7 Photovoltaik - Universität Kassel: Aktuelles · PDF fileDieses Elektron ist quasi frei und steht für den Transport von elektrischer Ladung im Kristall zur Verfügung

67

7 Photovoltaik

7.1 Einführung

Diese Einführung wurde entnommen aus: Gerhard Deltau: Photovoltaikstrom im Haushalt – Er-fahrungen mit einer netzgekoppelten Photovoltaik-Anlage, Schriften des Weiterbildenden Stu-diums Energie und Umwelt Heft 1 (1992), 3. Auflage 1995, Universität Kassel, ISBN EinzelneTextpassagen und Abbildungen wurden überarbeitet und korrigiert. Alle Rechte liegen bei: Uni-versität Kassel, Weiterbildendes Studium Energie und Umwelt, Mönchebergstraße 17, 34109Kassel bzw. beim Autor.

7.1 Einführung 68

7.1.1 Allgemeine Betrachtungen

Photovoltaik-Module ermöglichen die direkte Umwandlung von eingestrahltem Sonnenlicht inelektrische Energie. Im Gegensatz zu anderen Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Stromsind keine Umwege über energetische Zwischenstufen wie Wärme oder mechanische Energienotwendig. Die aktiven Elemente der Photovoltaik-Module sind Solarzellen, die meistens ausdem Halbleiterwerkstoff Silizium bestehen.

Neben dem Vorteil, dass die photovoltaische Sonnenenergienutzung keinen Brennstoff ver-braucht, sind noch einige umweltrelevante Argumente zu nennen. Die photovoltaische Ener-gieerzeugung

• ist lautlos, sauber und es fallen keine Abfallprodukte an.

• hat kein Rohstoff- und Entsorgungsproblem. Silizium-Solarzellen werden aus Quarz-sand erzeugt, umweltgefährdende Stoffe werden nicht zugesetzt und der Müll belastet dieUmwelt nicht.

• ist sehr wartungsarm. Die Solarzellen besitzen eine hohe Zuverlässigkeit und erreichendie lange Lebensdauer von wahrscheinlich 25 Jahren.

Bei all diesen bestechenden Argumenten, die für solarelektrische Energieversorgungssystemesprechen, stellt sich zwangsläufig die Frage, warum diese Technik heute noch nicht so weitverbreitet ist. Dafür gibt es mehrere Gründe:

• Ein Nachteil ist der relativ hohe Preis der Solarzellen.

• Solare Energieversorgungssysteme sind sehr stark vom Wetter und der Jahreszeit abhän-gig. Hohe elektrische Leistungen erfordern große Flächen.

Um die Möglichkeiten und Grenzen photovoltaischer Systeme besser verstehen zu können, sol-len in diesem Kapitel die Grundlagen möglichst allgemeinverständlich dargestellt werden. De-taillierte Darstellungen der Vorgänge findet man in der einschlägigen Literatur, z. B. [Kleemannund Meliß 88, Selders und Bonnet 79, Köthe 88.]

7.1.2 Kurze Geschichte der Photovoltaik

Der innere Photoeffekt wurde bereits 1839 von Alexander Becquerel entdeckt. Sein elektroche-misches Experiment bestand aus zwei Metallplatten, die in eine verdünnte Säure eingetauchtwaren. Der Apparat erzeugte Energie, wenn er dem Sonnenlicht ausgesetzt war. 1873 wurdedieses Phänomen – also das Entstehen einer Photospannung bei Bestrahlung mit Licht – auchbei dem festen Halbleiterelement Selen beobachtet und von Charles Fritts als photovoltaischerEffekt beschrieben. Hierbei sind zwei Vorgänge zu unterscheiden:

7.1 Einführung 69

1. Absorption der Lichtstrahlung und Erzeugung von Ladungsträgerpaaren,

2. Ladungsträgertrennung, dann, nach Anschluss einer Last, Wanderung der Ladungsträgerzu den Kontakten.

Eine Nutzung zur Stromerzeugung begann aber erst mit dem Satellitenzeitalter. In den amerika-nischen Bell-Laboratories wurden 1954 erstmals Silizium-Solarzellen mit einem Wirkungsgradvon 6 % hergestellt. Die Solarzellen dienten dazu, die Satelliten im All mit elektrischer Energiezu versorgen. Sie lieferten noch Energie, als die Betriebsdauer der Satelliten bereits beendetwar. Trotz der hohen Kosten war die Photovoltaik im Weltraum konkurrenzlos. Die Steigerungder Wirkungsgrade und die bessere Solarzellentechnologie bewirkten im Lauf der Zeit einenPreisverfall, der zunehmend auch terrestrische (erdgebundene) Anwendungen möglich machte.

Eine Kostenbetrachtung muss den Energiepreis des photovoltaisch erzeugten Stroms mit demPreis der konventionell erzeugten Energie vergleichen. Hierbei zeigt sich, dass schon bei ei-ner Vielzahl von Anwendungen wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten gegeben sind, z. B. beider Stromversorgung entlegener Verbraucher (Wochenendhäuser, Wanderhüten, Schrebergar-tenhäuser, . . . ) in Konkurrenz zur Batterie bei der Versorgung von Weidezäunen, Signal- undFunkanlagen, Parkscheinautomaten etc. sowie im Bereich der elektrischen Kleinstverbraucher(z. B. Armbanduhr, Taschenrechner, Kofferradio).

In der Bundesrepublik wird der Stromgestehungspreis bei netzgekoppelten PV-Anlagen oderBatteriespeichern mit etwa 1,00e bis 1,10e pro Kilowattstunde angegeben [BMFT 90]. DieserPreis hängt stark von den gewählten Ansätzen für die Annuitäten und die Lebensdauer ab. Erliegt etwa um den Faktor 8 über den Tarifen der Energieversorgungsunternehmen1.

Abbildung 7.1: Vergleich der Kosten für photovoltaisch erzeugte Energie mit anderen Energiequellen[u.a. Schmid 88–S.7]

1 Stand Januar 2016: ca. 0,12–0,14e/kwh für netzgekoppelte Solaranlage mit 10 kWp und 20 Jahren Amortisation

7.1 Einführung 70

7.1.3 Aufbau und Funktionsweise von Solarzellen

Die meisten und besten Solarzellen werden heute noch aus hochreinem, kristallinem Siliziumhergestellt. Silizium ist eines der häufigsten chemischen Elemente der Erdrinde und ist unteranderem wesentlicher Bestandteil des gewöhnlichen Quarzsandes. Der Reinigungsprozess um-fasst mehrere Stufen. Das Silizium wird dabei zuerst in Trichlorsilan überführt, diese Flüssigkeitwird gereinigt und durch Reduktion gewinnt man aus ihr wieder das metallische Silizium. Daskristalline Silizium erhält man, indem das Silizium aus einer Schmelze langsam auskristallisiertwird. Die Schmelztemperatur liegt bei über 1400 ◦C und sowohl die chemischen Reaktionen zurErzeugung des Trichlorsilans, die Reduktion, wie auch der Schmelzprozess sind sehr energie-aufwändig und teuer.

Je nachdem auf welchem Wege das Silizium abgekühlt wird, erhält man unterschiedlichesGrundmaterial für die Herstellung der Solarzellen.

• Um monokristallines Silizium zu erzeugen, wird aus der Schmelze langsam ein Kris-tallstab gezogen, der etwa 12 cm Durchmesser und 1 m Länge hat. Alle Atome diesesKristalls sind in einem für Silizium typischen Kristallgitter angeordnet; dieses Kristall-gitter ist in der ganzen späteren Solarzelle einheitlich, man spricht von einem sogenanntenEinkristall.

• Polykristallines Silizium bildet sich, wenn das flüssige Silizium langsam in einer Formabgekühlt wird. Das entstehende hochreine Silizium besteht im Inneren aus vielen klei-nen, unterschiedlich großen Kristallen.

