1.1: Empfohlene Literatur

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1 1. Einleitung Allgemeine Informationen: Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Heering/Prof. Dr. rer. nat Uli Lemmer Lichttechnisches Institut, Geb , Raum 223 Tel: URL: Folien+ Skript ( Vorlesungsfolien): als.pdf-file von der LTI-Homepage herunterzuladen Prüfung: mündl., Termin nach Vereinbarung 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 1.3 Vorlesung Termin Thema Dozent Nr. 1 Di Wirtschaftliche Aspekte/Energiequelle Sonne Lemmer/Heering 2 Di Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer 3 Fr Kristalline pn-solarzellen Heering Di Lichttechnik-Tage "Automobile Lichtund Displaytechnik" in Karlsruhe 4 Fr Elektrische Eigenschaften Heering 5 Di 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 Fr Photovoltaische Systeme I Heering 11 Di Photovoltaische Systeme II Heering 12 Di Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien 13 Di Passive Sonnenenergienutzung Heering 14 Di Solarthermische Kraftwerke Lemmer 15 Di Energiespeicher/Solarchemie Heering 16 Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering 17 Di Energieszenarien Lemmer Di Exkursion Heering/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 Übersicht Einleitung 1.0 Allgemeine Informationen 1.1 Literatur 1.2 Terminplanung 1.3 Impressionen 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 2. Die Sonne als Energiequelle

10 1.4 Wirtschaftliche Aspekte 1.10 Quelle: Kaltschmitt et al.

11 Exajoule = J Energieeintrag der Sonne pro Jahr: J

12 Primärenergieverbrauch: Welt 1.12

13 1.13 Energieverbrauch pro Kopf In D also im Schnitt ein andauernder Verbrauch von J s 5600W

14 Primärenergieverbrauch nach Energieträgern Primärenergieverbrauch: Deutschland 1.14 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 36,5 36,2 35,9 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 13,3 13,9 13,5 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 11,4 11,2 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 22,6 22,8 23,1 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 12,7 12,5 Energieeinheiten: 1 PJ = 1 Petajoule = J = EJ Wasser- und Windkraft 2) 4) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,5 0,5 0,4 0,5 0,4 0,5 0,9 0,8 1,0 1,0 1,1 1,2 Sonstige 3) 0,9 0,9 0,8 1,1 1,3 1,5 1,3 1,8 2,2 2,3 2,5 2,5 2,5 2,2 2,4 3,1 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)

15 Deutschlands Energiemix 1.15

16 Anteil Photovoltaik:

17 1.17 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

18 1.4.2 Stromerzeugung: Deutschland 1.18 Quelle: ISK, 2004 Insgesamt: 607 TWh 2185 PJ (in 2004) Durchschnittlicher andauernder Stromverbrauch in kWh = h 845W

19 2005: Photovoltaik:0.16 % der gesamten Stromerzeugung 1.19

20 Das Problem: Stromgestehungskosten 1.20 Quelle: V. Quaschning

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

22 Warum mit Solarstrom beschäftigen? 1.22 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)

23 1.23 PV ist ein echter Wachstumsmarkt immer größerer Anteil netzgekoppelter Anlagen Globaler Bestand an Solarzellen im Jahre 2005: ca MW Weltproduktion von Solarzellen (Quelle: Photon 4/2006 und solarbuzz 3, 2006)

24 Solarzellen: Kosten 1.24 Vergangenheit: Modulkosten Zukunft: Stromgestehungskosten

25 PV in Deutschland 1.25 ROW: Rest of the world

26

27 1.27

28 PV Industrie 1.28

29 PV Industrie 1.29

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

31 Globalstrahlung als natürliche Strahlungsquelle 1.31 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 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.

32 Sonne 1.32 Sonnendaten km Durchmesser mittlere Massendichte von 1,41 g/cm 3 mittlere Entfernung von der Erde etwa 108 Sonnendurchmesser (8,3 Lichtminuten) Sonneninneres: heisses Plasma ionisierter Atome Bei Temperaturen über K Fusion von Wasserstoff Energieträger Sonnenoberfläche: Photosphäre 200 km dicke, gasförmige Schicht mit Sonnenflecken und Granulation emittiert den Hauptanteil des beobachtbaren Sonnenlichts Chromosphäre (außen, mehrere tausend Kilometer dick) besteht aus i.w. Wasserstoff und dünneren Gasen aus Ca, Fe, Na, O Absorptionslinien (Fraunhofer Linien): 393, 397, 431, 486, 527, 589, 656, 687, 761 nm. Sonnenkorona Linienhafte Emission hochionisierter Metallatome eines Plasmas von ca K

33 Spezif.. Ausstrahlung, Oberflächentemperatur 1.33 E= m c 2 dm dt S dn S 9 = m = 4,3 10 kg/s dt des dms c 2 3, W Φ S = = = 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 Abschätzung nach unten

34 Sonnenspektrum 1.34 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 λ 2hc ( λ, T ) = 5 λ 2 1 exp( hc /( ktλ)) 1

35 Spektrale Bestrahlungssstärken E λ 1.35 (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

36 Extraterrestrische Solarkonstante 1.36 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.

37 1.37 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

38 1.38 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

39 Einfallswinkel der Sonnenstrahlung 1.39 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.

40 1.40 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

41 Horizontale terrestrische Bestrahlungsstärken rken für f verschiedene Sonnenhöhen hen und Trübungen 1.41 Horizontale Bestrahlungsstärke E S durch die Sonne und E H durch den Himmel in Abhängigkeit von der Sonnenhöhe bei klarem Himmel und verschiedenen Trübungsfaktoren T L (nach Linke) Bedingt durch die Erdrotation mit 1 U/Sterntag und elliptische Bahnbewegung der Erde um die Sonne mit einer mittleren Geschwindigkeit von 29,79 km/s ändert sich der Sonnenstand mit der Jahreszeit, der Tageszeit und der geographischen Breite.

42 Reduktionseinflüsse sse in Abhängigkeit der Sonnenhöhe he 1.42 Hinzu kommen Reduktionen infolge von Witterungseinflüssen wie starke Bewölkung, Schneefall oder Regen.

43 Tagesgänge der Globalstrahung 1.43 Karlsruhe am 2.7., einem wolkenlosen Sommertag, am , einem stark bedecktem Wintertag, und am , einem wolkenlosen Wintertag

44 Tagessummen von Direkt- und Diffusstrahlung 1.44 Typischer Verlauf für Berlin. Beachte die starke Variabilität!

45 Monatsgänge der Globalstrahlung 1.45 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. 2 E AM = 1,5 = 1, 0kW/m (keine Trübung, klarer Himmel, Sonne senkrecht)

46 Tagesbestrahlungen in Deutschland 1.46 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.

47 Tagessummen für f r deutsche Orte 1.47

48 1.48 Direkte Sonneneinstrahlung auf geneigte Ebene E dir,s E dir,hor = sin γ S E dir,hor E dir,gen = E dir,hor cos θ sin γ gen S

49 Globalstrahlung in der Anlagenebene 1.49 Energieertrag bezogen auf den Ertrag bei optimaler Ausrichtung der Empfängerfläche

50 Strahlungsgewinn durch Nachführung hrung 1.50 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