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Regenerative Energiequellen – Photovoltaik

Vorlesung Regenerative EnergiequellenVorlesung Regenerative Energiequellen

7. Photovoltaik -- Anwendungsgebiete und Marktentwicklung - Funktion von Solarzellen- Modularten und –aufbau- Wirkungsgrad und Ertrag von Photovoltaikmodulen

Systeme Inselsysteme netzgekoppelte Anlagen- Systeme - Inselsysteme, netzgekoppelte Anlagen- Planung, Aufstellung, Gebäudeintegration

www.igs.bau.tu-bs.de

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Umwandlung der Sonnenenergieg g

Photothermisch Photovoltaisch

ElektrizitätWärme

Chemische EnergieThermische Chemische EnergieThermischeEnergie-speicher

Photochemisch


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Photovoltaik - Anwendungsgebieteg g

me

ISE

industrielleLändliche

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stemindustrielle

Anwendungen27%

Konsum

Elektrifizierung,netzfern

22%

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are

NetzgekoppelteAnlagen

Konsum-produkte

15%

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r-I36%

Que

lle: J

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he


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Entwicklung des PV- Marktes in Deutschlandg


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Einsatz deutscher PV-Technologie im Auslandg

öß S fWeltweit größtes Solarkraftwerk in Benexama –90% deutsche Technik

Standort: Beneixama (Provinz Alicante) Nennleistung: 200 x 100 kWp (20 MWp) Globalstrahlung: 1.934 kWh/m² p. a. auf Modulebene Grundfläche: ca 500 000 m² (rund 71 Fußballfelder)Grundfläche: ca. 500.000 m² (rund 71 Fußballfelder) Solarmodule: ca. 100.000 Stück, Typ „City Solar PQ 200“ Modulfläche: ca. 160.000 m² Stromproduktion: ca. 30.000.000 kWh p.a. (Bedarf von mehr als 12.000 Durchschnittshaushalten)


CO2-Vermeidung: ca. 30.000 Tonnen p. a. Fertigstellung: August 2007

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Weltmarkt Photovoltaik


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7. Photovoltaik -- Anwendungsgebiete und Marktentwicklung - Funktion von Solarzellen- Modularten und –aufbau- Wirkungsgrad und Ertrag von Photovoltaikmodulen



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Energieumwandlung bei der Solarzelleg g

Solar-strahlung

Solarzelle Elektrizität

Wärme


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Photoeffekt

Der Energieinhalt der Solarstrahlung (des Photons) ist abhängig von der

ch

Der Energieinhalt der Solarstrahlung (des Photons) ist abhängig von der Wellenlänge bzw. der Frequenz

Plancksches Wirkungsquantum

hchEPlancksches Wirkungsquantumh = 6,625 · 10-34 JsLichtgeschwindigkeitc = 2,998 · 108 m/sc 2,998 10 m/sλ [m]; ν [1/s]

Energieinhalt: ELEKTRONENVOLT (eV)In Teilchenphysik übliche Energieeinheit. Ein Elektronenvolt entspricht der kinetischen Energie eines Elektrons, das durch die Spannung von 1 Volt beschleunigt wurde.

sichtbares Licht (380 780 nm): 3 0 1 5 eV

1 eV = 1,602·10-19 J = 1.602·10-19 Nm = 1.602·10-19 kg m2/s2


sichtbares Licht (380 - 780 nm): 3,0 – 1,5 eV

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Absorption von Photonenp

Leitungsband

B d b t dPhoton h > E G

erbotene Zone“

Valenzband

Bandabstand „verbotene Zone“

Metall Halbleiter

Äußerer Photoeffekt Innerer PhotoeffektÄußerer Photoeffekt –„Hallwachs“-Effekt,vollständiges Lösen von Elektronen vom Kern

Innerer Photoeffekt –Anheben von Elektronenauf höhere Energieniveaus,Nutzung der Energie des ultravioletten


Elektronen vom Kern Nutzung der Energie des ultravioletten,sichtbaren und infraroten Lichtes

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Eigenhalbleiterg

Si Si Si

Si Si Si

E

Si Si Si Leitungsband

E

E = 1,1 eVG

Valenzband


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Bändermodell

Oberflächenpotenzial

Leit ngsband0

Leitungsband

E3nerg

ie E

E2

E1

ektro

nene

Atomkerne

Ele

Valenzband: oberstes vollständig besetztes BandValenzband: oberstes vollständig besetztes Band