Aus den Kristallstäben werden nun mit diamantbesetzten Gattersägen Scheibchen mit einerDicke von etwa 0,4 mm gesägt. Es entsteht etwa 50 % Abfall („Sägespäne“) und die Dicke derScheibe ist ein Kompromiss zwischen der noch niedrigeren Mindestdicke und der Gefahr desZellenbruchs des doch sehr spröden Siliziums. Nach dem Sägen sind mono- und polykristallineScheiben eindeutig zu unterscheiden: monokristalline sind einheitlich metallisch-grau, währendpolykristalline eine typische „Eisblumenstruktur“ aufweisen.

Um möglichst effektive Solarzellen zu erhalten, werden die mühsam hergestellten hochreinenSiliziumscheibchen gezielt verunreinigt; der Fachmann sagt, sie werden dotiert. Auf der einenSeite wird das Silizium mit Phosphor-Atomen im Verhältnis 1 Phosphoratom auf 1 MillionSiliziumatome dotiert. Das Phosphoratom ist fünfwertig und hat ein Elektron mehr als zumEinbau in den Kristall benötigt wird. Dieses Elektron ist quasi frei und steht für den Transportvon elektrischer Ladung im Kristall zur Verfügung. Da die Phosphor dotierte Schicht einenÜberschuss von Elektronen – also von negativen Ladungsträgern – aufweist, nennt man sien-Schicht.

7.1 Einführung 71

Die andere Seite der Siliziumscheibchen wird mit dem Element Bor (dreiwertig) dotiert. Borhat ein Elektron weniger, als zum Einbau in den Kristall benötigt wird; es entstehen „Löcher“,die auch „Defektelektronen“ genannt werden. Die Löcher tragen auch zum Transport der elek-trischen Ladung bei: Ein Elektron kann in ein Loch springen und hinterlässt an seinem altenPlatz ein neues Loch; das Loch „bewegt“ sich in entgegen gesetzter Richtung durch den Kris-tall und wird als positiver Ladungsträger bezeichnet – die mit Bor dotierte Schicht heißt deshalbp-Schicht.

In der Siliziumscheibe gibt es nun eine Grenze zwischen der Zone mit Elektronenüberschuss(n-Schicht) und der Zone mit dem Elektronenmangel – also mit den Löchern (p-Schicht). Dasich entgegengesetzte Ladungen anziehen, wandern – wissenschaftlich ausgedrückt, diffundie-

ren – die Elektronen in Grenznähe in die Löcher auf der anderen Seite. Es sind in der Umgebungdieser Grenzschicht zwei elektrisch geladene Bereiche entstanden: Im Gebiet mit Elektronen-mangel (p-Schicht) gibt es in Grenznähe eine kleine negativ geladene Zone, da dort die Löchernun mit Elektronen besetzt sind; im Elektronenüberschussgebiet (n-Schicht) gibt es eine klei-ne positiv geladene Zone durch die Abwanderung der ursprünglich dort vorhandenen Elektro-nen. Es bildet sich somit ein elektrisches Feld aus – die sogenannte Raumladungszone. DieseRaumladungszone enthält keine freien Elektronen mehr; sie ist also sehr hochohmig. Durch dasEntstehen der Raumladungszone kommt die Wanderung von Ladungsträgern durch Anziehungzum Stillstand; die Anziehungskräfte reichen nicht mehr aus, um die Barriere des nun vorhan-denen elektrischen Feldes zu überwinden. Es entsteht der sogenannte pn-Übergang. Sobald dieSolarzelle dem Licht ausgesetzt wird, erzeugen Photonen beim Eindringen auf beiden Seitendes pn-Übergangs Ladungsträgerpaare durch den inneren Photoeffekt. Die Diffusionsspannungbefördert nun Elektronen, die in den Bereich der Raumladungszone geraten, vom p-Bereich inden n-Bereich und Valenzband-Defektelektronen (Löcher) vom n-Bereich in den p-Bereich.

Abbildung 7.2: Die elektrischen Vorgänge in einer Solarzelle

7.1 Einführung 72

→ Der n-Bereich wird mit Elektronen angereichert und der p-Bereich mit Defektelektronen.Solange, bis die abstoßenden Kräfte der angesammelten Ladungen dies verhindern, esbildet sich ein Gleichgewicht zwischen dem elektrischen Potenzial der angesammeltenLadungen und der Diffusionsspannung. Die Leerlaufspannung der Solarzelle ist erreicht.

Diese kann zwischen den Außenseiten der Gebiete an den elektrischen Anschlüssen gemessenwerden und beträgt bei Silizium typischer Weise 0,5–0,6 V. Mit dem Amperemeter kann dieStärke des Ladungsträgerstromes gemessen werden: Dieser Strom ist um so größer, je stärkerdie Lichteinstrahlung ist, denn um so mehr Ladungsträgerpaare entstehen.

Bei dieser vereinfachten Darstellungsweise wird deutlich: Nur die Photonen, die in der Nähe derGrenzschicht absorbiert werden – also deren Energie auf Elektronen übergeht – können einenBeitrag zur Erzeugung von elektrischer Energie leisten. Die Photonenenergie, die weit entferntvon der Grenzschicht auf ein Elektron übergeht, kann das Elektron in aller Regel nicht so starkbeschleunigen, dass es in den Bereich der Raumladungszone gerät. Das Elektron besetzt da-her einen freien Gitterplatz (Loch) im Kristall und gibt seine überschüssige Energie in Formvon Wärme ab. Dieser Vorgang heißt in der Halbleiterphysik Rekombination. Auch die elek-tromagnetische Lichtstrahlung, deren Energiegehalt zu gering ist, um Ladungsträgerpaare zugenerieren, ist für den photovoltaischen Effekt nutzlos. Die Mindestenergie wird in Anlehnungan die Bändertheorie der Festkörper als Bandlücke (Eg) bezeichnet.

Um einer Solarzelle elektrische Energie entnehmen zu können, müssen an den Außenseiten derp- und der n-Schicht noch elektrische Kontakte aufgebracht werden. Bei konventionellen, beid-seitig kontaktierten Zellen wird die Rückseite ganzflächig mit einem Metallkontakt versehen,während die Vorderseite lichtdurchlässig bleiben muss – hier wird z. B. ein dünnes Gitter auselektrischen Leitungen aufgebracht, das die auf der Fläche erzeugten Elektronen einsammelt.

Abbildung 7.3: Grundsätzlicher Aufbau einer Silizium-Solarzelle

7.1.4 Wirkungsgrad der Energieumwandlung

Die Solarzellen wandeln nur einen Teil des auftreffenden Sonnenlichts in elektrische Energieum. In der Serienproduktion erreicht man bei monokristallinen Zellen Wirkungsgrade von etwa

7.1 Einführung 73

Abbildung 7.4: Energieabsorption einer Silizium-Solarzelle [RWE]

12–18 % und bei polykristallinen beträgt er etwa 10–14 %. Die Ursache des etwas niedrigerenWirkungsgrades der polykristallinen Zellen ist die Störung der Kristallgitter-Struktur durch dieKanten der vielen unterschiedlich großen Kristalle, die in einer Solarzelle aneinander stoßen.Es stellt sich die Frage nach dem Verbleib der restlichen Strahlungsenergie.

Das Sonnenlicht umfasst ein breites Spektrum elektromagnetischer Wellen, deren Energieinhaltunterschiedlich ist. Am energiereichsten sind die kurzwelligen UV-Strahlen, am energieärmstenist die langwellige Infrarot-Strahlung und dazwischen liegt der Bereich des sichtbaren Lichtes.Es wurde schon erwähnt, dass zur Freisetzung von Ladungsträgern eine Mindestenergie – diesogenannte Bandlücke (Eg) notwendig ist. Beim Silizium beträgt diese Mindestenergie 1,12 eV;d. h. die Photonen müssen eine Wellenlänge von weniger als 1,1µm haben. Der Anteil des Son-nenspektrums zum fernen Infrarot hin, der eine zu niedrige Energie hat, wird von den Solarzel-len ungenutzt in Wärme umgewandelt. 24 % des auf die Solarzelle auftreffenden Sonnenlichtssind für die Photovoltaik verloren.

