1.1: Empfohlene Literatur

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1 1. Einleitung Allgemeine Informationen: Prof. Dr.Uli Lemmer Lichttechnisches Institut, Geb , Raum 223 Tel: URL: Folien werden ausgeteilt und sind als.pdf-file von der LTI-Homepage herunterzuladen Prüfung: mündl., Termin nach Vereinbarung mit LTI-Sekretariat (-2531) Vorkenntnisse: Quantenmechanik/Halbleiterbauelemente/ Thermodynamik hilfreich

2 1.1: Empfohlene Literatur 1.2 Empfohlene Bücher: Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch, Sonnenenergie, Photovoltaik Martin A. Green: Solar Cells: Operating Principles, Technology, and System Applications Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme, m. CD-ROM M. Kaltschmitt, A. Wiese, W. Streicher (Hrsg.), Erneuerbare Energien... Links auf der LTI-Homepage

3 1.2 Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2006/2007 Stand: Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Sonne Lemmer 2 Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer - Di Inauguration Karlsruhe School of Optics & Photonics Lemmer 3 Fr Kristalline pn-solarzellen Lemmer 4 Di Elektrische Eigenschaften Lemmer 5 Fr Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer 6 Di Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer 7 Fr Anorganische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 8 Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer 9 Di Third Generation Photovoltaics Lemmer 10 Di Photovoltaische Systeme I Lemmer - - Weihnachtsferien Lemmer 11 Di Photovoltaische Systeme II Lemmer 12 Fr Solarkollektoren Lemmer 13 Di Passive Sonnenenergienutzung 13 Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer 14 Di Energiespeicher/Solarchemie Heering 15 Fr Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering 16 Di Energieszenarien Lemmer 17 Di Exkursion Lemmer

4 Übersicht Einleitung 1.0 Allgemeine Informationen 1.1 Literatur 1.2 Terminplanung 1.3 Impressionen 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 2. Die Sonne als Energiequelle

5 : Impressionen der Vorlesung: Solarzellen Photovoltaik- Was ist eine Solarzelle? Licht wird von einem Halbleiter absorbiert Erzeugung von mobilen Ladungsträgern Front- Kontakt n-emitter (<1µm) p-basis (~300µm) BSF Rück- Kontakt Trennung von Ladungsträgern Elektrische Spannung an Kontakten Stromfluß im externen Stromkreis Quelle: Prof. Wagemann, TU Berlin

6 1.6 Solarthermische Kraftwerke: Parabolrinnen Die Stromerzeugung in solarthermischen Kraftwerken ist im Prinzip billiger und auch schon im grösseren Massstab realisiert.

7 1.7 Solarkollektoren: CPC-Vakuumröhrenkollektor Solarkollektoren zur Warmwassergewinnung sind relativ gut etablierte Systeme und zudem ausgefeilte optische und thermodynamische Systeme.

8 Passive Solarenergienutzung 1.8 Passive Solarenergienutzung ist die direkteste Form einer nachhaltigen Energieversorgung und hat noch riesige Potentiale.

9 Warum mit Solarenergie beschäftigen? Beschränkte Ressourcen an fossilen Brennstoffen - Ausstieg aus der Kernenergie?? - Klimawandel... Quelle: Heinloth

10 Warum mit Solarstrom beschäftigen? 1.10 Alle Szenarien für eine zukünftige Stromversorgung sehen einen wichtigen Beitrag der Solarenergie vor: Solarthermie Photovoltaik Nachhaltigkeitsszenario Stromerversorgung D (J. Nitsch et al.) D: 20 TWh Welt: 400 TWh aus 200 GW installierter PV-Leistung ( 2000 km 2 Solarzellenfläche)

11 Übersicht Einleitung 1.0 Allgemeine Informationen 1.1 Literatur 1.2 Terminplanung 1.3 Impressionen 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 2. Die Sonne als Energiequelle

12 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 1.12 Quelle: Kaltschmitt et al.

