LINAC AG IAP Goethe Universität Frankfurt. 5.2 Solarenergie. H. Podlech 1

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1 5.2 Solarenergie H. Podlech 1

2 Grundlagen Solarenergie Die Sonne verliert 4.3 Mt Masse pro Sekunde H. Podlech 2

3 Die Sonne als schwarzer Strahler Schwarzer Strahler Sonne Spektrale Energiedichte f ν H. Podlech 3

4 Die Sonne als schwarzer Strahler Leistungsdichte (isotrope Abstrahlung) Stefan-Boltzmann S R S E R E r SE H. Podlech 4

5 Atmosphärisches Sonnenspektrum (W Wm -2 nm -1 ) Atmosphäre ändert das Sonnenspektrum Reflexion an Aerosolen Mie-Streuung an Aerosolen Rayleigh-Streuung an Molekülen Absorption durch Moleküle (O 3, H 2 O, CO 2 ) AM0 (Weltraum) Global Warming Spektrum hängt von der Dicke der durchlaufenden Luftmasse ab nhöhe Atmosphäre AM1 Referenzspektrum AM1.5 Globale Strahlungsleistung (direkt+diffus) 1000 Wm -2 Typisch für gemäßigte Breiten Beobachter H. Podlech 5

6 Nutzung der Sonnenenergie Photovoltaik Photothermik Aufwindkraftwerke H. Podlech 6

7 Materialien Leitungsband Valenzband Leiter E g <0 ev Halbleiter 0>E g >3 ev Isolator E g >3 ev Gerthsen, Physik Silizium, Germanium, GaAs, CdS H. Podlech 7

8 Grundlegende Funktionsweise einer Solarzelle E Halbleiter Anregung von Elektronen ins Leitungsband Thermisch Photoinduziert Leitungsband E g 1eV Valenzband Si: n i cm -3 (Metalle cm -3 ) Notwendig: Trennung der photoinduzierten Ladungsträgerpaare pn-grenzschicht H. Podlech 8

9 Dotierung des Halbleiters n-dotierung (V) p-dotierung (III) E Halbleiter pn-übergang Donator-Niveaus ΔE mev Akzeptor-Niveaus Dotierungsdichten cm -3 U D V H. Podlech 9

10 Grundlegende Funktionsweise einer Solarzelle Elektron-Loch-Paare entstehen im Halbleiter und wandern bis zur pn-schicht Ladungstrennung Rekombination (unerwünscht) durch hohe Reinheit Rekombinationsrate erniedrigt H. Podlech 10

11 Funktion einer Solarzelle Licht Offene Enden Kurzschluss n n n E p p p Elektronen _ + U 0 =U D I I=0 P=0 U=0 P=0 H. Podlech 11

12 Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad E Leitungsband Valenzband hν E g Schwarzkörperspektrum mit T=5800 K Für hν>e g werden alle Photonen absorbiert Keine Reflexion- und Transmissionsverluste Keine Rekombination Keine thermische Abstrahlung für T=T zelle Maximale elektrische Zellenleistung Strahlungsleistung Spektraler Photonenstrom (s -1 Hz -1 ) H. Podlech 12

13 Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad H. Podlech 13

14 Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad Photovoltaisch nutzbarer Anteil des Sonnenspektrums H. Podlech 14

15 Photovoltaischer Grenzwirkungsgrad Reale Wirkungsgrade kommerzieller Zellen Einfluss der verschiedenen Verlustmechanismen Reales Spektrum Material Wirkungsgrad Amorphes Si 5-10% Polykristallines lli Si 10-15% 15% Monokristallines Si 15-20% Galliumarsenid 15-25% η gr H. Podlech 15

16 Energiebilanz (Poly)kristalliner Si-Zellen Rohsilizium (98% Reinheit) durch carbon-thermische Reduktion Auflösung in heißer Salzsäure Fraktionierte Destillation (SiH 4 ) Siemensverfahren (Abscheidung an Si-Dünnstäben) Blockgießen Waferproduktion ( μm Scheiben), Trennverluste ca 45% Dotierung, Reinigung, Siebdruckprozesse Modulherstellung Summe 150 kwh/kg 50 kwh/kg 100 kwh/kg 50 kwh/kg 50 kwh/kg 300 kwh/kg 100 kwh/kg 100 kwh/kg 800 kwh/kg 1 kg Si liefert ca 1 m 2 Solarzellenfläche <P>=1 kw/m 2 (Deutschland, AM1.5) η=15% 150 kwh/a Amortisationszeit 5 Jahre Erntefaktor 4 Konventionelle Si-Zellen (c-si, mc-si) Hohe Reinheit (Rekombination) Hoher energetischer Aufwand Hohe Kosten H. Podlech 16