Die verbleibenden 76 % der auftreffenden Solarstrahlung haben die notwendige Mindestener-gie. Jedes Photon kann nur ein Elektron-Loch-Paar erzeugen und dazu wird genau die Schwel-lenenergie (Eg) benötigt. Die überschüssige Energie der Photonen – es sind immerhin 32 % dergesamten Solarstrahlung – wird auch hier nutzlos in Wärme umgewandelt.

Aufgrund der dargestellten physikalischen Gesetzmäßigkeiten können in einer Silizium-Solar-zelle höchstens 44 % des Sonnenlichts in elektrische Energie umgewandelt werden. Weitere16 % der auftreffenden Energie können aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Solarzellennicht in elektrische Leistung umgesetzt werden; diese Vorgänge werden im nächsten Abschnitteingehender erläutert.

7.1 Einführung 74

Eine perfekt gefertigte Solarzelle aus kristallinem Silizium hätte nach heutigem Wissen somiteinen Wirkungsgrad von ca. 28 % [RWE]. Die zusätzlichen Verluste sind im Wesentlichen fer-tigungstechnisch bedingt:

• Ein Teil des Sonnenlichts wird bereits an der Oberfläche der Solarzelle reflektiert. VonNatur aus reflektiert Silizium über 30 % des auftreffenden Lichtes. Durch Aufbringenvon Antireflexschichten und durch Strukturierung der Oberfläche kann der Reflexions-grad auf etwa 3 % reduziert werden [Schmid 88, S. 14]; schräger Lichteinfall erhöht dieReflexionsverluste.

• Geringste Verunreinigungen des Siliziummaterials können zur Rekombination von posi-tiven und negativen Ladungsträgern führen. Auch Photonenenergie, die weit weg von derGrenzschicht auf ein Elektron übergeht, ist verloren: Das Elektron trifft auf seinem Wegzur Grenzschicht mit hoher Wahrscheinlichkeit auf ein Loch und rekombiniert mit ihm.

• Weitere Verluste entstehen durch Stromwärmeentwicklung innerhalb der Zelle. Mit stei-gender Temperatur verschlechtert sich der Umwandlungswirkungsgrad der Solarzellen.So sinkt der Wirkungsgrad einer Siliziumzelle um runde 10 %, wenn sie sich von 25 ◦Cauf 60 ◦C erwärmt.

Abbildung 7.5: Energiebilanz einer monokristallinen Silizium-Solarzelle

7.1 Einführung 75

Spektrum des Sonnenlichts

Die Sonnenstrahlung entsteht bei einem nuklearen Prozess im Sonneninneren, der dazu führt,dass die Oberfläche der Sonne etwa 5600 ◦C heiß ist. Die Sonne strahlt ständig Energie in Formelektromagnetischer Strahlung kugelförmig in den Weltraum ab. Ein kleiner Teil dieser Energieerreicht die Erde. Die spektrale Verteilung der Strahlung am äußeren Rand der Erdatmosphäreähnelt noch sehr stark dem idealen Spektrum eines Temperaturstrahlers mit der Oberflächen-temperatur der Sonne. Beim Durchgang durch die Atmosphäre wird das Spektrum durch Streu-ung und Absorption (Ozon, Wasserdampf, Kohlendioxid, . . . ) verändert. Diese Veränderungensind im Wesentlichen von der Länge des Lichtweges in der Atmosphäre abhängig. ÖrtlicheGegebenheiten, wie etwa der Staubgehalt der Luft, können das Spektrum weiter verändern.

„Die Amerikaner, die für viele Dinge gerne einen griffigen Ausdruck einführen, bezeichnenden Zustand der Strahlung am Rande der Erdatmosphäre als denjenigen bei AM 0; dies willbesagen, dass die Strahlung bis dahin durch die Luftmasse Null (Air Mass 0), also durch keineLuftschicht getreten ist. Nach dem Erreichen der Erdoberfläche auf senkrechtem Weg durch dieLuftschichten hat sie die Luftmasse 1 durchquert und besitzt den Zustand AM 1“ [Köthe 88,S. 28].

Im Sommer erreicht die Sonnenstrahlung uns in Deutschland im Mittel nach AM 1,5. Zur Zeitder Sommersonnenwende kann der Wert mittags AM 1,2 betragen (in Kassel liegt dieser Wertbei AM 1,13), im Winter erreicht er bestenfalls AM 4.

Abbildung 7.6: Beispiel für verschiedene Sonnenspektren [Ullmanns Enzyklopädie]

7.1 Einführung 76

7.1.5 Elektrische Eigenschaften von Solarzellen-Kennlinien

7.1.5.1 Der Zusammenhang von Strom und Spannung in Abhängigkeit von derBestrahlung

Betrachtet man eine unbeleuchtete Solarzelle, so sind dort die Verhältnisse relativ einfach: Esfließt kein Strom und es ist kein Spannungsunterschied festzustellen. Fällt nun Licht auf die So-larzelle, erhalten die Elektronen die notwendige Energie zum Überspringen der Energiebarriere,es entsteht die Unsymmetrie der elektrischen Ladung und es kann eine Spannung in Volt (V)als Ausdruck der Energieunterschiede zwischen den beiden Bereichen der Solarzelle gemessenwerden. Diese Spannung ist nahezu unabhängig von der Menge des auftreffenden Lichtes. Beieiner kristallinen Siliziumzelle beträgt sie etwa 0,5–0,6 V. Da die Solarzelle noch unbelastet ist,wird sie als Leerlaufspannung U0 bezeichnet.

Abbildung 7.7: Abhängigkeit der Leerlaufspannung und des Kurzschlußstromes von der Einstrahlung(bei AM 1,5)

Die Anzahl der Elektronen, die durch die angeschlossenen Leitungen fließt, die Stromstärkegemessen in Ampere (A), ist direkt abhängig von der Einstrahlung. Je intensiver die Einstrah-lung ist, umso mehr Elektronen sind in der Lage, die Energiebarriere zu überwinden. Verbindetman die beiden Pole einer Solarzelle mit einem Amperemeter wird der Kurzschlussstrom IK

gemessen.

Das Arbeitsvermögen des elektrischen Stroms wird als Leistung Pel bezeichnet und ergibt sichals Produkt aus Strom I mal Spannung U . Man sieht aus dem Diagramm (Abbildung 7.8) so-fort, dass die ideale, maximale elektrische Leistung (Produkt aus Leerlaufspannung und Kurz-schlussstrom) der unbelasteten Solarzelle direkt von der Einstrahlung abhängt.

7.1 Einführung 77

Abbildung 7.8: Abhängigkeit der idealen maximalen Leistung von der Einstrahlung (bei AM 1,5)

Intensität der Strahlung

Die Strahlungsintensität ist die augenblickliche Strahlungsleistung der Sonne pro Flächenein-heit. Sie verändert sich ständig, je nach Tages- und Jahreszeit und dem Wetter. Sie wird gemes-sen in W/m2.

Wetter Einstrahlung G in W/m2

sehr klarer blauer Himmel 1000

wolkenloser blauer Himmel 600–800

dunstig und wolkig, Sonne als weißeScheibe

200–400

wolkenbedeckter Himmel, trüber Tag 50–150

7.1.5.2 Die Kennlinie von Solarzellen

Um die von den Solarzellen erzeugte Energie zu verwenden, muss in die Leitung, die die beidenunterschiedlichen Bereiche der Solarzelle verbindet, ein Verbraucher eingebaut werden. Das Ar-beitsvermögen der Solarzelle kann man in einer Strom-Spannungs-Kennlinie (Abbildung 7.9)ausdrücken. Sie verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung in der Solar-zelle mit angeschlossenem elektrischem Verbraucher. Aus den bisherigen Ausführungen gehtklar hervor, dass es für jede unterschiedliche Einstrahlung eine unterschiedliche Kennlinie gibt.Diese Kennlinien werden in den Datenblättern der Solarzellen-Hersteller angegeben. Man er-

7.1 Einführung 78

Abbildung 7.9: Strom-Spannungs-Kennlinie einer typischen Siliziumsolarzelle bei unterschiedlichen Be-strahlungsstärken G [RWE]

kennt auch hier wieder die direkte Abhängigkeit des Stromes von der Einstrahlung. Errechnetman aus der Strom-Spannungs-Kennlinie wieder die elektrische Leistung, so erkennt man, dasses offenbar einen Punkt maximaler Leistung (englische Abkürzung: MPP = Maximum PowerPoint) gibt.

