Photovoltaik

Vorwort

Vorwort zur vierten Auflage

Inhalt

1 Einführung

1.1 Einleitung

1.1.1 Wozu Photovoltaik?

1.1.2 Für wen ist dieses Buch gedacht?

1.1.3 Aufbau des Buches

1.2 Was ist Energie?

1.2.1 Definition der Energie

1.2.2 Einheiten der Energie

1.2.3 Primär-, Sekundär- und Endenergie

1.2.4 Energieinhalte verschiedener Stoffe

1.3 Probleme der heutigen Energieversorgung

1.3.1 Wachsender Energiebedarf

1.3.2 Verknappung der Ressourcen

1.3.3 Klimawandel

1.3.4 Gefährdung und Entsorgung

1.4 Erneuerbare Energien

1.4.1 Die Familie der erneuerbaren Energien

1.4.2 Vor- und Nachteile von erneuerbaren Energien

1.4.3 Bisherige Entwicklung der erneuerbaren Energien

1.5 Photovoltaik – das Wichtigste in Kürze

1.5.1 Was bedeutet „Photovoltaik“?

1.5.2 Was sind Solarzellen und Solarmodule?

1.5.3 Wie ist eine typische Photovoltaikanlage aufgebaut?

1.5.4 Was „bringt“ eine Photovoltaikanlage?

1.6 Geschichte der Photovoltaik

1.6.1 Wie alles begann

1.6.2 Die ersten echten Solarzellen

1.6.3 From Space to Earth

1.6.4 Vom Spielzeug zur Energiequelle

2 Strahlungsangebot der Sonne

2.1 Eigenschaften der Solarstrahlung

2.1.1 Solarkonstante

2.1.2 Spektrum der Sonne

2.1.3 Air Mass

2.2 Globalstrahlung

2.2.1 Entstehung der Globalstrahlung

2.2.2 Beiträge von Diffus- und Direktstrahlung

2.2.3 Globalstrahlungskarten

2.3 Berechnung des Sonnenstandes

2.3.1 Sonnendeklination

2.3.2 Berechnung der Bahn der Sonne

2.4 Strahlung auf geneigte Flächen

2.4.1 Strahlungsberechnung mit dem Dreikomponentenmodell

2.4.1.1 Direktstrahlung

2.4.1.2 Diffusstrahlung

2.4.1.3 Reflektierte Strahlung

2.4.2 Strahlungsabschätzung mit Diagrammen und Tabellen

2.4.3 Ertragsgewinn durch Nachführung

2.5 Strahlungsangebot und Weltenergieverbrauch

2.5.1 Der Solarstrahlungs-Energiewürfel

2.5.2 Das Sahara-Wunder

3 Grundlagen der Halbleiterphysik

3.1 Aufbau von Halbleitern

3.1.1 Bohrsches Atommodell

3.1.2 Periodensystem der Elemente

3.1.3 Aufbau des Siliziumkristalls

3.1.4 Verbindungshalbleiter

3.2 Bändermodell des Halbleiters

3.2.1 Entstehung von Energiebändern

3.2.2 Unterscheidung in Isolatoren, Halbleiter und Leiter

3.2.3 Eigenleitungsdichte

3.3 Ladungstransport in Halbleitern

3.3.1 Feldströme

3.3.2 Diffusionsströme

3.4 Dotierung von Halbleitern

3.4.1 n-Dotierung

3.4.2 p-Dotierung

3.5 Der pn-Übergang

3.5.1 Prinzipielle Wirkungsweise

3.5.2 Bänderdiagramm des pn-Übergangs

3.5.3 Verhalten bei angelegter Spannung

3.5.4 Dioden-Kennlinie

3.6 Wechselwirkung von Licht mit Halbleitern

3.6.1 Phänomen der Lichtabsorption

3.6.1.1 Absorptionskoeffizient

3.6.1.2 Direkte und indirekte Halbleiter

3.6.2 Lichtreflexion an Oberflächen

3.6.2.1 Reflexionsfaktor

3.6.2.2 Antireflexbeschichtung

4 Aufbau und Wirkungsweise der Solarzelle

4.1 Betrachtung der Photodiode

4.1.1 Aufbau und Kennlinie

4.1.2 Ersatzschaltbild

4.2 Funktionsweise der Solarzelle

4.2.1 Prinzipieller Aufbau

4.2.2 Rekombination und Diffusionslänge

4.2.3 Was passiert in den einzelnen Zellbereichen?

4.2.4 Back-Surface-Field

4.3 Photostrom

4.3.1 Absorptionswirkungsgrad

4.3.2 Quantenwirkungsgrad

4.3.3 Spektrale Empfindlichkeit

4.4 Kennlinie und Kenngrößen