17 Si-Dünnschicht-Solarzellen Kristallines Silizium ist indirekter Halbleiter Große Absorptionslänge: 156 μm Kristalline Si-Zellen müssen 200 μm dicksein Hohe Reinheit (Rekombination) :1 k k Ausweg: Verwendung von amorphem Silizium (asi) Direkter Halbleiter Absorptionslänge: μm Verwendung dünner Schichten Geringere Reinheitsanforderungen Materialeinsparung Kosten H. Podlech 17

18 Si-Dünnschicht-Solarzellen Amorphe Struktur hohe Zahl an Koordinationsdefekten Kurze Ladungsträger-Lebensdauer Einbau von Wasserstoff zur Sättigung von Bindungen hydrogenisiertes amorphes Si (asi:h) Abscheiden des amorphen Siliziums aus dissoziiertem Silan (SiH 4 ) auf Trägersubstrat (Plasma Enhanced Chemical Vapor Disposition (PECVD)) Einlass von Dotiergasen (Phosphin PH 3 und Diboran B 2 H 6 ) Wirkungsgrad 10% Degradation unter Lichteinfluss (20% in den ersten 200 Volllaststunden) (Stabler-Wronsky-Effekt Aufbrechen von SI-H-Bindungen ) H. Podlech 18

19 Tandem-Solarzelle (Stapel-Zelle) Ziel: Erhöhung des Wirkungsgrades durch bessere Quantenausbeute Licht zugewandt Licht abgewandt E g1 E g2 Transparent für ν<ν 1 Oerlikon Solar H. Podlech 19

20 Stapel-Solarzelle 4-fach Zelle H. Podlech 20

21 Konzentrator-Systeme t t Solarzelle Linse Konzentration des Sonnenlichtes: Kühlung Weitere e e Reduktion des Materialeinsatzes a e es Stapelbar Notwendig: Direktes Sonnenlicht Notwendig: Exakte Nachführung Typischerweise III-V Halbleiter Solarzelle Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme H. Podlech 21

22 Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme Berlin H. Podlech 22

23 Farbstoff-Solarzelle (Grätzel-Zelle*) Elektronenanregung durch Farbstoffe Der Photosynthese ähnlicher Prozess (Technische Photosynthese) Farbstoff aus roten Früchten 3,5,7,3',4'-Pentahydroxyflavylium (Cyanidin) Anregung ng von Elektronen des π-elektronensystems * Michael Grätzel, 1992 H. Podlech 23

24 Farbstoff-Solarzelle Photon Angegegte Elektronen tunneln in TiO 2 TCO (transparent conducting oxide) zb:sno z.b: 2 _ + Lebensdauer Farbstoff Versiegelung Elektrolyt Kostengünstig Geringe Umweltbelastung 2F 3I - I e I 3- +e 3 I - 3 2hν 2F* 2F + + 2e Anregung Farbstoff, e - -Abgabe an Ti 2 O Reduktion Iodid Farbstoff nimmt e auf Oxidation von Tri-Iodit zu Iodit H. Podlech 24

25 Grundlegende Funktionsweise einer Solarzelle Solarzelle: Photodiode in Durchlassrichtung H. Podlech 25

26 Kennlinien von Solarzellen U 0 ~ ln(intensität) I ~ Intensität P ~ Intensität*ln(Intensität) MPP: Maximum Power Point H. Podlech 26

27 Messung von Solarzellen H. Podlech 27

28 Messung von Solarzellen Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie Zelle + - I R U H. Podlech 28

29 Messung von Solarzellen: Kennlinie H. Podlech 29

30 Messung von Solarzellen: Lastanpassung R innen (Solarzelle) 7 Ω H. Podlech 30

31 Messung von Solarzellen: Wirkungsgrad Zellenfläche: A Z = π RZ = π (5cm) 4 4 Lichtfläche: A L = π R = π ( 20cm) 2 L 2 Lichtleistung: PL =ηlpl = W = 15W Pmax 13.5mW η = = A 5 Z PL 15000mW AL H. Podlech 31

