solarenergie gratis ist, spielt ein höherer Wirkungsgrad einer Zelle nur solange eine Rolle, als er die Investitionskosten (Kosten der Anschaffung) der Photovoltaik-Anlage reduzieren kann Ein möglichst hoher Zellenwirkungsgrad ist nur dann entscheidend, wenn die Fläche begrenzt ist, die Masse der Zelle möglichst klein sein muss und die Kosten zudem zweitrangig sind (zum Beispiel bei einem Satelliten oder einem Rennwagen)

8 Organische Solarzellen (Photovoltaik auf Basis von Solarzellen aus organischen Kunststoffen wird als Organische Photovoltaik bezeichnet) erzielen derzeit bis zu sechs Prozent Wirkungsgrad Dünnschichtmodule auf Basis von amorphem Silizium (amorphes Material ist ein Stoff, bei dem die Atome keine geordneten Strukturen, sondern ein unregelmäßiges Muster bilden) etwa 5 bis 13 Prozent Solarzellen aus polykristallinem Silizium (Ein Polykristall oder auch Vielkristall ist ein kristalliner Festkörper, der aus vielen kleinen Einzelkristallen (Kristalliten) besteht, die durch Korngrenzen voneinander getrennt werden) 13 bis 18 Prozent Zellen aus monokristallinem Silizium (Ein Einkristall oder Monokristall ist ein makroskopischer Kristall, dessen Bausteine (Atome, Ionen oder Moleküle) ein durchgehendes einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden) zwischen 14 und 24 Prozent Ein Problem heutiger Solarmodule besteht darin, dass ein Teil des Sonnenlichts nicht absorbiert und in elektrischen Strom umgewandelt, sondern von der Oberfläche reflektiert wird. Schwarzes Silicium (nadelförmige Strukturen auf der Oberfläche, die die Reflexion des Substrates stark verringern) vermeidet diese Reflexionen fast vollständig und könnte so in Zukunft den Wirkungsgrad um ca % gegenüber herkömmlichen Silizium-Modulen steigern. Gegenwärtig existiert diese neue Technologie allerdings erst im Labormaßstab.

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