4.4.1 Kurzschlussstrom IK

4.4.2 Leerlaufspannung UL

4.4.3 Maximum Power Point (MPP)

4.4.4 Füllfaktor FF

4.4.5 Wirkungsgrad

4.4.6 Temperaturabhängigkeit der Solarzelle

4.5 Elektrische Beschreibung realer Solarzellen

4.5.1 Vereinfachtes Modell

4.5.2 Standard-Modell (Ein-Dioden-Modell)

4.5.3 Zwei-Dioden-Modell

4.5.4 Bestimmung der Parameter des Ersatzschaltbildes

4.6 Betrachtungen zum Wirkungsgrad

4.6.1 Spektraler Wirkungsgrad

4.6.2 Theoretischer Wirkungsgrad

4.6.3 Verluste in der realen Solarzelle

4.6.3.1 Optische Verluste

4.6.3.2 Elektrische Verluste

4.7 Hocheffizienzzellen

4.7.1 Buried-Contact-Zelle

4.7.2 Punktkontakt-Zelle (IBC-Zelle)

4.7.3 PERL- und PERC-Zelle

5 Zellentechnologien

5.1 Herstellung kristalliner Silizium-Zellen

5.1.1 Vom Sand zum Silizium

5.1.1.1 Herstellung von Polysilizium

5.1.1.2 Herstellung von monokristallinem Silizium

5.1.1.3 Herstellung von multikristallinem Silizium

5.1.1.4 Herstellung von quasimonokristallinem Silizum

5.1.2 Vom Silizium zum Wafer

5.1.2.1 Waferherstellung

5.1.2.2 Wafer aus Foliensilizium

5.1.3 Herstellung von Standard-Solarzellen

5.1.4 Herstellung von Solarmodulen

5.2 Zellen aus amorphem Silizium

5.2.1 Eigenschaften von amorphem Silizium

5.2.2 Herstellungsverfahren

5.2.3 Aufbau der pin-Zelle

5.2.4 Staebler-Wronski-Effekt

5.2.5 Stapelzellen

5.2.6 Kombizellen aus mikromorphem Material

5.2.7 Integrierte Serienverschaltung

5.3 Weitere Dünnschichtzellen

5.3.1 CIS-Zellen

5.3.2 Zellen aus Cadmium-Tellurid

5.4 Hybride Waferzellen

5.4.1 Kombination von c-Si und a-Si (HIT-Zelle)

5.4.2 Stapelzellen aus III/V-Halbleitern

5.5 Sonstige Zellenkonzepte

5.5.1 Farbstoffsolarzelle

5.5.2 Organische Solarzelle

5.5.3 Perowskit-Solarzelle

5.6 Konzentratorsysteme

5.6.1 Prinzip der Strahlungsbündelung

5.6.2 Was bringt die Konzentration?

5.6.3 Beispiele von Konzentratorsystemen

5.6.4 Vor- und Nachteile von Konzentratorsystemen

5.7 Ökologische Fragestellungen zur Zellen- und Modulherstellung

5.7.1 Umweltauswirkungen bei Herstellung und Betrieb

5.7.1.1 Beispiel Cadmium-Tellurid

5.7.1.2 Beispiel Silizium

5.7.2 Verfügbarkeit der Materialien

5.7.2.1 Silizium

5.7.2.2 Cadmium-Tellurid

5.7.2.3 CIS

5.7.2.4 III/V-Halbleiter

5.7.3 Energierücklaufzeit und Erntefaktor

5.8 Zusammenfassung

6 Solarmodule und Solargeneratoren

6.1 Eigenschaften von Solarmodulen

6.1.1 Solarzellenkennlinie in allen vier Quadranten

6.1.2 Parallelschaltung von Zellen

6.1.3 Reihenschaltung von Zellen

6.1.4 Einsatz von Bypassdioden

6.1.4.1 Reduzierung von Verschattungsverlusten

6.1.4.2 Vermeidung von Hotspots

6.1.5 Typische Kennlinien von Solarmodulen

6.1.5.1 Variation der Bestrahlungsstärke

6.1.5.2 Temperaturverhalten

6.1.6 Sonderfall Dünnschichtmodule

6.1.7 Beispiele von Datenblattangaben

6.2 Verschaltung von Solarmodulen

6.2.1 Parallelschaltung von Strings

6.2.2 Was passiert bei Verkabelungsfehlern?

6.2.3 Verluste durch Mismatching

6.2.4 Schlaue Verschaltung bei Verschattung

6.3 Gleichstrom-Komponenten

6.3.1 Prinzipieller Anlagenaufbau

6.3.2 Gleichstromverkabelung

6.4 Anlagentypen

6.4.1 Freilandanlagen

6.4.2 Flachdachanlagen

