Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien

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1 Lehrveranstaltung Erneuerbare Energien und energieeffiziente Technologien Prof. Dr.-Ing. Mario Adam E² - Erneuerbare Energien und Energieeffizienz Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik Fachhochschule Düsseldorf Kapitel Photovoltaik Stromerzeugung mit Solarenergie Übersicht über Umwandlungs- und Nutzungsmöglichkeiten Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen auf Wohnhäusern, ca kw Peakleistung auf Zweckbauten und auf freiem Feld, bis ca kw Peakleistung Photovoltaikanlagen ohne Netzkopplung dezentrale Inselsysteme meist kleiner Leistungen entfernt gelegene Verbraucher, Verkehrstechnik, Freizeitbereich,... Thermische Solarkraftwerke mit fokussierenden Spiegeln und Wärme-Kraft-Prozess, große Leistungen nur in Ländern mit hohem Direktstrahlungsanteil (Fokussierung!) Parabolrinnen, Türme mit Spiegelfeldern, Heliostaten Photovoltaik 1

2 Netzgekoppelte Photovoltaikanlage - Standard BRD Solar-Generator (mit Blitzschutz) Generatoranschlusskasten (mit Sicherung, Strangdioden, Erdung) Solarzelle z.b. 10x10cm kristalline Scheibe Solarmodul optimale Neigung ca. 35 nach Süd Trennschalter für EVU (nur bei 400 V Wechselrichter) EVU-Netz Verbrauch Modulanschlussleitung Stromkreisverteiler Hausanschlusskasten Gleichstromhauptleitung Stromzähler DC AC Erzeugung = Einspeisung Trennschalter Wechselrichter Gleichstrom DC / Wechselstrom AC (mit MPP-Tracking, Netztrennautomatik bei Fehlfunktionen) Trennschalter Photovoltaikanlage im Inselbetrieb mit Batterie DC-Last (Verbraucher) AC-Last (Verbraucher) Solar - Generator (inkl..aufständerung) DC-DC-Wandler (MPP - Nachführung) DC AC zusätzlicher DC-Generator z.b. Wind- Kraftanlage Ladungsregelung AC-Hilfsgenerator z.b.dieselgenerator DC: Direct Current (Gleichstrom) AC: Amplifying Current (Wechselstrom) Speicherung z.b.batterie Photovoltaik 2

3 Anbringung von Photovoltaik-Modulen Dachintegration Flachdach- Aufständerung mit Kies, ggf. Gehwegplatten beschwertes Trapezblech Belichtungs- und Gestaltungselement Fassadenintegration Aufbau einer Solarzelle Antireflexschicht metallischer Kontaktfinger Vorderseitenkontakt Globalstrahlung strahlungsinduzierter Strom n-schicht p-schicht strahlungsinduzierte Spannung Raumladungszone (ortsfeste Ladungsträger) strahlungsdinduziert gebildete, bewegliche Ladungsträger ganzflächiger metallischer Rückseitenkontakt Materialien: (polykristallin, monokristallin, amorph), Galliumarsenid, Cadmiumtellurid,... Bearbeitung: kristalline Scheiben (ca. 400 μm), dünne Schichten (ca. 2 μm),... Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997 Photovoltaik 3

4 Solarzellen Materialien, Typen, Wirkungsgrade Solarzelle Wirkungsgrad Material Zelltyp Labor Produktion Monokristallin 24 % % Polykristallin 19 % % MIS Inversionsschicht, kristallin 18 % 16 % Konzentratorzelle, kristallin 29 % 25 % Amorph, Dünnschicht 13 % 8 % Amorph, 2-Schichten-Tandem, Dünnschicht 13 % 9 % Amorph, 3-Schichten-Tandem, Dünnschicht 15 % 11 % Galliumarsenid (GaAs) Monokristallin 29 % 21 % Kupfer-Indium- Diselenid (CuInSe 2 ) Dünnschicht 17 % 14 % Cadmiumtellurid (CdTe) Dünnschicht 17 % 11 % Quelle: nach Kaltschmitt/Wiese, 1997 Maximale Theoretische Wirkungsgrade von Solarzellen Bandabstand E g (a-si) 1,7 ev E g (CuInSe 2 ) 1,0 ev Quelle: Hadamovsky/Jonas, 1996 Photovoltaik 4

