Integrated Design:Photovoltaik
Technologie - Anlagentechnik - Anwendung
Vorlesung im Rahmen des
MSc Studiengangs
Fachbereich Bauingenieurwesen
12.12.2005
Dr. Karl Molter
FH Trier
12.12.2005 Integrated Design (PV)Dr. Karl Molter
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Inhalt
1. Kurze Physik der Solarzelle
2. Photovoltaik-Technologien
3. Photovoltaik Anlagentechnik
4. Photovoltaik: Gebäudeintegration
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1. Kurze Physik der Solarzelle
• Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle
• Ladungstrennung: Der p/n-Übergang
• Solarzellen-Kennlinien
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Der photovoltaische Effektund die Solarzelle
1. Absorption von Licht im Festkörper
hv
-
+2. Erzeugung freier
Ladungsträger
3. Wirksame Trennung der Ladungsträger
Ergebnis: verschleißlose Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Solarstrahlung
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HalbleiterZur Schaffung einer internen Barriere, die eine Trennung positiver und negativer Ladungsträger ermöglicht und die Rekombination verhindert, greift man auf das Prinzip der Dotierung von Halbleitern zurück:
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
P -
n-leitendes Silizium p-leitendes Silizium
B +
-
+
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Der p/n - Übergang
n-Silizium
- - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - -
p-Silizium
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
+
-Diffusion
-
+
elektrisches FeldE- - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + +
+-
hv
-
+
-
-
-
+
Raumladungszone
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Antireflex-Beschichtung
Aufbau einer Si Solarzelle
~0,2µm
~300µm
Vorderseitenkontakt
metallisierte Rückseite
n-Gebiet
p-Gebiet
-
+
h
Raumladungszone
- - - - - - - - - -+ + + + + + + + + +
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Solarzellen Kennlinien (cSi)P = 0,88WRwr=0,18Ω
P = 1,05WRwr=0,23Ω
P = 1,00WRwr=0,31Ω
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2. Photovoltaik-Technologien
• Ausgangsmaterialien
• Technologien
• Marktanteile und Marktentwicklung
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AusgangsmaterialienDefinition eines Halbleiters: Ausschlaggebend ist die Elektronenkonfiguration im Festkörper
Ausschnitt aus der Periodentafel
Si14
Silizium (Si)
Ge32
Germanium (Ge)
Ga31
As33
Gallium-Arsenid (GaAs)
Cd48
Te52
Cadmium-Tellurid (CdTe) P
15
In49
Indium-Phosphor (InP)
Al13
Sb
51
Aluminium-Antimon (AlSb)
Kupfer, Indium, Gallium, Selen (CIS)
Cu29
Se34
In49
Ga31
IIB IIIB IVB VB VIBIB
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Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen(Theorie / Labor)
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Technologische Bewertungskriterien
• Ein gutes Potenzial für einen hohen Wirkungsgrad
• Verfügbarkeit der benötigten Materialien• Akzeptable Preise für die Materialien• Potential für kostengünstige
Herstellungsverfahren• Stabilität der Eigenschaften über Jahrzehnte• Umweltverträglichkeit der Materialien und
Herstellungsverfahren
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+ Produktionswirkungsgrad 15 - 18% (>23% im Labor)– großer Materialeinsatz nötig– Preis für Rohsilizium schwankend+ ausgereifte Herstellungsverfahren,aber
energieintensiv, Verbilligung durch EFG und Bänder-Technologie
+ Hohe Langzeitstabilität+ Material umweltverträglich+ z.Zt. zweitgrößter Marktanteil
Bewertung Monokristallines Silizium:
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Bewertung Multikristallines Silizium:
+ Produktionswirkungsgrad 12 - 14%– großer Materialeinsatz nötig– Preis für Rohsilizium schwankend+ ausgereifte Herstellungsverfahren,weniger
energieintensiv als mono-Si+ Hohe Langzeitstabilität+ Material umweltverträglich+ z.Zt. größter Marktanteil
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Bewertung amorphes Silizium (a-Si):
– Produktionswirkungsgrad 6 – 8%+ Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer
Materialbedarf– Preis für Rohsilizium schwankend+ Ausgereiftes, kostengünstiges Herstellungsverfahren– garantierte Langzeitstabilität nur für Wirkungsgrade
von 4 – 6%+ Material umweltverträglich
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Energierückzahlzeit(energy payback time (EPBT)
energy payback time (EPBT)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
mono-Si multi-Si a-Si CIS CdTe
Technologie
EP
BT
[Ja
hre
]
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Marktanteile
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Solarzellen-Hersteller
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Ende 2004: 3.700MW
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Weltweit installiert PV-Leistung
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In Deutschland installierte PV-Leistung
EEG
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Kosten PV-ModuleLernkurve: Kosten pro Wp über kumulierter produzierter Leistung
Stand Ende 2005
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3. PV Anlagentechnik
• PV Systemtechnik
• Strahlungsangebot
• Erträge
• Baurechtliche Aspekte
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PV ModuleSerienschaltung einzelner Zellen zur Erzielung höherer Spannungen: PV-Modul
Typische Leerlaufspannung bei 36 Zellen: 36 * 0,7V = 25V
Problem: Ausfall einzelner Zellen durch Verschattung oder Defekt beeinträchtigt alle Zellen der Serie!