6.4.3 Schrägdachanlagen

6.4.4 Fassadenanlagen

6.4.5 Schwimmende Anlagen

7 Systemtechnik netzgekoppelter Anlagen

7.1 Solargenerator und Last

7.1.1 Widerstandslast

7.1.2 DC/DC-Wandler

7.1.2.1 Idee

7.1.2.2 Tiefsetzsteller

7.1.2.3 Hochsetzsteller

7.1.3 MPP-Tracker

7.2 Aufbau netzgekoppelter Anlagen

7.2.1 Einspeisevarianten

7.2.2 Anlagenkonzepte

7.3 Aufbau von Wechselrichtern

7.3.1 Aufgaben des Wechselrichters

7.3.2 Netzgeführte und selbstgeführte Wechselrichter

7.3.3 Trafoloser Wechselrichter

7.3.4 Wechselrichter mit Netztrafo

7.3.5 Wechselrichter mit HF-Trafo

7.3.6 Dreiphasige Einspeisung

7.3.7 Weitere schlaue Konzepte

7.4 Wirkungsgrad von Wechselrichtern

7.4.1 Umwandlungswirkungsgrad

7.4.2 Europäischer Wirkungsgrad

7.4.3 Gesamtwirkungsgrad

7.4.4 Schlaues MPP-Tracking

7.5 Dimensionierung von Wechselrichtern

7.5.1 Leistungsdimensionierung

7.5.2 Spannungsdimensionierung

7.5.3 Stromdimensionierung

7.6 Anforderungen der Netzbetreiber

7.6.1 Vermeidung von Inselbetrieb

7.6.2 Maximale Einspeiseleistung

7.6.3 Blindleistungsbereitstellung

7.7 Sicherheitsaspekte

7.7.1 Erdung des Generators und Blitzschutz

7.7.2 Brandschutz

8 Speicherung von Solarstrom

8.1 Prinzip der Solarstromspeicherung

8.2 Akkumulatoren

8.2.1 Blei-Säure-Batterie

8.2.1.1 Prinzip und Aufbau

8.2.1.2 Typen von Bleiakkus

8.2.1.3 Akkukapazität

8.2.1.4 Spannungsverlauf

8.2.1.5 Fazit

8.2.2 Laderegler

8.2.2.1 Serienregler

8.2.2.2 Shuntregler

8.2.2.3 MPP-Laderegler

8.2.2.4 Produktbeispiele

8.2.3 Lithium-Ionen-Batterie

8.2.3.1 Prinzip und Aufbau

8.2.3.2 Reaktionen beim Lade- und Entladevorgang

8.2.3.3 Materialkombinationen und Zellspannung

8.2.3.4 Sicherheitsaspekte

8.2.3.5 Ladeverfahren

8.2.3.6 Bauformen

8.2.3.7 Lebensdauer

8.2.3.8 Einsatzbereiche

8.2.3.9 Fazit

8.2.4 Natrium-Schwefel-Batterie

8.2.4.1 Prinzip und Aufbau

8.2.4.2 Besonderheiten der Hochtemperatur-Batterie

8.2.4.3 Natrium-Schwefel-Batterien in der Praxis

8.2.4.4 Fazit

8.2.5 Redox-Flow-Batterie

8.2.5.1 Prinzip und Aufbau

8.2.5.2 Verhalten im praktischen Einsatz

8.2.5.3 Konkrete Anwendungen

8.2.5.4 Fazit

8.2.6 Vergleich der verschiedenen Batterietypen

8.3 Speichereinsatz zur Erhöhung des Eigenverbrauchs

8.3.1 Eigenverbrauch in Privathaushalten

8.3.1.1 Lösung ohne Speicher

8.3.1.2 Lösung mit Speicher

8.3.1.3 Beispiele von Speichersystemen

8.3.1.4 Was kostet die Speicherung einer Kilowattstunde?

8.3.1.5 Das Smart Home

8.3.2 Eigenverbrauch in Gewerbebetrieben

8.3.2.1 Beispiel Produktionsbetrieb

8.3.2.2 Beispiel Krankenhaus

8.4 Speichereinsatz aus Sicht des Netzes

8.4.1 Peak-Shaving durch Speicher

8.4.2 Marktanreizprogramm für Solarspeicher

8.5 Inselsysteme

8.5.1 Prinzipieller Aufbau

8.5.2 Beispiele von Inselsystemen

8.5.2.1 Solar Home Systems

8.5.2.2 Hybridsysteme

8.5.3 Dimensionierung von Inselanlagen

8.5.3.1 Erfassung des Stromverbrauchs

8.5.3.2 Dimensionierung des PV-Generators

8.5.3.3 Auswahl des Akkus

9 Photovoltaische Messtechnik

9.1 Messung solarer Strahlung

9.1.1 Globalstrahlungssensoren

9.1.1.1 Pyranometer

9.1.1.2 Strahlungssensoren aus Solarzellen

9.1.2 Messung von Direkt- und Diffusstrahlung