Leitungsband: darüber liegende, meist teilweise besetzte Bänder(freie Elektronen im Leitungsband definieren elektrische undthermische Eigenschaften des Materials)


thermische Eigenschaften des Materials)

Bandabstände: Halbleiter: 0,5 … 2 eV, Isolatoren 10 eV

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Schalenmodell chemischer Elemente

Klassische Halbleiter (z.B. Si) in IV. Gruppe des Periodensystems –4 El kt i b t i ht4 Elektronen in oberster nicht vollbesetzter Schale(Verbindung mit 4 weiteren Nachbar-Elektronen zu stabilen Achterschalen)Elektronen zu stabilen Achterschalen)

Ähnlich: geeignete Legierungen der III. und V. Gruppe / II. und VI. GruppeG lli id G A III/VGalliumarsenid - GaAs III/VCadmiumtellurid - CdTe II/VI

Intrinsische Halbleiter: reine Halbleiter oder HalbleiterkombinationenIntrinsische Halbleiter: reine Halbleiter oder HalbleiterkombinationenFermi-Niveau in der Mitte der „verbotenen“ Zone (Verhalten bestimmt von Bandabstand und Temperatur)

Extrinsische Halbleiter: Dotierte Halbleiter – Zugabe von Fremdatomen,


gErzeugung zusätzlicher Energieniveaus in der „verbotenen“ Zone,Donator z.B. Phosphor, Akzeptor z.B. Bor

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Kristallstruktur und Bändermodell von Halbleitern


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Materialien von Solarzellen

Ausschnitt aus der Periodentafel Silizium (Si)

Germanium (Ge)IIB IIIB IVB VB VIBIB

Si14

Germanium (Ge)

Gallium-Arsenid (GaAs)P

15

Al13

IIB IIIB IVB VB VIBIB

Si

Ge32

Ga31

As33

48 52

Cadmium-Tellurid (CdTe)P

49

Al

51Cu

29

Se34

49Ga

31

Cd TeInIndium-Phosphor (InP)

Sb

Aluminium-Antimon (AlSb)

In

Kupfer, Indium, Gallium, Selen (CIS)


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Theoretische Wirkungsgrade von Solarzelleng g


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Dotierung / Ladungstrennung

n-Dotierung:

g g g

elektrisch Zusammenfügen von n

Si Si

neutralZusammenfügen von nund p dotierter Schicht

Si Ph

freies Elektron

Si Si

Si Ph

nach Elektronenwanderungpositiv geladen

p-Dotierung:Si B

Ladungstrennung durchinneres elektrisches Feld

Si B

Loch

Si Sinach Elektronenwanderungnegativ geladen

Si Si

Si H lbl it M t i l l kt i h l itfähi t Z f h S l t hl

elektrischneutral


Si: Halbleiter-Material, elektrisch leitfähig unter Zufuhr von Solarstrahlungisolierende Wirkung bei tiefen Temperaturen

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Ladungstrennung am p-n-Übergangg g p g g

n-Dotierung

(Einfügen von

Phosphor Atomen)

nachElektronenwanderung

Phosphor-Atomen) positiv geladen

nachp-Dotierung

(Einfügen von

B At )

Elektronenwanderungnegativ geladen

Bor-Atomen)


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Aufbau einer Solarzelle

Solarstrahlung

Kontaktfinger

Verbraucher

Antireflexschicht(Verringerung der

n-Schichtp n Übergang

VerbraucherReflexionsverluste)

p-SchichtRückseiten-Metallkontakt

p-n-Übergang

Durchmesser der Solarzelle: etwa 0,3 mmDicke der n-Halbleiterschicht: etwa 0 002 mm


Dicke der n Halbleiterschicht: etwa 0,002 mm

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Oberflächenstruktur einer Solarzelle

Photon

SiliziumSilizium

OxidMetall


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Prinzipieller Aufbau eines Solarmoduls

GlasSolarzelle

p

Glas

Glas/ KunststoffKunststoff (EVA Gießharz)Kunststoff (EVA, Gießharz)

elle

nele

men

teSolarzelleelektrische Verbindungen

Bifa

cial

-Sol

arze

Glasscheibe

Que

lle: R

. Hez

el:


Q

Rückenabdeckung

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Solarzelle, Modul und Generator,


Quelle: BDH

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Wirkungsgradoptimierung von Solarzelleng g p g

Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten:Oberflächenstrukturierung zur Verminderung von Reflexionsverlusten:Zum Beispiel Aufbau der Zelloberfläche in Pyramidenstruktur, damit einfallendes Licht mehrfach auf die Oberfläche trifft. Neue Materialien: Zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2)