5 Experiment mit PV-Koffer: Elektrische Eigenschaften einer Solarzelle Vorbemerkungen zum Experiment: Messbedingungen hier (in Abweichung von den Standard Test Conditions STC ) - Halogenstrahler statt Sonne geringere Strahlungsleistung: 100 W Strom -> 5 % Licht, 95 % Wärme langwelligere Spektralverteilung und kein paralleles, homogenes Licht - Quantifizierung der Einstrahlung: keine Messung der Bestrahlungsstärke über das gesamte Wellenlängenspektrum in [W/m 2 ], sondern Messung der Beleuchtungsstärke im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes in [lux] mit einem kalibrierten sensor - Einstellung verschiedener Beleuchtungsstärken mittels Veränderung des Abstandes Lampe-Solarzelle (nicht mittels Dimmung, da dann veränderte Spektralverteilung) - Abstand Lampe-Solarzelle nicht < 20 cm (Homogenität, Erwärmung), Messungen bei kleinem Abstand zügig durchführen (ansonsten Erwärmung) - Einflüsse der Messumgebung beachten z.b. Lichteinfall von Fenstern, Reflexionen Erklärung des Solarkoffer-Inhaltes und des Versuchsaufbaus Solarzelle Photovoltaik 5

6 Versuch Teil 1: Strom- und Spannungsabgabe einer Solarzelle in Abhängigkeit des Last- Widerstandes im Stromkreis Vorgehen: - DC-Strom/Spannungs-Messung: Messbereich 2000 ma bzw mv (anschließend möglichst nicht mehr verändern!) - übrige Messbedingungen (Beleuchtungsstärke, etc.) zunächst konstant halten - Messung von Strom I und Spannung U für verschiedene (Last)Widerstände R; in Schritten zwischen Minimal- und Maximalwert des Widerstandes; Einstellung per Drehknopf an der Messbox - zusätzlich Messung des Kurzschlussstromes I K (d.h. PV-Zelle direkt an Stromeingang des Messgerätes anschließen, R = 0) und der Leerlaufspannung U L (d.h. PV-Zelle direkt an Spannungseingang des Messgerätes anschließen, R = ) Aufgaben: - Auftragung der Messergebnisse in einem x/y-diagramm I = f (U), d.h. y = I, x = U - Berechnung der Leistung P = U I an jedem Messpunkt - Auftragung der Messergebnisse in einem x/y-diagramm P = f (U), d.h. y = P, x = U - An welchem Punkt der Strom-Spannungskennlinie ist die Leistung maximal (= Maximum-Power-Point MPP)? Wie hoch ist die maximale Leistung? Teil 2: Strom- und Spannungskennlinien und MPP von Solarzellen in Abhängigkeit von Beleuchtungsstärke, Einstrahlwinkel, beleuchteter Fläche, Zellverschaltung (seriell, parallel) und Verschattung Vorgehen und Aufgaben - jede Gruppe untersucht den Einfluss eines Parameters in folgender Weise - Vermessung der Strom-/Spannungskennlinien bei 3 unterschiedlichen Werten des zu untersuchenden Parameters (restliche Parameter = konstant) an jeweils 5 Messpunkten inkl. Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung - Abschätzung der Lage der MPP auf den Strom-/Spannungskennlinien - Abschätzung von Leistung und Lastwiderstand an den MPP Hinweise zu den einzelnen Parametern - Beleuchtungsstärke: Messung mit Vorderseite der Messsonde (= roter Punkt) in Richtung Lampe, Anschluss an untere Buchsen des Messgerätes, DC- Strommessbereich 2 ma, nicht näher als 20 cm an die Lampe heran - Solarzellenfläche: bei freier Solarzellenfläche, ¼ und ½ abgedeckter Zelle - Einstrahlwinkel: Messung auf der Rosette der Messunterlage, bei 0, 30, 60 (nicht in Richtung Fenster oder anderer Lampen drehen) - Serielle Verschaltung: mit 1, 2 und 3 Zellen - Parallele Verschaltung: mit 1, 2 und 3 Zellen - Serielle Verschaltung + Verschattung: mit 3 Zellen; alle Zellflächen frei und mit ½ und vollständiger Abdeckung (Verschattung) einer der drei Zellen - Parallele Verschaltung + Verschattung: mit 3 Zellen; alle Zellflächen frei und mit ½ und vollständiger Abdeckung (Verschattung) einer der drei Zellen Photovoltaik 6

7 Strom Zelle aus kristallinem mit 100 cm 2 Fläche Betriebspunkt = f (Lastwiderstand im äußeren Stromkreis R) R optimal = f (E, ϑ) MPP-Tracking im Wechselrichter Leistung Quelle: RWE-Bauhandbuch, 1998 Serien- und Parallelschaltung von Solarzellen/-modulen Bypassdiode Blockierdiode Strang 1 mit I Strang 1 = I min,i und U Strang 1 = Σ U i Solarzellen - Kennlinie, Maximum- Power-Point Kurzschlusssicherung Strang 2 mit... Zelle bzw. Modul Verbraucher I ges = I Strang 1 + I Strang 2 U ges Max (U Strang 1, U Strang 2 ) Photovoltaik 7