Die maximale Leistung einer idealen Solarzelle kann das Produkt aus Leerlaufspannung undKurzschlussstrom nicht überschreiten (Abbildung 7.10). Im realen Fall liefert sie im MPP-Betrieb den Strom Impp bei einer Spannung Umpp, und die MPP-Leistung Pmax ist kleiner alsdie ideale Leistung, die mit einer Grenzleistung gleichzusetzen wäre. Das Verhältnis von MPP-Leistung zu idealer Leistung wird als Füllfaktor FF bezeichnet und ist ein Maß für die elek-trische Güte einer Solarzelle. Je höher der Wert des Füllfaktors, desto größer ist die Güte derSolarzelle.

Die Füllfaktorverluste stellen im Wesentlichen den Anteil der solaren Strahlung dar, der auf-grund der elektrischen Eigenschaften der Solarzelle nicht in elektrische Energie umgewandeltwerden kann. Bei Siliziumzellen beträgt der Füllfaktorverlust etwa 16 %, bezogen auf die ge-samte solare Strahlungsenergie G, die auf die Oberfläche A der Solarzelle auftrifft.

7.1 Einführung 79

Abbildung 7.10: Kennlinie einer Siliziumsolarzelle bei konstanter Einstrahlung und dem daraus folgen-den Verlauf des Energieertrags [Ladener 86]

7.1.5.3 Der Einfluss der Temperatur

Die Kennlinien der Solarzellen sind stark temperaturabhängig. Man sieht aus der I, U -Kenn-linien-Schar in Abbildung 7.11 bei konstanter Einstrahlung und unterschiedlicher Temperatursofort, dass mit steigender Temperatur die elektrische Leistung sinkt und sich der MPP stark ver-schiebt. Da die Solarzellen einen großen Teil der auf sie auftreffenden Solarstrahlung in Wärmeumwandeln – im Sommer können die Photovoltaik-Module leicht 60 ◦C warm werden – ist esnotwendig, auf eine gute Wärmeableitung zu achten. Eine Möglichkeit zur Wärmeableitung isteine gute Hinterlüftung der Photovoltaik-Module.

Die Kunst einer elektrischen Regelung liegt nun darin, möglichst gut den Punkt maximalerLeistung durch eine Veränderung der elektrischen Last für die Solarzelle zu treffen – nur so lässtsich aus der Solarzelle möglichst viel elektrische Energie gewinnen. Bei den netzgekoppeltenPhotovoltaik-Anlagen übernimmt die MPP-Regelung meistens der Wechselrichter.

7.1 Einführung 80

Abbildung 7.11: Strom-Spannungs-Kennlinie einer Silizium-Solarzelle bei unterschiedlichen Zellentem-peraturen ϑ [RWE]

Spannung Uerhöht sich

sinktum 0,38%/◦C

unterüber

25◦C

Strom Isinkt

erhöht sichum 0,07%/◦C

unterüber

25◦C

Leistung Perhöht sich

sinktum 0,46%/◦C

unterüber

25◦C

7.1.6 Von der Solarzelle zum PV-Modul

Bei maximaler Sonneneinstrahlung liefert eine 10 x 10 cm große Siliziumsolarzelle einen Stromvon etwa 2,5 A bei einer Spannung von etwa 0,5 V. Die elektrische Leistung einer Zelle liegtsomit in der Größenordnung von 1–1,5 W – dies ist für eine Anwendung außerhalb des Bereichsder Kleinstverbraucher (Taschenrechner, Armbanduhr, . . . ) zu wenig. Einer der Vorteile derPhotovoltaik ist, dass durch Zusammenschalten vieler Einheiten Spannung, Strom und Leistungdes Photovoltaik-Generators den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden können. Es sindzwei Arten der Verschaltung zu unterscheiden:

• Bei der Serien- oder Reihenschaltung erhöht sich die Spannung bei gleichem Strom,z. B. ergeben 36 Zellen in Reihe eine Gesamtspannung von 18 V. Die Stromstärke richtetsich nach dem schwächsten Glied der Kette und es ist somit sehr wichtig, dass nur Zellengleicher Güte miteinander verschaltet werden.

7.1 Einführung 81

• Bei der Parallelschaltung erhöht sich der Strom: alle Zellen liefern ihren Strom in einergemeinsamen Leitung ab und der Gesamtstrom ist die Summe aller Einzelströme. DieSpannung verändert sich durch Parallelschaltung nicht.

Durch eine Kombination von Serien- und Parallelschaltung kann man zu vielen unterschiedli-chen Strömen und Spannungen kommen. Bei den käuflichen Solarmodulen schaltet man in aller

Abbildung 7.12: Einfluss der Serien- und Parallelschlatung von Solarzellen auf den Verlauf der Kennli-nien [Ladener 86]

Regel mehrere Solarzellen in Reihe, um die verfügbare Spannung zu erhöhen. Zum Schutz vorUmwelteinflüssen werden die Zellen in den PV-Modulen hermetisch dicht verschlossen.

Die Kapselung der Solarzellen ist eines der zentralen Probleme der Modulherstellung – nurbei guter Kapselung funktioniert die Energieumwandlung in den Solarzellen über lange Jah-re hinweg problemlos ohne merkliche Leistungseinbuße. Die Hersteller scheinen dieses Pro-blem heute gelöst zu haben, geben sie doch normalerweise 10 Jahre Leistungsgarantie auf ihreProdukte. „Standard-Module für normale Anwendungen besitzen in der Regel eine äußere Ab-deckung aus hochlichtdurchlässigem, getempertem Solarglas, das auch stärkere Hagelstürmeohne weiteres übersteht. Die Zellen zwischen Glasplatte und Rückwand (aus Glas, Fiberglas,Metall oder Kunststoff) sind luft- und wasserdicht in eine Kunststoffmasse eingeschlossen, dielicht-, temperaturund alterungsbeständig sein muss. Das Ganze ist in einen Alurahmen gefasst,der zusätzliche mechanische Stabilität bringt und gleichzeitig die Montage der Paneele auch ingrößeren Gruppen auf einem Rahmen oder Untergestell ermöglicht.“ [Ladener 86, S. 39].

An jedem PV-Modul ist eine Klemme für den Anschluss von Plus- und Minuspol vorhanden.Damit kann die Einbindung in eine PV-Anlage vorgenommen werden. Für netzgekoppelte PV-

7.1 Einführung 82

Abbildung 7.13: Zusammenschaltung von Solarzellen zu einem PV-Modul

Anlagen scheinen sich im Moment Module mit einer Leistung von ca. 50 W durchzusetzen.Bei ihnen werden 36 Solarzellen in Reihe geschaltet. Die Leistungsangabe von Solarmodulenbezieht sich immer auf die sogenannten Standardtestbedingungen (STC). Dabei werden diePrüfmuster bei einer Zellentemperatur von 25 ◦C im Labor einer Normbestrahlung (Standard

Sunlight) von 1000 W/m2 ausgesetzt. Die spektrale Verteilung des Normsonnenlichtes bei demModultest entspricht AM 1,5. Die optische Weglänge AM 1,5 kommt bei einem Einfallswinkelder Sonnenstrahlung von 41,8◦ zur Horizontalen zustande und berücksichtigt somit näherungs-weise die mitteleuropäischen Verhältnisse im Sommer bei Sonnenhöchststand.