13 1.4.1 Primärenergieverbrauch nach 1.13 Energiedaten Ländern und Regionen Tabelle 31 letzte Änderung: in Exajoule WELT 361,0 365,0 366,3 370,6 373,3 382,7 393,4 397,2 399,9 407,3 416,3 419,0 428,1 442,6 463,0 AFRIKA 16,6 17,2 17,3 17,8 18,0 18,7 19,2 19,8 20,2 20,8 21,3 22,0 22,7 23,6 24,5 NORDAMERIKA 94,7 95,5 97,5 99,5 101,7 102,7 105,4 106,7 107,7 110,5 113,3 111,3 112,9 113,2 115,7 116,8 - USA 80,7 81,4 83,0 84,7 86,4 87,5 89,7 90,7 91,5 93,9 96,6 94,6 95,9 95,6 97,5 98,0 SÜDAMERIKA 14,2 14,4 14,9 15,0 16,0 16,4 17,3 17,9 18,5 18,8 19,1 19,1 19,2 19,4 20,3 ASIEN (Nicht-OECD-Länder) 1) 78,4 80,4 83,8 88,2 92,5 98,0 101,7 103,8 105,1 107,6 110,7 112,9 119,2 128,6 142,2 - China 36,7 36,5 37,7 40,0 41,8 44,6 46,3 46,3 46,5 46,8 47,6 47,6 51,5 58,5 68,1 - Indien 15,1 15,8 16,3 16,8 17,3 18,3 18,9 19,6 19,9 20,9 21,4 21,8 22,3 23,0 24,0 EUROPA (OECD - Länder) 68,0 69,0 68,3 68,6 68,4 70,3 72,9 72,7 73,6 73,4 74,3 75,6 75,4 77,1 78,1 78,5 - Deutschland 14,9 14,6 14,4 14,2 14,2 14,3 14,8 14,7 14,6 14,3 14,4 14,8 14,5 14,5 14,6 14,4 - Frankreich 9,5 10,1 9,9 10,1 9,7 10,1 10,7 10,4 10,7 10,7 10,8 11,2 11,2 11,4 11,5 11,6 - Großbritannien 8,9 9,2 9,1 9,2 9,3 9,4 9,8 9,5 9,6 9,7 9,8 9,8 9,6 9,7 9,8 9,8 - Italien 6,2 6,4 6,3 6,3 6,2 6,7 6,7 6,8 7,0 7,1 7,2 7,3 7,3 7,6 7,7 7,8 - Spanien 3,8 4,0 4,0 3,9 4,1 4,3 4,2 4,5 4,7 5,0 5,2 5,4 5,5 5,7 6,0 6,1 - Niederlande 2,8 3,0 2,9 3,0 3,0 3,0 3,2 3,1 3,1 3,1 3,2 3,3 3,3 3,4 3,4 3,4 EUROPA (Nicht-OECD-Länder) 5,9 5,0 4,5 4,3 4,1 4,4 4,6 4,5 4,3 3,9 3,9 4,1 4,2 4,3 4,4 Frühere SU 56,4 56,2 51,7 48,0 42,0 40,4 39,2 37,7 37,1 37,7 38,2 38,9 39,0 40,7 41,0 PAZIFIK (OECD-Länder) 2) 26,8 27,3 28,2 29,1 30,6 31,7 33,2 34,1 33,3 34,5 35,4 35,1 35,7 35,7 36,7 37,0 - Japan 18,6 18,8 19,3 19,4 20,4 20,9 21,5 21,7 21,5 21,8 22,1 21,7 21,8 21,6 22,3 22,2 - Australien 3,7 3,6 3,7 3,9 3,9 4,0 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,5 4,7 4,7 4,8 5,1 1) incl. Mittlerer Osten 2) umfasst Japan, Süd-Korea, Australien, Neuseeland Hinweis: Differenzen zu den Angaben für Deutschland in vorangehenden Tabellen aufgrund unterschiedlicher Berechnungsverfahren Quelle: Internationale Energie Agentur Exajoule = J Energieeintrag der Sonne pro Jahr: J