Tandem- oder Stapelzellen:Um ein breiteres Strahlungsspektrum nutzen zu können, werden unterschiedliche Halbleitermaterialien, die für verschiedene Spektralbereiche geeignet sind, übereinander angeordnet. p g g , g

Konzentratorzellen:Durch die Verwendung von Spiegel- und Linsensystemen wird eine höhere Lichtintensität auf die S l ll f k i t Di S t d d S h füh t t t di di kt St hlSolarzellen fokussiert. Diese Systeme werden der Sonne nachgeführt, um stets die direkte Strahlung auszunutzen

MIS-Inversionsschicht-Zellen:Das innere elektrische Feld wird nicht durch einen p-n-Übergang erzeugt, sondern durch den Übergang einer dünnen Oxidschicht zu einem Halbleiter


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7. Photovoltaik -- Anwendungsgebiete und Marktentwicklung - Funktion von Solarzellen- Modularten und –aufbau - Wirkungsgrad und Ertrag von Photovoltaikmodulen



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Solarmodule


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Übersicht Solarzellen

monokristallin polykristallin amorph

Einkristalliner Siliziumstab aus einer Schmelze gezogen, anschließendes

Kontrolliertes Abkühlen flüssigen Siliziums in einer Gussform,

Abscheiden des Siliziums aus einer Glimmentladung in mit Silan

Herstellungg g ,

Sägen in dünne Scheiben (Wafer)

hoch

,Entstehung einer Vielzahl einzelner Kristalle,anschließendes Schneiden des abgekühlte Block in dünne Scheiben (Wafer)

weniger hoch

ggefüllten Kammer, Entstehung einer dünnen Fläche, kann als Zelle genutzt werden

geringHerstellungs-

aufwand hoch

ca. 14%, Wirkungsgradsteigerung durch Behandlung der Solarzellen-oberfläche (ca.16,5% durch Saturntechnologie, BP Solar)

weniger hoch

ca. 12%

gering

z. Zt. nur 5-8%

aufwand

Wirkungsgrad


Text : BP-SolarMarktanteil von 40%

Text: BP-solar

Herstellung besonders preisgünstig,Bemerkung

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Dünnschichtzellen – CIS-Module

CIS-Modul:CIS Modul:aktives Halbleitermaterial Kupfer-Indium-Diselenid. Erzeugung in Vakuumkammer und Aufdampfen auf dünne Molybdänschicht, Rü kk t kt f T ä t i l Gl

CIS-Module Rückkontakt auf Trägermaterial Glas, transparenter Frontkontakt ist aluminiumdotiertes Zinkoxid, keine lichtinduzierte Alterung, jedoch Feuchteversiegelung wichtig. g g g

Wirkungsgrad ca. 7,5% bis 9,5%,maximale Fertigungsgröße ist 1,20 m x 0,60 m


Quelle: www.solarintegration.de

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Dünnschichtzellen – CdTe-Module

CdTe-Modul:CdTe Modul:Trägerglas auf lichtzugewandter Seite, rückseitig erst mit einer transparenten Leitschicht (meist Indium-Zinnoxid), dann einer dünnen CdS-F t hi ht d d f it i C d i

CdTe-Module

Fensterschicht und darauf mit einer Cadmium-Tellurid-Absorberschicht versehen, Vakuumverfahren. Anschließend Aufbringen des metallischen gRückkontaktes, auch bei CdTe-Modulen keine Alterung (d. h. Degradation der Leistung). CdTe ist als Verbindung ungiftig und sehr stabil.

Wirkungsgrad ca. 6% bis 9%, Form frei wählbar, Größe der Module maximal 1,20 m x 0,60 m, Dicke des Trägermaterials ca. 3 mm mit ca. 0,008 g ,mm Beschichtung.