Die Leistung wird in der EinheitWp angegeben; der Index p deutet auf die Spitzenleistung beimMPP unter Normbedingungen hin (englisch peak = Spitze). Im praktischen Betrieb wird dieseLeistung so gut wie nie erreicht, da bei einer Einstrahlung von 1000 W/m2 üblicherweise eineZellentemperatur von ca. 50 ◦C und mehr herrscht; die Modulleistung liegt dann um gute 10 %unter derjenigen bei Standardtestbedingungen.

7.1.7 Schutzmaßnahmen beim Zusammenschalten von Solarzellen

Herstellungsbedingt ist es durchaus möglich, dass unter Tausenden von Solarzellen die eineoder andere Zelle im Laufe der Betriebszeit nachlassen oder ausfallen könnte. Genauso kann esaber auch zu hausgemachten Ausfällen kommen, wie z. B. Abschattung einer Zelle mit Blättern.

Der Totalausfall von einzelnen Zellen kann weit reichende Konsequenzen haben: Die abgeschat-tete Zelle kann keinen Strom erzeugen, währenddem die anderen in Reihe geschalteten Zellen

7.1 Einführung 83

voll bestrahlt werden. Die abgedeckte Zelle liegt elektrisch in Serie mit dem Verbraucherwider-stand. Sie sieht die von den übrigen Zellen erzeugte Spannung, allerdings in umgekehrter Pola-rität. Wegen des recht hohen Innenwiderstands der abgedeckten Zelle im Inversbetrieb fließt nurein sehr geringer Strom im Verbraucherkreis. Übersteigt die Spannung an der abgedeckten Zelleaber einen Wert von etwa 15 V (die „Durchbruchspannung der Zelle“), wird die Zelle plötzlichleitend. In diesem Fall wird ein sehr großer Teil der elektrischen Energie des PV-Moduls indieser Zelle in Wärme umgewandelt und die sehr heiße Zelle beschädigt das Modul – einmalganz davon abgesehen, dass dieses Modul nun keine elektrische Energie liefert. Man vermeidetdiese Hot Spots indem man in einer Reihenschaltung von Zellen Schutzdioden parallel schaltet;diese Schutzdioden werden als Bypassdioden bezeichnet. Die Bypassdioden verhindern ein An-steigen der Rückwärts-Spannung an einzelnen Zellen auf Werte, die zum „Zellendurchbruch“führen können. Der Strom sucht sich den Weg des geringsten Widerstandes, und der ist im Falleiner defekten Zelle nicht mehr der Weg durch den Abschnitt von in Reihe geschalteten Zel-len, sondern die „Umleitung“ über die Bypassdiode. Die Bypassdioden werden schon von denHerstellern in die Module eingebaut.

Diode

Als Diode bezeichnet man ein elektrisches Bau-element mit zwei Elektroden und einem strom-richtungsabhängigen Widerstand. Dioden lassenden Strom nur in einer Richtung durch. Sie wer-den in der Elektrotechnik sehr häufig eingesetzt,u. a. zur Gleichrichtung von Wechselströmen.

Schaltzeichen einer Diode

Durchlassrichtung deselektrischen Stroms

7.1.8 Der Solargenerator

Die Gesetzmäßigkeiten, die beim Verschalten einzelner Solarzellen zu den Photovoltaik-Mo-dulen herrschen, haben auch beim Zusammenschalten der PV-Module zu Generatoren größererLeistung ihre Gültigkeit: Reihenschaltung der Module erhöht die Spannung und Parallelschal-tung den Strom.

Beim Aufbau von Generatoren muss unbedingt beachtet werden, dass die PV-Module gewis-se Streuungen in ihren elektrischen Eigenschaften aufweisen. In der Serienschaltung bestimmtdas schwächste Glied der Kette den Gesamtstrom! Die Leistung des Gesamtgenerators ist des-halb geringer als die Summenleistung der Einzelmodule. Bei der Parallelschaltung der Modu-le, bzw. der Modulstränge, kann es zu Ausgleichsströmen kommen, wodurch Strom von leis-tungsstarken Generatorteilen in leistungsschwache Generatorteile fließt. Dieses Verhalten kannunterbunden werden durch den Einbau von in Reihe geschalteten Entkopplungsdioden (Strang-dioden). Sie sperren den Rückfluss von Strom in den leistungsschwächeren Generatorteil und

7.1 Einführung 84

Abbildung 7.14: Elektrisches Schaltschema eines Solargenerators mit den notwendigen Schutzdioden

verhindern somit, dass dieser die Funktion des übrigen Generators stört. Der Solargeneratorbesteht nicht nur aus den PV-Modulen, sondern auch aus der zugehörigen Unterkonstruktion,den Kabeln und den Regeleinrichtungen. Die Tragekonstruktionen können einen nicht unerheb-lichen Teil der Gesamtkosten des Systems ausmachen und es ist deshalb vorteilhaft eine vor-handene Tragekonstruktion (z. B. Hausdach) mit zu benutzen. Die Regeleinrichtung richtet sichstark nach der Art des gewählten PV-Anlagensystems, also ob es sich z. B. um eine autonomeSolarstromversorgung mit entsprechend großem Energiespeicher oder um eine netzgekoppelteAnlage handelt.

7.1.9 Solarzellen der neueren Generation

Die grundlegenden Vorgänge der Photovoltaik lassen sich am leichtesten an den kristallinen Si-liziumzellen erklären. Die Herstellung der kristallinen Siliziumzellen ist sehr energieaufwendigund teuer, so dass man anstrebt, einerseits das Zellenmaterial zu verbessern und andererseits dieHerstellungskosten zu senken. Die wesentlichen, neueren Entwicklungen sollen zum Abschlussdieses Kapitels über die Grundlagen der Photovoltaik kurz vorgestellt werden.

Eine Senkung der Herstellungskosten kann erreicht werden, indem Material gespart wird – fürdie Umwandlung von Licht in Strom ist nämlich nur eine aktive Schicht von etwa 1 µm not-wendig. Um eine Verkleinerung der Schichtdicke zu erreichen, muss das Silizium und die Do-tierung auf einem Trägermaterial, wie z. B. Glas aufgebracht werden. Technisch realisiert wirddies durch ein Aufdampfen des Siliziums; das Silizium ist dann nicht mehr kristallin, sondernamorph (gestaltlos) angeordnet. Das amorphe Silizium hat sich einen bedeutenden Marktan-teil erobert, da es das geeignete Material für die Produktion von Zellen für Kleinanwendungen(Uhren, Taschenrechner, . . . ) ist. Die Wirkungsgrade liegen bei 5 bis 6 % und es gibt bezüglichder Langzeitstabilität noch ungelöste Probleme. Aus diesem Grund spielt das amorphe Siliziumnoch keine Rolle bei den Generatoren für Leistungsanwendungen.

7.1 Einführung 85

Neuerdings werden in den USA Solarzellen aus wesentlich billigerem, metallurgisch reinemSilizium hergestellt, die einen Wirkungsgrad von 10 % aufweisen. Im Unterschied zu den emp-findlichen und spröden bisherigen Solarzellen besteht die sogenannte Spheral Solar-Zelle auseiner Vielzahl von winzigen Siliziumkugeln, die auf einer dünnen Aluminiumfolie aufgebrachtsind [Fricke 92].

Neben den genannten Materialien werden eine große Anzahl weiterer Halbleiter bezüglich ih-rer Eignung als Solarzellenmaterial untersucht. Der bisher höchste Umwandlungswirkungsgradwurde mit Zellen aus Gallium-Arsenid erreicht. Zu Bedenken ist hierbei, dass Gallium ein sehrseltenes und Arsen ein hochgiftiges Element ist. Der Einsatzbereich dieser Materialien ist so-mit sehr eng begrenzt und sie werden das Silizium in der breiten Anwendung nicht verdrängenkönnen.