14 Primärenergieverbrauch: Welt 1.14

15 1.15 Energieverbrauch pro Kopf (in GJ) D in 2005: 175 PJ In D also im Schnitt ein andauernder Verbrauch von J s 5550W

16 Primärenergieverbrauch nach Energieträgern Primärenergieverbrauch: Deutschland 1.16 Energiedaten Tabelle 4 Deutschland letzte Änderung: in Petajoule (PJ) Energieträger Mineralöl Steinkohle Braunkohle Naturgase 1) Kernenergie Wasser- und Windkraft 2) 4) Sonstige 3) Gesamtverbrauch Anteile in % Energieträger Mineralöl 35,0 37,8 39,2 40,1 40,0 39,9 39,4 39,4 39,8 39,1 38,2 38,0 37,3 36,6 36, ,7 Steinkohle 15,5 15,9 15,3 14,9 15,1 14,4 14,2 14,1 14,2 13,7 14,0 13,3 13,4 13,9 13, ,0 Braunkohle 21,5 17,2 15,2 13,9 13,1 12,2 11,4 10,9 10,4 10,3 10,8 11,1 11,5 11,3 11, ,9 Naturgase 1) 15,6 16,8 16,9 17,9 18,4 19,7 21,3 20,6 20,9 21,1 20,8 21,5 21,9 22,1 22, ,8 Kernenergie 11,2 11,0 12,1 11,7 11,6 11,8 12,0 12,7 12,2 13,0 12,9 12,7 12,5 12,5 12, ,6 Wasser- und Windkraft 2) 4) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,6 0,5 0,5 0,6 0,6 0,9 0,8 1,0 0,9 1,1 1 1,3 Sonstige 3) 0,9 0,9 0,8 1,1 1,3 1,5 1,2 1,8 2,0 2,2 2,5 2,5 2,5 2,7 2,4 3,5 3,7 Energieeinheiten: 1 PJ = 1 Petajoule = J = EJ 1 TWh = 1 Terawattstunde = 10 9 kwh = 3.6 PJ 1 Mio Tonnen Steinkohleeinheiten = 1 Mio t SKE 29.3 PJ (Primärenergie = Endenergie + Verluste + Nichtenergetischer Verbrauch)

17 Deutschlands Energiemix 1.17

18 1.18 Erneuerbare Energien Energiedaten Tabelle 20 Deutschland letzte Änderung: Beitrag erneuerbarer Energien zum Primärenergieverbrauch - in PJ Wasserkraft Windkraft Photovoltaik 0,03 0,04 0,06 0,12 0,11 0,3 0,4 0,7 0, Holz, Stroh u. a. feste Stoffe Biodiesel u.a.flüssige Brennstoffe Klärschlamm, Müll, Deponiegas Klärgas einschl. Biogas Sonstige Erneuerbare 1) Insgesamt prozentualer Anteil am Primärenergieverbrauch 1,9 1,8 2,4 2,6 2,8 2,9 2,9 3,2 3,4 3,6 4,7 5,3 1) Solarthermie, Geothermie, Wärmepumpen Anteil Photovoltaik: (2005) 4.83 x 10-4 (2006)