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Aufbau eines netzgekoppelten PV-Systems
Solar-Generator
Wechsel-richter
DC
AC
Schutz-Diode
Ver-brau-cher
Wechsel-StromNetz
Grid
Das Netz übernimmt die Funktion des Energiespeichers
Bei Ausfall des Netzes (Grid) muss der Wechselrichter den Solargenerator automatisch vom Netz nehmen (Automatische Netzfreischaltung ENS)
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Wechselrichterkonzepte
Netz
=~
=~
…
modulintegriert
=~
… … …
zentral
=~
=~
…
…
… …
stringorientiert
…
…… …
==
==
=~
multistringorientiert
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Solare Einstrahlung in Deutschland
Strahlungsatlas 2002
Nord-Süd-Gefälle zwischenca. 900 und 1300 kWh/m² pro Jahr auf die Horizontale
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Solare Einstrahlung weltweit(kWh/m² a) auf die Horizontale
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Ertragsergebnis
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ErtragsparameterAbhängig von: • Standort / Klima
Mitteleuropa: 700 – 900 kWh pro kWp installierter Leistung• Ausrichtung (Neigung, Azimut)
± 20° ± 5% Ertragseinbuße• PV-Technologie
bestimmt u.a. Flächenbedarf/Wirkungsgrad• Aktueller Vergütung
(EEG) 2004: 45,7 bis 62,4 Cent, 2005: 43,42 bis 59,53 Cent• Zusatznutzen bzw. Einspareffekten
netzferne Stromversorgung, weitere vgl. Abschnitt 4• Ökobilanz
CO2 Einsparung etc.
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Baurechtliche Aspekte
Regelung durch Landesbauordnungen:
• In der Regel sind Solaranlagen genehmigungsfrei, sofern sie an der Fassade, auf Flachdächern oder in der Dachfläche errichtet werden.
• Ausnahmen: Denkmalschutz, ggf. hervorspringende Objekte, Bebauungsplan
• Für eine Freiflächenanlagen wird auf jeden Fall eine Baugenehmigung benötigt.
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Statische Anforderungen
Dachintegration• Zusätzliche Dachlast durch PV-Anlage: ca. 0,25
kN/m², in der Regel weniger als 15 % der Gesamt-last, für die der Dachstuhl ausgelegt ist (Wohngeb.).