Die Gesamtstrahlungsleistung der Sonne

Als mittlere GlobalstrahlungGG wird die Summe der während einer bestimmten Zeit (Tag, Mo-nat, Jahr) auf eine horizontale Fläche (Erde) auftreffende Strahlungsmenge bezeichnet. Sie setztsich zusammen aus einem direkten und einem diffusen Anteil. Die diffuse HimmelsstrahlungGH entsteht durch Streuung der direkten Strahlung beim Durchgang durch die Erdatmosphäre.Eine Solarzelle nutzt sowohl die Direktstrahlung GD als auch die von der Umgebung der Zelleund der Erdatmosphäre gestreute Strahlung. Die Tatsache, dass die Solarzelle beide Strahlungs-arten nutzen kann, ist deshalb so wichtig, weil in der Bundesrepublik die Diffusstrahlung dieDirektstrahlung oft erheblich übersteigt; auch bei Sonnenschein beträgt der Diffusanteil an derGlobalstrahlung noch 10 % bis 40 %.

Abbildung 7.15: Die Jahresgänge für den Tagesmittelwert der Globalstrahlung und ihrer Komponen-ten zeigen, dass in unserem Land die diffuse Strahlung die direkte erheblich übersteigt[Kleemann 88]

7.2 Vorbereitungen 86

7.2 Vorbereitungen

Quelle dieser Versuchsvorbereitungen sind die Originalunterlagen der Fa. IKS, die das Lehrsys-tem für den Photovoltaikversuch gemeinsam mit dem Institut für Solare Energieversorgungs-technik (ISET) e.V. entwickelt haben. Alle Rechte liegen bei IKS und ISET. Der Text zur Ein-führung stammt von Gerhard Deltau, der diese Unterlagen im Rahmen einer Studienarbeit fürdas weiterbildende Studium Energie und Umwelt erarbeitet hat.

Die durchzuführenden Versuche dienen zur Vertiefung von theoretisch erworbenem Wissen.Die Fragen die zu jedem Versuch gestellt werden setzen voraus, dass das Thema Photovoltaikim Rahmen einer Schulungsmaßnahme bereits behandelt wurde. Weiterhin wird vorausgesetzt,dass der Lernende über allgemeines elektrotechnisches Wissen verfügt (Auszubildende, Leh-rer, Handwerker aus den Themenfeldern Physik, Elektrotechnik oder anverwandten Bereichen)Durch die Versuchsaufbauten lernt der Lernende die Komponenten, die in den unterschiedlichs-ten Photovoltaiksystemen eingesetzt werden, näher kennen. Bei der Entwicklung des Systemswurde besonderer Wert darauf gelegt praxisübliche Komponenten und Betriebsmittel einzuset-zen, soweit dies für den kleinen Leistungsbereich möglich ist.

Zur Versuchsvorbereitung gehört, dass die Versuchsdurchführung genau durchzulesen ist. DieVorgehensweise wurde bewusst in knappen Worten abgefasst, um den Versuchsaufbau und dieDurchführung so transparent wie möglich zu gestalten. Die beschriebene Reihenfolge der Ein-zelschritte sollte eingehalten werden, um Fehlmessungen und damit Fehlinterpretationen zuvermeiden.

7.2 Vorbereitungen 87

Zu den Lösungen

Bei den Lösungen können, insbesondere bei der Aufnahme der Kennlinien, etwas abweichendeErgebnisse erzielt werden. Hierbei handelt es sich meist nicht um Fehlmessungen.

Folgende Ursachen können dafür vorliegen:

• Die mechanische Einstellung des Strahlers wurde nicht optimal vorgenommen.

• Sie haben vergessen den Dimmer des Strahlers richtig einzustellen.

• Das Solarmodul wurde nicht gleichmäßig ausgeleuchtet.

• Durch Fremdlichteinflüsse können etwas höhere Modulströme erreicht werden.

• Bei den Temperaturversuchen wurden zu kurze Zeiten gewählt.

• Der Temperaturfühler wurde nicht richtig positioniert.

• Die resultierenden Werte IK und UL des Simulators sind auch temperaturabhängig.

• Die Einstellung des Simulators wurde falsch gewählt.

• Die falschen Lasten wurden gewählt.

• Ablesefehler auf Instrumenten.

• Messwerte wurden falsch notiert oder in das Diagramm eingetragen.

Dies sind einige mögliche Fehler bzw. Einflüsse, die dazu führen können, dass Sie im Vergleichzu den Lösungsblättern zu abweichenden Ergebnissen kommen.

Die in der Versuchsanleitung angegebene Vorgehensweise sollte möglichst eingehalten werden,wenn Sie anschließend die Lösungen verschiedener Gruppen vergleichen möchten. Das Lehr-system bietet selbstverständlich mehrere Einstellmöglichkeiten, die Sie im Bedarfsfall nutzenkönnen.

7.3 Durchführung 88

7.3 Durchführung

7.3.1 Kennlinienaufnahme einer Diode und eines Diodenbandes

7.3.1.1 Kennlinienaufnahme einer Diode

Um die Funktion einer Solarzelle und deren Kennlinie zu verstehen ist es zweckmäßig, zunächstdie Diode zu betrachten. Die Diode ermöglicht einen Stromfluss in nur eine Richtung. DurchAnlegen einer Gleichspannung in Durchlassrichtung kommt ein Strom zum Fließen, der von derHöhe der außen angelegten Spannung abhängig ist. Das verwendete Basismaterial bestimmt diecharakteristische Diffusionsspannungen, bei deren Erreichen der Strom merklich ansteigt. Wirddie angelegte Spannung weiter erhöht und der Maximalstrom der Diode überschritten, wirddiese thermisch zerstört.

Die Diode besitzt zwei Anschlüsse, die als Anode und Kathode bezeichnet werden (Anode +,Kathode −). Beim Betrieb in Sperrrichtung, d. h. bei Umkehr der von außen angelegten Span-nung, fließt zunächst ein um ein Vielfaches kleinerer Sperrstrom. Wird die maximal zulässigeSperrspannung überschritten, wird die Diode ebenfalls zerstört. Je nach Ausführungsart könnenSperrspannungen zwischen 10 V und einigen Kilovolt erreicht werden. Das Verhalten einer Di-

ode wird durch ihre Kennlinie I = f(UD) beschrieben. Der charakteristische Kennlinienverlaufeiner Solarzelle entspricht in etwa dem einer Siliziumdiode in Durchlassrichtung. Silizium istdas Basismaterial für eine Vielzahl von Halbleiterelementen, so auch für die Herstellung vonSolarzellen.


7.3.1.2 Versuchsdurchführung

In diesem Versuch ist die Kennlinie einer Diode in Durchlassrichtung aufzunehmen. Der kom-plette Versuchsaufbau befindet sich auf der Tafel ST 16 (oberer Versuchsaufbau).

An die Tafel sind die Spannungsversorgung und die für die Aufnahme der Strom- und Span-nungswerte benötigten Messgeräte anzuschließen. Wählen Sie den Messbereich so, dass Sieein möglichst genaues Messergebnis erhalten. So wird es notwendig sein, während der Mes-sung die Messbereiche zu erweitern. Achten Sie unbedingt darauf, dass der Messwert nichtgrößer wird als der Messbereich. Um Temperatureinflüsse gering zu halten, sollte die Messungzügig durchgeführt werden.

Der Nennstrom der Diode darf unter keinen Umständen überschritten werden! Strom-begrenzung ist auf 0,5A einstellen.

Verwendete Tafeln und Geräte:

ST 16 Tafel Diode/DiodenbandST 27 LabornetzgerätST 24 Multimeter (2 Stück)

Stellen Sie am Potentiometer P1 die in Tabelle 7.1 vorgegebenen Spannungswerte ein und no-tieren Sie die gemessenen Stromwerte in der entsprechenden Tabelle. Anschließend übertragenSie die Wertepaare in das vorbereitete Diagramm.


UD (V) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8

ID (mA)

Tabelle 7.1: Messwerte Diode

Skizzieren Sie die Funktion I = f(UD):

Frage 1: Aus der aufgenommen Diodenkennlinie ist die Diffusionsspannung graphisch zubestimmen. Um welches Basismaterial handelt es sich?

Diffusionsspannung: V Basismaterial:

Frage 2: Nennen Sie mindestens zwei Anwendungen von Dioden im Bereich von photovol-taischen Anwendungen.