19 1.19 Endenergieverbrauch nach Energieträgern Energiedaten Tabelle 6 Deutschland letzte Änderung: in Petajoule Energieträger Steinkohle Braunkohle Kraftstoff 1) Heizöl schwer Heizöl leicht Gas 2) Strom Fernwärme Sonstige 3) Insgesamt Anteile in % Energieträger Steinkohle 6,0 5,7 5,3 4,6 4,9 4,9 4,6 4,8 4,1 4,2 4,7 4,3 4,3 4,3 4,3 4,2 Braunkohle 10,3 5,9 3,9 3,2 2,4 1,9 1,7 1,4 1,1 1,0 0,9 0,8 0,8 0,9 1,0 1,0 Kraftstoff 1) 26,7 27,2 28,7 29,2 29,2 29,1 27,9 28,6 29,4 30,8 30,5 29,1 29,5 28,4 28,7 28,4 Heizöl schwer 2,0 2,0 2,0 2,0 1,9 1,7 1,6 1,6 1,5 1,3 1,0 1,1 1,1 1,0 1,1 0,9 Heizöl leicht 13,3 16,0 16,3 16,6 16,0 15,4 16,4 15,7 15,1 13,1 12,4 14,0 12,7 12,3 11,1 10,7 Gas 2) 19,8 21,4 22,0 22,8 23,3 24,2 25,8 25,2 25,5 25,8 26,1 26,6 26,7 27,5 27,4 27,3 Strom 17,3 17,2 17,6 17,2 17,6 17,7 17,3 17,7 18,1 18,5 19,3 18,8 19,5 19,4 20,2 20,4 Fernwärme 4,0 4,0 3,9 3,8 3,8 3,9 3,6 3,2 3,3 3,1 2,9 2,8 2,9 3,6 3,5 3,4 Sonstige 3) 0,6 0,5 0,5 0,6 0,7 1,2 1,1 1,8 2,0 2,1 2,2 2,4 2,5 2,6 2,7 3,8

20 1.4.2 Stromerzeugung: Deutschland 1.20 Quelle: ISK, 2004 Insgesamt: 607 TWh 2185 PJ (in 2004) Durchschnittlicher andauernder Stromverbrauch in 2005 pro Person in Deutschland: 7403kWh = h 845W

21 1.21 Entwicklung der Erzeugung (GWh) und installierten Leistung (MW) der Stromerzeugungsanlagen aus erneuerbaren Energien Wasserkraft GWh MW Anteil am gesamten Stromverbrauch 4,02 3,40 3,44 3,41 3,83 4,33 3,99 4,06 3,35 3,41 3,53 3,52 Windkraft GWh MW Anteil am gesamten Stromverbrauch 0,34 0,40 0,54 0,81 0,99 1,31 1,79 2,70 3,10 4,14 4,46 4,97 Biomasse GWh MW Biogener Anteil des Abfalls*) GWh Photovoltaik GWh MWp Geothermie GWh 0,2 0,2 0,368 MW 0,2 0,2 0,2 Stromerzeugung gesamt in GWh Anteil am Stromverbrauch 4,70 4,24 4,46 4,83 5,48 6,33 6,68 7,80 8,12 9,27 10,39 11,85 *) biogener Anteil mit 50 % angesetzt 2005: Photovoltaik:0.21 % der gesamten Stromerzeugung 2006: Photovoltaik:0.33 % der gesamten Stromerzeugung

22

23 1.23

24 PV-Industrie 1.24

25 PV-Industrie 1.25

26 Das Problem: Stromgestehungskosten 1.26 konv. Kraftwerke

27 Solarzellen: Kosten 1.27 Vergangenheit: Modulkosten Zukunft: Stromgestehungskosten

28 Übersicht Einleitung 1.0 Allgemeine Informationen 1.1 Literatur 1.2 Terminplanung 1.3 Impressionen 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 2. Die Sonne als Energiequelle

29 Globalstrahlung als natürliche Strahlungsquelle 1.29 Extinktion von Sonnenstrahlung auf dem Weg durch die Atmosphäre durch diffuse Reflexion und selektive Absorption Selektive Absorption, i.w. durch Spurengase, heizt die Atmosphäre auf. Diffuse Reflexion erfolgt durch Streuung der Sonnenstrahlung an Luftmolekülen, Wassertröpfchen, Eiskristallen der hohen Wolken und weiteren Aerosolen. Der Teil diffus reflektierter Strahlung, der auf die Erde gelangt, heißt (diffuse) Himmelsstrahlung. Globalstrahlung heißt die Summe aus direkter Sonnenstrahlung und Himmelsstrahlung und ist definiert als die einer horizontalen Flächeneinheit zugestrahlte Leistungssumme aus direkter Sonnen- und diffuser Himmelsstrahlung.