• Ggf. individuelle Prüfung bei Industriebau, Steildach oder windexponierten Standorten
Fassadenintegration:• Jeweils Gesamtbetrachtung der
Fassadenkonstruktion erforderlich
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4. PV-Gebäudeintegration
• Photovoltaik als multifunktionales Element
• Beispiele
• Weiterführende Informationen
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4.1 Witterungsschutz
• Regen- und Winddichtigkeit
• Windlastfestigkeit
• Klimawechselresistenz
• Alterungsbeständigkeit
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Beispiel: Kraftwerksturm Duisburg
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Beispiel: Vordach
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4.2 Wärmedämmung
• In Kombination mit üblichen Konstruktionen und Wärmedämmstoffen
• Im Isolierglasverbund
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Beispiel: Tonnendach
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Beispiel: Schwimmbad
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4.3 Wärme / Klima
• Kombination von PV mit thermischer Energiewandlung in der Gebäudehülle (Luft / Wasser)
• Verbesserung des PV-Wirkungsgrads
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4.4 Verschattung
• Regelung über „Packungsdichte“
• Verwendung semitransparenter Zellen
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Beispiel Verschattung
PV-DoppelglasscheibenIm Atriumsbereich
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4.5 Schalldämmung
• Schalldämm-Maß von 25dB durch Mehrschichtaufbau
• Höherer Wert durch Mehrscheibenisolier-glastechnik möglich
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4.6 Elektromagnetische Schirmdämpfung
• Elektrisch leitende Elemente wirken wie ein „Faradayscher Käfig“
• Reduzierung von Elektrosmog innerhalb von Gebäuden
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4.7 Elektromagnetische Energiewandlung
• Integration einer Sende- oder Empfangsantenne in ein PV-Modul („solare Planar-Antenne“)
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Beispiel: Nachrichtenübertragung
Computersimulation:Nachrichtenübertragung mitSolarer Planar-Antenne
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4.8 Heizung
• Heizung durch „Rückstrom“ in speziell gestalteten Modulen möglich
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4.9 Solare Energieerzeugung
• Ertrag abhängig von Material, Neigung, Ausrichtung, Aufbau …
• (teilweise) Amortisation der Fassade innerhalb des Lebenszyklus möglich!
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Beispiel: PV-Dach und Fassade, Hochhausfassade
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4.10 Design /Ästhetik
• PV Fassaden- und Dachelemente sind hochwertige Baumaterialien die den unterschiedlichsten Design-Anforderungen angepasst werden können
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Alwitra Solarfolie
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Solardachziegel
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Beispiel: Sporthalle Tübingen
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Beispiel: BP Showcase
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Beispiel: Feuerwehr
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Fachzeitschriften (Auswahl)Photon - das Solarstrom-Magazin Solar Verlag GmbH Wilhelmstraße 34 52070 Aachen Tel.: ++49-(0)241 / 470 550 Fax: ++49-(0)241 / 470 559
Solarthemen Guido Bröer und Andreas Witt GbR Freies Redaktionsbüro für Umwelt- und Zukunftsfragen
Bültestr. 85 32545 Bad Oeynhausen Tel.: ++49-(0)5731/83460 Fax: ++49-(0)5731/83469
Solarzeitalter Neckar-Verlag GmbH Postfach 1820 78008 Villingen-Schwenningen Tel.: ++49-(0)7721 / 8987-0
Sonnenenergie DGS-Sonnenenergie Verlags-GmbH Augustenstr. 79 80333 München Tel.: ++49-(0)89 / 52 40 71 Fax: ++49-(0)89 / 52 16 68
Sonnenenergie & Wärmetechnik Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG Postfach 100 653 33506 Bielefeld Tel.: ++49-(0)521 / 595-0 Fax.: ++49-(0)521 / 595-531
Sonnenzeitung URANUS Verlag Lange Gasse 48/5 A-1080 Wien Tel: +43 1 403 91 11 Fax: +43 1 403 91 13 e-mail: [email protected]
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Informationsquellen im Internet (Auswahl)
• OTTI Kolleg: (Seminare, Kurse Veranstaltungen, sehr gute Tagungsbände)• Forschungsverbund Sonnenergie
Forschungsverbund Sonnenergie (8 Mitgliedsinstitute)• Solarserver der TU-Berlin,AG Erneuerbare Energien
TU-Berlin: Institut für Elektrische Energietechnik Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien (mit grosser Adressedatenbank zum Thema Solarenergie)
• Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energienmit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschfaft und Forschung(IWR)
• Solarserver mit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschaft und ForschungSolarserver.de
• Software: – Valentin Energiesoftware: PVSOL, Meteonorm– Econzept Energieplanung: PVS2001
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Diese Powerpoint Präsentation ist über den Sharepoint-Server von Herrn Lungershausen oder über meine Homepage
www.fh-trier.de/~molter -> Lehrtätigkeit
verfügbar.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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