Integrated Design: Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im Rahmen des MSc...

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: sonnenzeitung@uranus.at

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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!