30 Daten von Sonne und Erde 1.30 Quelle: V. Quaschning

31 1.31 Spezif. Ausstrahlung, Oberflächentemperatur E = m c 2 dm dt S dn S 9 = m = 4,3 10 / dt kg s des dms c 2 26 W Φ S = = = 3, dt dt Massendefekt der Kernfusion setzt Energie frei, die als Strahlungsleistung auftritt. Φ S = A Φ A S S S MW 63,11 2 m =σ T B T = 5777K 4 Spezifische Ausstrahlung der Sonne mit Oberfläche A S Stefan-Boltzmann-Gesetz für Sonne als Schwarzer Körper Oberflächentemperatur der Sonne

32 Sonnenspektrum 1.32 Extraterrestrisches Sonnenspektrum: Kontinuierliches Spektrum mit Maximum bei 478 nm beschreibbar mit der Planck schen Formel der spektralen Strahldichte eines Schwarzen Körpers (Körper mit Absorptionsgrad = 1) der Temperatur T=5900K: L hc ( λ, T) = λ λ 5 hc kt λ exp( /( )) 1 Φ S =σbat S 4

33 Spektrale Bestrahlungssstärken E λ 1.33 (a) Schwarzer Körper von 5900 K Wellenlänge λ (b) Extraterrestrische Sonnenstrahlung (AM=0) bei mittlerem Sonnenstand nach WMO (c) Terrestrische Sonne für AM=1,5

34 Extraterrestrische Solarkonstante 1.34 Integriert man die spektrale Bestrahlungsstärke der extraterrestrischen Sonne über den gesamten Wellenlängenbereich, so erhält man die extraterrestrische Solarkonstante: -2 E 0 = 1367 ± 7Wm E = π Φ S rse Mittelwert der Bestrahlungsstärke außerhalb der Erdatmosphäre auf einer Fläche senkrecht zur Sonneneinstrahlung bei einer mittleren Entfernung r SE zwischen Erde und Sonne.

35 1.35 Absorption und Streuung in der Erdatmosphäre Durchgang durch Erdatmosphäre führt zu Schwächung der Strahlung durch Absorption und Streuung: Ozonschicht (O 3 ) in der Stratosphäre filtert Strahlung unter 300nm heraus. Spurengase (H 2 O, CO 2, N 2 O, CH 4, Fluorchlorkohlenwasserstoffe und Aerosole) in der Troposphäre absorbieren im Infraroten. Rayleigh-Streuung erfolgt i.w. an den Luftmolekülen (mit Durchmesser < λ). Streuquerschnitt proportional zu λ -4 Blaue Strahlung wird stärker herausgestreut als rote Mie-Streuung an Staubteilchen und Verunreinigungen der Luft (Aerosolen) mit Durchmesser > λ - im Hochgebirge gering, stärker in Industriegebieten

36 1.36 Absorption und Streuung direkter Sonnenstrahlung Spektrale Verteilung direkter Sonnenstrahlung nach verschiedenen Absorptions- und Streuprozessen a) extraterrestrische Sonnenstrahlung b) nach Absorption durch Ozon, c) nach Rayleigh-Streuung, d) nach Absorption und Streuung durch Aerosole, e) nach Absorption durch Wasserdampf und Sauerstoff direkte Sonnenstrahlung am Erdboden

37 Einfallswinkel der Sonnenstrahlung 1.37 γ S Sonnenhöhe α S Sonnenazimut Wintersonnenwende am 21. Dezember: Sonnenstand senkrecht über 23,5 südl. Breite Sommersonnenwende am 21. Juni Sonnenstand senkrecht über 23,5 nördl. Breite Karlsruhe auf 49 nördlicher Breite ,5 = 72,5 < 90 - γ s < 49-23,5 = 25,5 Winkel zur Berechnung der Sonneneinstrahlung Bei Frühlingsanfang am 21. März und Herbstanfang am 21. September, wenn die Sonne senkrecht über dem Äquator steht, ist der Einfallswinkel für Karlsruhe mittags 49 bzw. die Sonnenhöhe 41.