8 Wechselrichter - typische Wirkungsgradkennlinien Fazit: Wechselrichter sollten knapp, tendenziell etwas kleiner als die Spitzenleistung der angeschlossenen Module ausgelegt werden Quelle: Kaltschmitt/Wiese, 1997 Angabe der "Größe" einer Photovoltaik-Anlage Angabe als Fläche A in Quadratmetern m² (für Zellen, Module, Gesamtanlage) - A Zelle < A Module < A Gesamt Gründe: Zwischenräume zwischen den Zellen, teils runde oder an den Ecken abgerundete Zellen, Modulrahmen, Abstände zwischen den Modulen Angabe als Peakleistung P el,p in Kilowatt kw p (für Zellen, Module, Gesamtanlage) - Peakleistung = abgegebene Stromleistung unter Standard-Test-Conditions STC, d.h. bei 1000 W/m 2 Globalstrahlungsleistung Ġ G (entspricht etwa dem Maximalwert in der BRD) Air Mass 1,5 (d.h. solares Wellenlängenspektrum wie nach Durchtritt durch die 1,5fache senkrechte Atmosphärendicke) 25 C Solarzellentemperatur (je niedriger die Zelltemperatur, desto mehr Strom) - P el,p,zelle/modul/anlage = 1000 W/m². A. Zelle η STC,Zelle/Modul/Anlage mit: η STC = Wirkungsgrad bei STC und η STC,Zelle η STC,Modul η STC,Anlage - P el,p,anlage P. el,p,modul Anzahl Module mit P el,p,modul = Herstellerangabe - analog zur Nennleistung bei anderen technischen Geräten Photovoltaik 8

9 Photovoltaik - Stromproduktion einer Anlage Momentane Stromproduktion in kw P el = Ġ G A Zelle η mit η = momentaner Wirkungsgrad von Zelle, Modul oder Anlage (je nach "Bilanzgrenze") Ġ G = momentane Globalstrahlungsleistung in Modulebene in W/m² Jährliche Stromproduktion in kwh/a (G G,a = jährliche Globalstrahlung in Modulebene, kwh/m²a) mit Anlagennutzungsgrad Q el,anlage = (G. G,a A Zelle ). η Anlage η Anlage typische Werte für η Anlage = % mit Vollbenutzungsstunden b N Q el,anlage = P. el,p b N = P. el,p q el,anlage bzw. spezifischem Energie- typische Werte für q el,anlage = kwh/(kw. p a) ertrag q el,anlage typische Werte für b N = h/a mit Performance Ratio PR Q el,anlage = (G. G,a A. Zelle η Modul,STC,Herstellerangabe ). PR typische Werte für PR = % PR = Stromertrag in Prozent des maximal möglichen Ertrages an diesem Standort maximal möglicher Ertrag = Ertrag, wenn Anlagenwirkungsgrad = konstant = η Modul,STC laut Hersteller PR = η Anlage /η Modul,STC,Herstellerangabe PR ist eine von G G,a, d.h. vom Standort unabhängige Bewertungsgröße für die Güte einer PV-Anlage Stromerzeugung mit Photovoltaik Daten einer Beispielanlage Peakleistung der Anlage = 1 kw p Zellfläche = 6,7 m² Modulfläche = 8 m² Wirkungsgrad der Anlage bei STC = 15 % = 1 kw p / (1000 W/m². 6,7 m²) Solare Globalstrahlung in Modulebene = 1055 kwh/m 2 a Stromerzeugung = 850 kwh/a (ca. 100 kwh pro m² Modulfläche und Jahr) Jahres-Nutzungsgrad der Anlage bei der Umwandlung der Solarenergie in Strom = 12 % = 850 kwh/a / (1055 kwh/m²a. 6,7 m²) typische energetische Amortisationszeit = 5 13 Jahre monatliche Stromerzeugung Stromerzeugung am 16. März Stromerzeugung ca. 850 kwh/a maximale Stromerzeugung pro Tag Quelle: nach RWE-Bauhandbuch, 1998 Photovoltaik 9

