Inhalt. Einführung 17

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1 Inhalt Einführung Einleitung Wozu Photovoltaik? Für wen ist dieses Buch gedacht? Aufbau des Buches Was ist Energie? Definition der Energie Einheiten der Energie Primär-, Sekundär-und Endenergie Energieinhalte verschiedener Stoffe Probleme der heutigen Energieversorgung Wachsender Energiebedarf Verknappung der Ressourcen Klimawandel Gefährdung und Entsorgung Erneuerbare Energien Die Familie der erneuerbaren Energien Vor- und Nachteile von erneuerbaren Energien Photovoltaik-das Wichtigste in Kürze Was bedeutet Photovoltaik"? Was sind Solarzellen und Solarmodule? Wie ist eine typische Photovoltaikanlage aufgebaut? Was bringt" eine Photovoltaikanlage? Geschichte der Photovoltaik Wie alles begann Die ersten echten Solarzellen From Space to Earth Vom Spielzeug zur Energiequelle 36

2 Strahlungsangebot der Sonne Eigenschaften der Solarstrahlung Solarkonstante Spektrum der Sonne Air Mass Globalstrahlung Entstehung der Globalstrahlung Beiträge von Diffus-und Direktstrahlung Globalstrahlungskarten Berechnung des Sonnenstandes Sonnendeklination Berechnung der Bahn der Sonne Strahlung auf geneigte Flächen Strahlungsberechnung mit dem Dreikomponentenmodell Direktstrahlung Diffusstrahlung Reflektierte Strahlung Strahlungsabschätzung mit Diagrammen und Tabellen Ertragsgewinn durch Nachführung Strahlungsangebot und Weltenergieverbrauch Der Solarstrahlungs-Energiewürfel Das Sahara-Wunder 56 Grundlagen der Halbleiterphysik Aufbau von Halbleitern Bohrsches Atommodell Periodensystem der Elemente Aufbau des Siliziumkristalls Verbindungshalbleiter Bändermodell des Halbleiters Entstehung von Energiebändern Unterscheidung in Isolatoren, Halbleiter und Leiter Eigenleitungsdichte Ladungstransport in Halbleitern Feldströme Diffusionsströme 67

3 3.4 Dotierung von Halbleitern n-dotierung p-dotierung Der pn-übergang Prinzipielle Wirkungsweise Banddiagramm des pn-übergangs Verhalten bei angelegter Spannung Dioden-Kennlinie Wechselwirkung von licht mit Halbleitern Phänomen der Lichtabsorption Absorptionskoeffizient Direkte und indirekte Halbleiter Lichtreflexion an Oberflächen Reflexionsfaktor Antireflexbeschichtung 80 Q Aufbau und Wirkungsweise der Solarzelle Betrachtung der Photodiode Aufbau und Kennlinie Ersatzschaltbild Funktionsweise der Solarzelle Prinzipieller Aufbau Rekombination und Diffusionslänge Was passiert in den einzelnen Zellbereichen? Back-Surface-Field Photostrom Absorptionswirkungsgrad Quantenwirkungsgrad Spektrale Empfindlichkeit Kennlinie und Kenngrößen Kurzschlussstrom /R Leerlaufspannung Ut Maximum Power Point (MPP) Füllfaktor FF Wirkungsgrad r\ Temperaturabhängigkeit der Solarzelle 95

4 4.5 Elektrische Beschreibung realer Solarzellen Vereinfachtes Modell Standard-Modell (Ein-Dioden-Modell) Zwei-Dioden-Modell Bestimmung der Parameter des Ersatzschaltbildes Betrachtungen zum Wirkungsgrad Spektraler Wirkungsgrad Theoretischer Wirkungsgrad Verluste in der realen Solarzelle Optische Verluste Elektrische Verluste Hocheffizienzzellen Buried-Contact-Zelle Punktkontakt-Zelle PERL-Zelle Zellentechnologien Herstellung kristalliner Silizium-Zellen Vom Sand zum Silizium Herstellung von Polysilizium Herstellung von monokristallinem Silizium Herstellung von multikristallinem Silizium Vom Silizium zum Wafer Waferherstellung Wafer aus Foliensilizium Herstellung von Standard-Solarzellen Herstellung von Solarmodulen Zellen aus amorphem Silizium Eigenschaften von amorphem Silizium Herstellungsverfahren Aufbau der pin-zelle Staebler-Wronski-Effekt Stapelzellen Kombizellen aus mikromorphem Material Integrierte Serienverschaltung Weitere Dünnschichtzellen Zellen aus Cadmium-Tellurid CIS-Zellen 131