38 1.38 Air Mass und horizontale Sonnenbestrahlungsstärke Maß der Gesamtextinktion ist der Linke-Trübungsfaktor T L : E S = E0 sin( γ S )exp( TL δ R AM p / p0 ) Horizontaleinstrahlung der Sonne δ R = mittlere optische Dicke der reinen, trockenen Rayleigh-Atmosphäre p/p o = Luftdruckkorrektur AM = 1 sin( γ S ) AM-Werte für Berlin an verschiedenen Tagen bei Sonnenhöchststand Air mass: AM>1 berücksichtigt den längeren Luftweg der Sonnenstrahlung bei schrägem Einfall. Faktor sin(γ S ) von E 0 durch Flächenprojektion in die horizontale Empfangsebene

39 1.39 Reduktionseinflüsse in Abhängigkeit der Sonnenhöhe Die Mie-Streuung variiert je nach der Dichte der Verunreinigungen. Hinzu kommen Reduktionen infolge von Witterungseinflüssen wie starke Bewölkung, Schneefall oder Regen.

40 Tagesgänge der Globalstrahung 1.40 Karlsruhe am 2.7., einem wolkenlosen Sommertag, am , einem stark bedecktem Wintertag, und am , einem wolkenlosen Wintertag

41 1.41 Tagessummen von Direkt- und Diffusstrahlung Typischer Verlauf für Berlin. Beachte die starke Variabilität!

42 Direkt- und Diffusstrahlung hoher Anteil von Diffusstrahlung - Enorme Unterschiede für die Direktstrahlung

43 Monatsgänge der Globalstrahlung 1.43 Horizontale Beleuchtungsstärke E v und horizontale Bestrahlungsstärke E e bei bedecktem Himmel für 51 nördlicher Breite in Abhängigkeit von Jahres- und Tageszeit AM 1,5: Standardspektrum für die Messung von Wirkungsgraden von terrestrischen Solarzellen, Integration von AM = 1,5: maximale terrestrische Globalbestrahlungsstärke für AM = 1,5. E = 1,5 1, 0kW /m AM 2 (keine Trübung, klarer Himmel, Sonne senkrecht)

44 Tagesbestrahlungen in Deutschland 1.44 Max. Bestrahlungsstärke variiert nicht stark Große Unterschiede in den solaren Energien, die in einem Jahr auf eine horizontale Fläche an verschiedenen Orten fallen. Deutschland: Bestrahlung 1000 kwh/(m 2 a) Sonnenstunden pro Jahr (mit 1kWh/m 2 ) Jahresmittel: 115 W/m 2. Saudi-Arabien: 2500 kwh/(m 2 a), Mittel 285 W/m 2 Erde: Mittel 230 W/m 2. D: Sommereinstrahlung =5*Wintereinstrahlung Durchschnittliche Sonnenstunden pro Jahr (direkter Sonnenstrahlung mit mindestens 0,2 kw/m 2 ) Deutschland h.

45 Tagessummen für deutsche Orte 1.45

46 1.46 Direkte Sonneneinstrahlung auf geneigte Ebene E E = E dir, hor dir, s dir, hor sin γs E = E dir, gen dir, hor cosθ sin γ gen S

47 Einstrahlung auf geneigte Flächen relativ große Winkeltoleranz bei falscher Ausrichtung

48 Strahlungsgewinn durch Nachführung 1.48 Unterschiede der Bestrahlungsstärke auf der Horizontalen und der nachgeführten Fläche für wolkenlose Tage und 50 geografische Breite In Deutschland ca. 30% mehr Strahlungsenergie pro m 2 und Jahr durch Nachführung