Frage 3: Einer der drei genannten Diodentypen ist besonders verlustarm und wird deshalbinsbesondere in kleinen PV-Systemen eingesetzt. Kreuzen Sie den zutreffenden Typ an:

2 Zener-Diode 2 Germanium-Diode 2 Schottky-Diode


7.3.1.3 Kennlinienaufnahme eines Diodenbandes

Die Solarzelle ist die kleinste Einheit eines Solargenerators. Ihre Kennlinie ist vergleichbar mitder einer Diode. Aufgrund des niedrigen Spannungs- und Leistungsbereiches einer Zelle wer-den diese seriell zu einem Zeilenverbund in Reihe geschaltet, um sie dann einer technischenNutzung zuführen zu können. Wegen der ähnlichen Kennliniencharakteristik von Solarzelle ei-nerseits und Diode andererseits können durch Reihenschaltung von Dioden ganze Solarmodulenachgebildet werden.

Der zu einem späteren Zeitpunkt zum Einsatz kommende Solarmodul-Simulator beruht auf demPrinzip eines stromgespeisten Diodenbandes. Der anschließend durchzuführende Versuch dientalso auch dazu die Arbeitsweise dieses Simulators kennenzulernen.


In diesem Versuch ist die Kennlinie eines Diodenbandes in Durchlassrichtung aufzunehmen.Wie bei dem Versuch zuvor befindet sich der Versuchsaufbau auf der Tafel ST 16 jedoch imunteren Bereich. Schließen Sie Spannungsversorgung und die entsprechenden Messgeräte an.Wählen Sie den Messbereich so, dass Sie ein möglichst genaues Messergebnis erhalten. So wirdes notwendig sein, während der Messung die Messbereiche zu erweitern. Achten Sie unbedingtdarauf, dass der Messwert nicht größer wird als der Messbereich.

Der Nennstrom des Diodenbands darf auch hier nicht überschritten werden! Strombegren-zung ist auf 0,5A einstellen.


ST 16 Tafel Diode/DiodenbandST 27 LabornetzgerätST 24 Multimeter (2 Stück)

Stellen Sie am Potentiometer P2 die in Tabelle 2 vorgegebenen Spannungswerte ein und no-tieren Sie die gemessenen Stromwerte in der entsprechenden Tabelle. Die Spannungswerte ab15 V sind selbst zu wählen (z. B. 1 V- oder 0,5 V-Schritte). Anschließend übertragen Sie dieWertepaare in ein Diagramm.


UD (V olt) 5 10 15

ID (mA)

Tabelle 7.2: Messwerte Diodenband

Skizzieren Sie die Funktion I = f(U):

Frage 4: Nachdem Sie die Kennlinie des Diodenbandes aufgetragen haben, zeichnen Siezusätzlich die Diodenkennlinie aus dem ersten Versuchteil nach. Was fällt Ihnen dabei auf?

Frage 5: In nebenstehenden Diagramm ist die Kennlinie einesDiodenbandes eingezeichnet. Bitte ergänzen Sie das Diagrammum die Kennlinie eines beleuchteten Solarmoduls. Die Strom- undSpannungsverhältnisse sind identisch.


Frage 6: Kann die Kennlinie eines völlig abgeschatteten (keine Einstrahlung) Solarmodulsaufgenommen werden?

2 Ja 2 NeinWenn nein , warum nicht?

Wenn ja, wie wird diese Kennlinie genannt?

2 Dunkelkennlinie 2 Durchlasskennlinie 2 Sperrkennlinie

Frage 7: Nachstehend ist das Prinzip eines Solarsimulators dargestellt. Erklären Sie anhanddes Schaltbildes und des zuvor gezeichneten Diagrammes seine Funktionsweise.

Wie ist die Stromquelle einzustellen? Imax?Wie muss R eingestellt werden, um den Leerlauffall zu simulieren?Wie muss R eingestellt werden, um den Kurzschlussfall zu simulieren?

Frage 8: In welchem Betriebsfall tritt für das Diodenband die größte Belastung auf?

2 Leerlaufbetrieb 2 Kurzschlussbetrieb 2 MPP-Betrieb


7.3.2 Kennlinienaufnahme eines Solarmoduls

Solarzellen wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom. Für die technische Nutzung werden So-larzellen in Reihe geschaltet, um eine höhere Betriebsspannung zu erreichen. Durch die serielleVerschaltung der Zellen wird neben der Spannung auch die Leistung des Solarmoduls erhöht.Die Zellenfläche bestimmt die Höhe des möglichen Stromes der bei entsprechender Bestrah-lung zum Fließen kommt. Der Verbund von mehreren Zellen wird als Solarmodul bezeichnet.Bei den Zellentypen unterscheidet man zwischen kristallinen und amorphen Zellen, wobei diekristallinen Zellen nochmals in mono- und polykristallin unterteilt werden.


In diesem Versuch ist die Kennlinie eines Solarmoduls aufzunehmen. Bitte verwenden Sie dazudas Modulgestell ST 14 in Verbindung mit der Tafel ST 01. Schließen Sie das Modul mit demKlinkenstecker an die Tafel rückseitig an. Die Strom- und Spannungsmessung erfolgt wiederummit separaten Messgeräten.

Bevor Sie mit den Messungen beginnen, stellen Sie den Strahler mit Hilfe des Dimmers aufMaximum ein. Justieren Sie den Strahler so, dass der maximal mögliche Kurzschlussstrom(ca.300mA) zum Fließen kommt (Amperemeter direkt an Ausgangsbuchsen des Moduls). Dazumuss der Kurzschlussstecker in Tafel STO1 gesteckt sein. Um einen möglichst hohen Kurz-schlussstrom zu erreichen, wählen Sie die Sommerstellung des Modulgestells (oberer Schwen-karm innen, Modulausrichtung Süd, Anstellwinkel ca. 30◦). Achten Sie darauf, dass die Modul-fläche möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird.


ST 01 Tafel Solarmodulanschluß -innenST 14 ModulgestellST 24 Multimeter (2 Stück)ST 20 Regelbarer Widerstand 378 Ohm

Stellen Sie mit dem Schiebewiderstand die vorgegebenen Spannungswerte ein und notieren Siedie gemessenen Stromwerte in der entsprechenden Tabelle. Spannungswerte größer als 14 Vwählen Sie selbst. Errechnen Sie aus der Wertepaarreihe die entsprechende Leistung. Über-tragen Sie zunächst die Wertepaare für Strom und Spannung in ein Diagramm. Anschließendergänzen Sie das Diagramm durch den Eintrag der Leistungskennlinie. Beschriften Sie hierzudie y-Achse mit zwei Werteachsen.

Achtung! Bei längerem Betrieb kann sich der Strahler erhitzen. Es besteht Verbrennungs-gefahr. Wird der Strahler nicht benötigt, schalten Sie ihn aus.


US (V) 0 5 10 12 14

IS (mA)

PS (W)

Tabelle 7.3: Messwerte Modulkennlinie

Skizzieren Sie die Funktion IS = f(US) und PS = f(US):

Frage 1: Welcher Zellentyp kommt in dem zu vermessenden Modul zum Einsatz?

2 monokristallin 2 polykristallin 2 amorph

Frage 2: Bestimmen Sie aus den beiden Kennlinien die Werte für Strom und Spannung, diesich im optimalen Arbeitspunkt des Moduls einstellen (geringfügige Abweichungen möglich).

Spannung: V Strom: A Leistung: W

Frage 3: Bei wie viel Prozent der gemessenen Leerlaufspannung liegt ungefähr der optimaleArbeitspunkt des Moduls (geringfügige Abweichungen möglich)?

ca.: %


7.3.3 Kennlinienaufnahme eines Solarmoduls bei unterschiedlichenBestrahlungsstärken

Die Kennlinie eines Solarmoduls wird im wesentlichen von den Einflussparametern Temperaturund Bestrahlungsstärke beeinflusst. Die Bestrahlungsstärke hat dabei den weitaus größeren Ein-fluss. Insbesondere der Modulstrom zeigt hier eine direkt proportionale Abhängigkeit. Nebenmeteorologischen Einflüssen (Wolken, Nebel ..) können auch nicht optimale Ausrichtungen derEmpfängerfläche zu reduzierten Bestrahlungsstärken führen.