5 5.4 Hybride Waferzellen Kombination von c-si und a-si (HIT-Zelle) Stapelzellen aus III/V-Halbleitern Sonstige Zellenkonzepte Konzentratorsysteme Prinzip der Strahlungsbündelung Was bringt die Konzentration? Beispiele von Konzentratorsystemen Vor- und Nachteile von Konzentratorsystemen ökologische Fragestellungen zur Zellen- und Modulherstellung Umweltauswirkungen bei Herstellung und Betrieb Beispiel Cadmium-Tellurid Beispiel Silizium Verfügbarkeit der Materialien Silizium Cadmium-Tellurid CIS III/V-Halbleiter Energierücklaufzeit und Erntefaktor Zusammenfassung 145 Solarmodule und Solargeneratoren Eigenschaften von Solarmodulen Solarzellenkennlinie in allen vier Quadranten Parallelschaltung von Zellen Reihenschaltung von Zellen Einsatz von Bypassdioden Reduzierung von Verschattungsverlusten Vermeidung von Hotspots Typische Kennlinien von Solarmodulen Variation der Bestrahlungsstärke Temperaturverhalten Sonderfall Dünnschichtmodule Beispiele von Datenblattangaben Verschaltung von Solarmodulen Parallelschaltung von Strings Was passiert bei Verkabelungsfehlern? 160

6 6.2.3 Verluste durch Mismatching Schlaue Verschaltung bei Verschattung Gleichstrom-Komponenten Prinzipieller Anlagenaufbau Gleichstromverkabelung Anlagentypen Freilandanlagen Flachdachanlagen Schrägdachanlagen Fassadenanlagen 172 Photovoltaische Systemtechnik Solargenerator und Last Widerstandslast DC/DC-Wandler Idee Tiefsetzsteller Hochsetzsteller MPP-Tracker Netzgekoppelte Systeme Einspeisevarianten Anlagekonzepte Aufbau von Wechselrichtern Aufgaben des Wechselrichters Netzgeführte und selbstgeführte Wechselrichter Trafoloser Wechselrichter Wechselrichter mit Netztrafo Wechselrichter mit HF-Trafo Dreiphasige Einspeisung Weitere schlaue Konzepte Wirkungsgrad von Wechselrichtern Umwandlungswirkungsgrad Europäischer Wirkungsgrad Schlaues MPP-Tracking Dimensionierung von Wechselrichtern Leistungsdimensionierung Spannungsdimensionierung Stromdimensionierung 196

7 7.2.6 Anforderungen der Netzbetreiber Vermeidung von Inselbetrieb Maximale Einspeiseleistung Sicherheitsaspekte Erdung des Generators und Blitzschutz Brandschutz Inselsysteme Prinzipieller Aufbau Akkumulatoren Prinzip des Blei-Säure-Akkus Typen von Bleiakkus Akkukapazität Spannungsverlauf Laderegler Serienregler Shuntregler MPP-Laderegler Produktbeispiele Beispiele von Inselsystemen Solar Home Systems Hybridsysteme Dimensionierung von Inselanlagen Erfassung des Stromverbrauchs Dimensionierung des PV-Generators Auswahl des Akkus 213 Photovoltaische Messtechnik Messung solarer Strahlung Globalstrahlungssensoren Pyranometer Strahlungssensoren aus Solarzellen Messung von Direkt-und Diffusstrahlung Leistungsmessung von Solarmodulen Aufbau eines Solarmodul-Leistungsprüfstands Güteklassen von Modulflashern Bestimmung der Modulparameter 221

8 8.3 Peakleistungsmessung vor Ort Prinzip der Peakleistungsmessung Möglichkeiten und Grenzen des Messprinzips Thermographie-Messtechnik Prinzip der Infrarot-Temperaturmessung Hell-Thermographie von Solarmodulen Dunkel-Thermographie Elektrolumineszenz-Messtechnik Messprinzip Beispiele von Aufnahmen 229 Planung und Betrieb netzgekoppelter Anlagen Planung und Dimensionierung Standortwahl Verschattungen Verschattungsanalyse Nahverschattungen Eigenverschattungen Optimierte Stringverschaltung Anlagendimensionierung mit Simulationsprogrammen Wechselrichter-Auslegungstools Simulationsprogramme für Photovoltaikanlagen Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen Das Erneuerbare-Energien-Gesetz Renditeberechnung Eingangsgrößen Amortisationszeit Objektrendite Weitere Einflussgrößen Überwachung, Monitoring und Visualisierung Methoden zur Anlagenüberwachung Monitoring von PV-Anlagen Spezifische Erträge Verluste Performance Ratio Konkrete Maßnahmen zum Monitoring Visualisierung 246

9 9.4 Betriebsergebnisse von konkreten Anlagen Schrägdachanlage aus dem Jahre Schrägdachanlage aus dem Jahre Flachdachanlage aus dem Jahre HAusblick Potential der Photovoltaik Theoretisches Potential Technisch nutzbare Strahlungsenergie Technisches Stromerzeugungspotential Photovoltaik versus Biomasse Effiziente Förderinstrumente Preisentwicklung Überlegungen zur zukünftigen Energieversorgung Bisherige Entwicklung der erneuerbaren Energien Betrachtung unterschiedlicher Zukunftsszenarien Optionen zur Speicherung von elektrischer Energie Anforderungen an die Netze Fazit 263 Übungsaufgaben 264 Anhang Checkliste zu Planung, Installation und Betrieb einer Photovoltaikanlage Im Buch verwendete Abkürzungen Physikalische Konstanten/Materialparameter Literatur Weiterführende Informationen zur Photovoltaik 285 Index 287