10 Maßnahmen zur Erzielung hoher Stromerträge Hohe solare Einstrahlung nach Süden geneigt, in NRW mit einem Neigungswinkel von ca. 37 Hohe Performance Ratio Module realer Wirkungsgrad = Angabe im Prospekt keine (Teil-)Verschattung, insbesondere von in Serie geschalteten Modulen gute Hinterlüftung (= Kühlung) der Module geringe Abhängigkeit des Wirkungsgrades von Temperatur und Einstrahlung kein Mismatching (= Verarbeitung von Zellen mit unterschiedlichen Kennlinien in einem Modul bzw. Modulen mit unterschiedlichen Kennlinien in einem Generator) Wechselrichter hohe Ausfallsicherheit hohe Wirkungsgrade auch bei Teillast (nicht zu groß ausgelegt, günstige Kennlinie) gutes MPP-Tracking ausführende Firma mit positiven Referenzen (richtige elektrische Verschaltung, ) Netzgekoppelte PV-Anlagen - Kosten Investition: Förderung: - ca pro kw Peakleistung (d.h. pro ca. 8 m 2 Modulfläche) - bis ca pro kw Peakleistung bei sehr großen Anlagen (Mengenrabatt) : ca /kwp - Stromeinspeisevergütung für in 2004 gebaute Anlagen, garantiert für 20 a gemäß Erneuerbare-Energien-Gesetz (1. Fassung: 2000; 2. Fassung: 2004): 57,4 / 54,6 / 54,0 ct/kwh bei P el,peak = < 30 kw / kw / >100 kw bei Anlagen an Gebäuden (+5 ct/kwh für Fassadenanlagen; 5%/a Degression) 45,7 ct/kwh bei Freiflächenanlagen (6%/a Degression ab 2006) - ggf. zusätzliche Zuschussförderung von Bund, Land, Kommune, EVU - Betrieb eines Gewerbes zur Stromproduktion ( Steuerersparnis) Lebensdauer: - Herstellergarantie auf PV-Module von bis zu 25 Jahren - Wechselrichter in der Regel kleiner 20 Jahre (deutliche Produktunterschiede!) jährliche Kapitalkosten + laufende Kosten Kosten pro kwh PV - Strom = = jährliche Stromproduktion ca. 50ct/kWh Solarstromrechner unter oder Photovoltaik 10

11 Übung: Photovoltaik - Größe und Ertrag Beantworten Sie nachfolgende Fragen zu einer Photovoltaik-Anlage bei 10 m 2 Modulfläche η Anlage,STC = 14 % Verhältnis Modulfläche zu Solarzellenfläche = 10 zu 8 solare Einstrahlung in Modulebene laut Strahlungskarte = 1055 kwh/m 2 a prognostizierte Vollbenutzungsstundenzahl = 850 h/a 1. Wie groß ist die Peakleistung der Anlage? 2. Wie groß ist die jährlich zu erwartende Stromproduktion bzw. der Ertrag der Anlage? 3. Wie groß ist der Jahres-Nutzungsgrad der Anlage? 4. Wie groß ist die benötigte Modulfläche zur Deckung des Strombedarfs eines Singelhaushaltes von 1600 kwh/a und einer vierköpfigen Familie von 4000 kwh/a? Lösungen: 1,12 kwp; 952 kwh/a; 11,3 %; 16,8 m²; 42 m² Übung: Photovoltaik - Stromertrag und -kosten Berechnen Sie den Stromertrag und die Stromgestehungskosten einer PV-Anlage unter den nachstehenden Randbedingungen und vergleichen Sie diese mit den aktuellen Einspeisevergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz. 2 kwp-anlage, Standort Düsseldorf, Dachausrichtung mit 30 Abweichung von der Südausrichtung und Dachneigung = 35 Wirkungsgrad der Zellen und Module am STC = 15 %, der Anlage am STC = 14 %, Performance Ratio der Anlage = 80 % Investitionskosten = 7000 /kwp, 700 /kwp Zuschuss aus einem Förderprogramm erwartete Lebensdauer der Anlage = 25 a pauschale Berücksichtigung der Kosten für Zählermiete, kleinere Reparaturen, vorzeitige Erneuerung des Wechselrichters, etc. mit einem Aufschlag von 1 % auf die Annuität Annuitätendarlehen mit Annuität a = q n (q-1)/(q n -1) mit q=1+zinssatz, n=laufzeit in Jahren 1. Wie hoch ist der jährliche Stromertrag der Anlage? 2. Wie hoch sind die Stromgestehungskosten unter Zugrundelegung eines Kapitalzinssatzes für Guthaben von 7,3 % (= Mittelwert BRD für )? des obigen Kapitalzinssatzes und unter Berücksichtigung einer Inflationsrate von 2,7 % (= Mittelwert für Deutschland im Zeitraum )? des Kreditzinssatzes in einem Förderprogramm von 1,91 %? 3. Welche Stromgestehungskosten ergeben sich bei einem Zinssatz von 1,91 %, wenn durch schludrige Auswahl der Komponenten und schludrige Installation der Anlage eine Performance Ratio von nur 65 % erreicht wird? Lösungen: 1927 kwh/a; 64,1 ct/kwh, 51,1 ct/kwh, 39,7 ct/kwh; 48,9 ct/kwh Photovoltaik 11