In diesem Versuch werden zwei Kennlinien des gleichen Solarmoduls bei unterschiedlichen Be-strahlungsstärken aufgenommen. Verwenden Sie dazu das Modulgestell ST 14 in Verbindungmit der Tafel ST 01. Optional kann auch der Modulsimulator ST 02 eingesetzt werden (max.Strom ca. 300 mA). Bevor Sie mit den Messungen beginnen, stellen Sie den Strahler mit Hil-fe des Dimmers auf Maximum ein. Justieren Sie den Strahler so, dass der maximal möglicheKurzschlussstrom zum Fließen kommt (Amperemeter direkt an Ausgangsbuchsen des Moduls).Um einen möglichst hohen Kurzschlussstrom zu erreichen, wählen Sie die Sommerstellung desModulgestells (oberer Schwenkarm innen, Ausrichtung Süd, Anstellwinkel. 30◦). Achten Siedarauf, dass die Modulfläche möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird.

Achtung! Bei längerem Betrieb kann sich der Strahler erhitzen. Es besteht Verbrennungs-gefahr. Wird der Strahler nicht benötigt, schalten Sie ihn bitte aus.

Mit dem Widerstand können Sie nun, im Kurzschluss beginnend, die Kennlinie des Modulsaufnehmen. Spannungswerte größer 14 V wählen Sie selbst. Haben Sie den Versuch 2 bereitsdurchgeführt können diese Werte übernommen werden. Nach der Kennlinienaufnahme bei ma-ximal möglicher Bestrahlungsstärke dimmen Sie den Strahler auf ca. 50% seiner Leistungsauf-nahme, führen Sie die Messungen erneut durch.


ST 01 Tafel SolarmodulanschlussST 14 Modulgestell (opt. ST 02 Modulsimulator)ST 24 Multimeter (2 Stück)ST 20 Regelbarer Widerstand 378 Ohm

Stellen Sie mit dem Schiebewiderstand die vorgegebenen Spannungswerte ein und notieren Siedie gemessenen Stromwerte in der entsprechenden Tabelle. Skizzieren Sie beide Kennlinien.


US (V) 0 5 10 12 14

IS (mA)

Tabelle 7.4: Messwerte Modulkennlinie mit maximaler Bestrahlung

US (V) 0 5 10 12 14

IS (mA)

Tabelle 7.5: Messwerte Modulkennlinie mit reduzierter Bestrahlung

Skizzieren Sie die Funktion IS1 = f(US) und IS2 = f(US):


Nehmen Sie die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom bei unterschiedlicher Bestrah-lungsstärke auf. Variieren Sie hierfür den Regler für die Lampenspannung von Pot = 10 bisPot = 0. Nehmen Sie den größten Wert von IK als 100% Bestrahlungsstärke E an und berech-nen Sie die Bestrahlungsstärke in % der anderen Messpunkte.

Pot 10 9 8

UL (V)

IK (mA)

E (%) 100

Tabelle 7.6: Messwerte Modulkennlinie mit variabler Bestrahlung

Skizzieren Sie den Verlauf von Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung eines Solarmoduls inAbhängigkeit der Bestrahlungsstärke: IK = f(E) und UL = (E)


7.3.4 Temperatureinfluss auf die Kennlinie eines Solarmoduls

Die Zellentemperatur eines Solarmoduls ist im wesentlichen von der Bestrahlungsstärke derUmgebungstemperatur und den Windverhältnissen abhängig. Aus der Halbleitertechnik ist be-kannt, dass sich bei steigender Temperatur die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöht. Währendder Strom geringfügig steigt, zeigt die Spannung ein entgegengesetztes Verhalten. Die Mo-dulhersteller weisen ihre Produkte deshalb auch mit Temperaturkoeffizienten aus, die diesesVerhalten beschreiben. Die Koeffizienten sind materialabhängig.Bei guten Einstrahlungsverhältnissen können Modultemperaturen von +50 ◦C und mehr er-reicht werden. Die damit einhergehenden Verluste sind dann nicht unerheblich. Der Tempe-ratureinfluss auf einen Solargenerator kann durch konstruktive Maßnahmen. (zB. hinterlüfteteAufdachmontage) gemindert werden.


Der durchzuführende Versuch umfasst die Aufnahme von zwei Kennlinien bei unterschiedli-chen Betriebstemperaturen jedoch gleicher Bestrahlungsstärke. Ergänzend werden Messungender Modultemperatur vorgenommen. Für die Versuchsdurchführung benötigen Sie wiederumdas Modulgestell ST 14 in Verbindung mit der Tafel ST 01Der für die Temperaturmessung benötigte Fühler wird auf der Rückseite des Moduls (Mit-te) angebracht. Bevor Sie mit den Messungen beginnen, stellen Sie den Strahler mit Hilfedes Dimmers auf Maximum ein. Justieren Sie den Strahler so, dass der maximal möglicheKurzschlussstrom (ca. 300mA) zum Fließen kommt (Amperemeter direkt an Ausgangsbuchsendes Moduls). Um einen möglichst hohen Kurzschlussstrom zu erreichen, wählen Sie bitte dieSommerstellung des Modulgestells (oberer Schwenkarm innen, Ausrichtung Süd, Anstellwin-kel 30◦). Achten Sie darauf, dass die Modulfläche möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird.Wichtig! Nehmen Sie diese Einstellung sehr schnell vor, um eine schnelle Erwärmung desModuls zunächst zu vermeiden.

Achtung! Bei längerem Betrieb kann sich der Strahler erhitzen. Es besteht Verbrennungs-gefahr. Wird der Strahler nicht benötigt, schalten Sie ihn bitte aus.


ST 01 Tafel Solarmodulanschluß -innen-ST 14 ModulgestellST 24 Multimeter (2 Stück)ST 20 Regelbarer Widerstand 378 OhmST 37 Temperaturmessgerät


Übertragen Sie die gemessenen Werte in entsprechende Tabellen. Zeichnen Sie weiterhin beideKennlinien in ein Diagramm.

T (◦C)

UL (V)

IK (mA)

Tabelle 7.7: Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom in Abhängigkeit der Temperatur

Kennlinie 1 für T (◦C):

US (V) 0 5 10 12 14

IS1 (mA)

Kennlinie 2 für T (◦C):

US (V) 0 5 10 12 14

IS2 (mA)

Tabelle 7.8: Messwerte Modulkennlinie bei unterschiedlichen Temperaturen

Skizzieren Sie die Funktion IS1 = f(US) und IS2 = f(US):


Frage 1: Welches Vorzeichen für den Temperaturkoeffizienten besitzen die beiden tempera-turabhängigen Größen Strom und Spannung?

Um dies feststellen zu können tragen Sie die gemessenen Strom- und Spannungswerte bei denzugehörigen Modultemperaturen in ein Diagramm ein:

Frage 2: Welche Größe, Strom oder Spannung, hat größeren Einfluss auf die Leistungsabga-be des Solarmoduls bei Erwärmung?

2 Strom 2 Spannung

Frage 3: Welches ist die in Bezug auf die jährliche, optimale Energieausbeute bezogene güns-tigste Einbauart der Module?

2 Aufdachmontage (30 Grad Dachneigung) 2 Dachintegration (30 Grad Dachneigung)

2 Aktiv hinterlüftete PV-Fassade (senkrecht)

Frage 4: Sie sind überzeugter Spanienurlauber und möchten Ihr Wohnmobil mit einem Solar-modul ausstatten. Worauf sollten Sie, im Hinblick auf die Erwärmung des Moduls, beim Kaufachten?

Documents

7 Photovoltaik - Universität Kassel: Aktuelles · PDF fileDieses Elektron ist quasi frei und steht für den Transport von elektrischer Ladung im Kristall zur Verfügung