Quelle: www.solarintegration.de

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Photovoltaik - Fertigung g g

Herstellung gmonokristalliner und polykristalliner Solarzellen

le: D

GS


Que

l

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Photovoltaik - Fertigung g g


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Photovoltaik - Dünnschichttechnik Fertigung g g

Sputtern (Kathodenzerstäubung)

1.StrukturierungsschrittUnterteilung der Kontaktfläche

A fb i dAufbringen der Absorberschicht

2. Strukturierungsschritt

Aufbringen des Frontkontakts 3.StrukturierungsschrittSerienschaltung entstehtSerienschaltung entsteht

abschließenden Tests


Kontaktieren und Verkapseln

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Verstringung von Solarzelleng g

Kristalline ZellenKristalline Zellen Verstringung durch Lötverbindungen der Frontseitenkontakte (Lichtseite der Zelle) mit den Rückseitenkontakten der nächsten Zellefortlaufend, Frontseitenkontakte Minus- und Rückseitenkontakte Pluspol.Reihenschaltung durch abwechselnde VerbindenReihenschaltung durch abwechselnde Verbinden von Minus und Pluspol

DünnschichttechnikLötverbindungen entfallen, da interne Verschaltung(monolithische Verschaltung),elektrische Trennung und Verschaltung der Zellen geschieht durch Strukturierungsschritte zwischengeschieht durch Strukturierungsschritte zwischen den einzelnen Herstellungsschritten für die Zellschichten.Es können nur gleich große Zellen in Reihe


geschaltet werden.

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Photovoltaik - Wirkungsgrade von Solarzelleng g

Zellenmaterial Maximaler Zellwir-

kungsgrad

Maximaler Zellwir-

kungsgrad

Typischer Modulwir-kungsgrad

Flächenbe-darf für 1 kWp

(Labor) (Serie)

Monokristallines Silizium

24,7 % 21,5 % 15,0 % 6,7 m²

PolykristallinesPolykristallines Silizium

18,5 % 15,0 % 14,0 % 7,2 m²

Amorphes Silizium

12,7 % 8,0 % 6,0 % 16,7 m²

CIS/CIGS 19,5 % 11,0 % 10,0 % 10,0 m²

CdTe 16,5 % 10,0 % 7,0 % 14,3 m²

Konzentrator-zelle

40,7 % 35,0 % 28,0 % 3,6 m²


Quelle: Quaschning, 2008

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Energierücklaufzeit heutiger Solarsysteme - energy payback time g g y gy p y

energy payback time (EPBT)

8

5

6

7

re]

3

4

5

EPBT

[Jah

r

0

1

2

E

0mono-Si multi-Si a-Si CIS CdTe

Technologie


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Strom-Spannungs-Kennlinie – erzielbare Leistung

2,0

p g g

1,6

P = U·I

1,2

stär

ke [A

]

P = U·ILeistung als Fläche des Rechtecks0,8

Stro

ms

0,4

000 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Spannung [V]


Kennlinie: Höhe des Gleichstroms bzw. der Gleichspannungsleistung in Abhängigkeit der Gleichspannung

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Strom-Leistungs-Kennlinie – MPP

1 0

g

1,0

0,8Punkt maximaler Leistung MPP

0,6

ung

[W]

0,4

0 2

Leis

tu

0,2

00 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Spannung [V]

Bezug der MPP-Leistungen auf Standard-Testbedingungen (1.000 W/m², 25°C Solarzellentemperatur)

LeerlaufspannungU = 0 bei Kurzschlussstrom


g g g g ( , p )MPP: Last- und Innenwiderstand gleich groß

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Strahlungsabhängigkeit der Leistungg g g g

= 0°C3

= 0°C MPP1,2

E = 1000 W/m²

800MPP

2

rke

[A]

0,8

g [W

]

600

4001

Stro

mst

ä

0,4Leis

tung

200

0 0 2 0 4 0 6 0 80 0

0 0 2 0 4 0 6 0 80 0,2 0,4 0,6 0,8Spannung [V]

0 0,2 0,4 0,6 0,8Spannung [V]


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Temperaturabhängigkeit der Leistungp g g g

3E = 1000 W/m² E = 1000 W/m²

1,2

2

E 1000 W/m = 0°C

2040

E 1000 W/m

0,8

= 0°C2040rk

e [A

]

g [W

]

1

406080

1000,4

6080

100Stro

mst

är

Leis

tung

0

100

0

100S

0 0,2 0,4 0,6 0,8Spannung [V]

0 0,2 0,4 0,6 0,8Spannung [V]


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Temperaturverhalten von Solarzellenp

200

75

W]

100

eist

ung

[W

amorphe Zellen 0,2 %%

25

Le kristalline Zellen 0,4 %

-25 0 25 50 75 100


Temperatur [C°]

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Inselanlageng

Anlage mit Z ischenspeicher ng


Anlage mit Zwischenspeicherung

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Inselanlageng

Wasserpumpe


Straßenbeleuchtung

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Inselanlageng

Wohngebäude in Indien


Wohngebäude in Brasilien

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Netzgekoppelte Anlageng pp g


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Prinzipschema netzgekoppelte Anlage - Wechselrichterp g pp g

Wechselrichter - Bindeglied zwischenWechselrichter Bindeglied zwischen Solargenerator und Wechselstromnetz bei netzgekoppelten Anlagen.