32 Temperaturabhängigkeit der Leistung H. Podlech 32

33 Strahlungsleistung in Deutschland Globalstrahlung Summe aus direkter und indirekter (gestreuter Strahlung) 55% von S 0 (weltweit) 120 W/m 2 (D) H. Podlech 33

34 Abhängigkeit der Globalstrahlung Karlsruhe Berlin H. Podlech 34

35 Erhöhung der Effizienz von Solarsystemen durch Nachführung H. Podlech 35

36 Statistische Verteilung der PV-Leistung in D (2009) 2013: Werte x 3.5 H. Podlech 36

37 PV Leistungsabgabe (D) H. Podlech 37

38 Reihenschaltung H. Podlech 38

39 Parallelschaltung H. Podlech 39

40 Reihen- und Parallelschaltung H. Podlech 40

41 Abschattung H. Podlech 41

42 Abschattung H. Podlech 42

43 Solarmodule H. Podlech 43

44 Solarenergie Solarmodul mit W p =120 W U=17 V I=7 A Solarmodul: 798 Laderegler: 40 Spannungswandler: 80 Akku 90 Ah: 232 Summe: 1150 Mittelwert von 1000 Volllaststunden W=1000 h/a x 0.12 kw=120 kwh/a W=2400 kwh in 20 Jahren Kosten pro kwh: 1150 /2400=0.48 Bei größeren Anlagen geringere Preise für Module, aber Wartung und Installation H. Podlech 44

45 Solaranlagen mit Netzeinspeisung H. Podlech 45

46 Potenzial in D (Photo-Voltaik) Annahme: 1 GW el Durchschnittsleistung (η=0.15, 1000 Volllaststunden, 1 kw/m 2 ) 1GW el entspricht 8.76 Mrd kwh/a 1 m 2 Solarzelle liefert 150 kwh/a A=58.4 km 2 Solarzellenfläche Hauptproblem: Speicherung Speicherung durch Stauseen Speicherung durch Batterien/Akkus Speicherung durch Wasserstoff H. Podlech 46

47 Potenzial in D?? Flächenbedarf bei 100% Solarstrom mit Speicherung Brennstoffzelle: Pro kwh braucht man 3-4 kwh Solarstrom (H 2 aus Elektrolyse) H. Podlech 47

48 Einsatz der Photovoltaik Nicht sinnvoll (?) sinnvoll Industrielle Anwendungen Öffentlicher Verkehr Insellösungen Unterstüzung der häuslichen Versorgung (sinkende Preise) Energie muss zeitlich abrufbar sein Speicherung oder Produktion bei PV nicht gegeben (z.z.) H. Podlech 48

49 Solarthermische h Nutzung Umwandlung kurzwelliger Strahlungsenergie in Wärme H. Podlech 49

50 Solarkollektoren H. Podlech 50

51 Solarkollektoren - Wirkungsgrad H. Podlech 51

52 Kollektor-Kraftwerke H. Podlech 52

53 Kollektor-Kraftwerke Strahlung der Sonne wird mittels Kollektoren konzentriert Höhere Temperaturen K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 53

54 Kollektor-Kraftwerke - Farmkraftwerke K= , T= C H. Podlech 54

55 Kollektor-Kraftwerke: Turmkraftwerke K= , T= C H. Podlech 55

56 Desertec Solarthermiekraftwerke in Wüsten 15% Strom bis 2050 für EU Kosten bis 2050: 400 Mrd Stromtransport mittels Gleichstrom H. Podlech 56

57 Aufwindkraftwerke H. Podlech 57

58 Aufwindkraftwerke p a : Luftdruck außen T a : Temperatur außen T i : Temperatur innen ρ i : Dichte innen ρ a : Dichte außen H: Kaminhöhe ideales Gas Toricelli-Gleichung Folgt aus Bernoulli mit Δp/p<<1 H. Podlech 58

59 Aufwindkraftwerke H. Podlech 59

60 Aufwindkraftwerke Manzanares, Spanien H. Podlech 60

61 Aufwindkraftwerke Manzanares, Spanien Australien Durchmesser 250 m Kamin-Ø=10 m Höhe 200 m P max =100 kw η=0.2% ρ=2 W/m 2 Durchmesser 7 km Kamin-Ø=170 m Höhe 1000 m P max =200 MW η=0.5% ρ=5 W/m 2 Hauptproblem: Stabilität, Fläche H. Podlech 61