Funktionen und Aufgaben:

-Umwandlung von Gleichspannung g p g(DC) / bzw. -strom in Wechselspannung (AC)/ -strom

- Arbeitspunktanpassung Wechselrichter/Solargenerator (MPP-Regelung)

- Betriebsdatenerfassung und Signalisierung (z. B. Anzeige von Daten) DC AC S h i i h- DC- u. AC-Schutzeinrichtungen (z.B. Netzüberwachung, Isolations-überwachung)


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Energieflussdiagramm netzgekoppelte PV-Anlageg g g pp g


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Integration / Aufstellung von Photovoltaik-Moduleng g

Freiaufstellung Aufdach-montage

g

Aufständerung auf Flachdach

Aufdach-montage

hinterlüftet

Dachziegel

Dachinte-Dachziegel

gration


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Verschattungg

Eigenverschattung


Umgebungsverschattung

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Leistungsminderung durch Verschattungg g g

I = 1 Amax I = 0 Amax

I = 2 Amax

I = 1 Amax

I = 2 Amax

I = 0 Amax

I = 2 Amax

P = I · UV R R UR

IR

max

I = 2 Amax

max

I = 2 Amax

V R R

I = 2 Ak

R

Zelle 50 % abgedeckt50 % i L i t i M d l

Zelle 100 % abgedeckt. Pges des Moduls = 0 WI B l t f ll i ll Z ll di t Z ll50 % weniger Leistung im Modul Im Belastungsfall speisen alle Zellen die gesamte Zelleund erwärmen sie.


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Solarmodul - Verschattungg

+

-

40-zelliges PV-Modul


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Planungsoptimierung - Verschattungsstudie

Verschattungsstudie

g p g g

g

Geometriemodell und Dachaufsicht

W ärmep umpeH eizung

Fußbodenk ühlungüberErdson den(ohne WP) Fußbod enheizungüberW ärmepumpeund Erd sonden

Kühlun gErdson den Lüftu ngFern sterlüftu ng Fas sadeSS V und IS SA lternati ve 1 A

SommerWinte r

W ärmepum pe

Er dsonden

max.100m

STROM


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Planungsoptimierung - Verschattungsstudie

Verschattungsstudie Dachaufsicht

g p g g

g

ÜbergangszeitenVerschattung im März

21. März 08:00 09:00 10:00 11:00

12:00 13:00 14:00 15:00

16 00 17 00 18 00 19 0016:00 17:00 18:00 19:00


Fazit: Zwischen 11 Uhr und 14 Uhr sind die Fotovoltaikelement vollständig unverschattet.

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Vorplanung – Überschlägige Dimensionierungp g g g g

Leistungsfaktor Beschreibung

Abschätzung von installierbarer 0,85

Ideale Anlage, sehr gut hinterlüftet, keine Verschattung, geringe Verschmutzung

0,80 Sehr gute Anlage, gut hinterlüftet, keine Verschattung, geringe Verschmutzung

2MPPkW1AP

Abschätzung von installierbarer Leistung und Ertrag:

0,75 Durchschnittliche Anlage

0,70 Durchschnittliche Anlage, geringe Verluste durch Verschattung oder schlechte Hinterlüftung

0 60Schlechte Anlage, größere Verluste durch Verschattung,

2MPP m

Bei einem Modulwirkungsgrad von 12 % und einer verfügbaren Fläche von 20 m² kann eine L i t 2 4 kW i t lli t d 0,60

g , g g,Verschmutzung oder Anlagenausfälle

0,50 Sehr Schlechte Anlage mit großen Verschattungen oder Defekten

2LeistungMPPModul,sol,glob

el mkW1fPE

W

Leistung von ca. 2,4 kWp installiert werden.

mkW1Bei einem Neigungswinkel der Module von 30°und direkter Südorientierung (Berlin -resultierende jährliche Globalstrahlung inresultierende jährliche Globalstrahlung in Modulebene ca. 1150 kWh/(m²a)) einer installierten Leistung von 2,4 kWp sowie den Bedingungen einer durchschnittlichen Anlage


(fLeistung = 0,75) ergibt sich ein Energieertrag der Anlage von 2070 kWh/a.

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