9.2 Leistungsmessung von Solarmodulen

9.2.1 Aufbau eines Solarmodul-Leistungsprüfstands

9.2.2 Güteklassen von Modulflashern

9.2.3 Bestimmung der Modulparameter

9.3 Peakleistungsmessung vor Ort

9.3.1 Prinzip der Peakleistungsmessung

9.3.2 Möglichkeiten und Grenzen des Messprinzips

9.4 Thermographie-Messtechnik

9.4.1 Prinzip der Infrarot-Temperaturmessung

9.4.2 Hell-Thermographie von Solarmodulen

9.4.3 Dunkel-Thermographie

9.5 Elektrolumineszenz-Messtechnik

9.5.1 Messprinzip

9.5.2 Beispiele von Aufnahmen

9.5.3 LowCost-Outdoor-Elektrolumineszenz-Untersuchungen

9.6 Untersuchungen zur spannungsinduzierten Degradation (PID)

9.6.1 Erklärung des PID-Effektes

9.6.2 Prüfung von Modulen auf PID

9.6.3 EL-Untersuchungen zu PID

9.7 String-Dunkelkennlinien-Technik

9.7.1 Motivation

9.7.2 Messmethode

9.7.3 Detektion von PID

9.7.4 Detektion von defekten Bypassdioden und Zellverbindern

9.7.5 Fazit

10 Planung und Betrieb netzgekoppelter Anlagen

10.1 Planung und Dimensionierung

10.1.1 Standortwahl

10.1.2 Verschattungen

10.1.2.1 Verschattungsanalyse

10.1.2.2 Nahverschattungen

10.1.2.3 Eigenverschattungen

10.1.2.4 Optimierte Stringverschaltung

10.1.3 Anlagendimensionierung mit Simulationsprogrammen

10.1.3.1 Wechselrichter-Auslegungstools

10.1.3.2 Simulationsprogramme für Photovoltaikanlagen

10.2 Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen

10.2.1 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz

10.2.2 Renditeberechnung

10.2.2.1 Eingangsgrößen

10.2.2.2 Amortisationszeit

10.2.2.3 Objektrendite

10.2.2.4 Renditeerhöhung durch Eigenverbrauch des Solarstroms

10.2.2.5 Weitere Einflussgrößen

10.3 Überwachung, Monitoring und Visualisierung

10.3.1 Methoden zur Anlagenüberwachung

10.3.2 Monitoring von PV-Anlagen

10.3.2.1 Spezifische Erträge

10.3.2.2 Verluste

10.3.2.3 Performance Ratio

10.3.2.4 Konkrete Maßnahmen zum Monitoring

10.3.3 Visualisierung

10.4 Betriebsergebnisse von konkreten Anlagen

10.4.1 Schrägdachanlage aus dem Jahre 1996

10.4.2 Schrägdachanlage aus dem Jahre 2002

10.4.3 Flachdachanlage aus dem Jahre 2008

11 Zukünftige Entwicklung

11.1 Potential der Photovoltaik

11.1.1 Theoretisches Potential

11.1.2 Technisch nutzbare Strahlungsenergie

11.1.3 Technisches Stromerzeugungspotential

11.1.4 Photovoltaik versus Biomasse

11.2 Effiziente Förderinstrumente

11.3 Preis- und Vergütungsentwicklung

11.3.1 Preisentwicklung von Solarmodulen

11.3.2 Entwicklung der Einspeisevergütung

11.4 Erneuerbare Energien im heutigen Stromversorgungssystem

11.4.1 Struktur der Stromerzeugung

11.4.2 Kraftwerksarten und Regelenergie

11.4.3 Zusammenspiel aus Sonne und Wind

11.4.4 Exemplarische Stromproduktionsverläufe

11.5 Überlegungen zur zukünftigen Energieversorgung

11.5.1 Betrachtung unterschiedlicher Zukunftsszenarien

11.5.2 Optionen zur Speicherung von elektrischer Energie

11.5.2.1 Pumpspeicherwerke

11.5.2.2 Druckluftspeicher

11.5.2.3 Batteriespeicherung

11.5.2.4 Elektromobilität

11.5.2.5 Wasserstoff als Speicher

11.5.2.6 Power-to-Gas: Methanisierung

11.5.3 Alternativen zur Speicherung

11.5.3.1 Aktives Lastmanagement durch Smart Grids

11.5.3.2 Ausbau des Stromnetzes

11.5.3.3 Begrenzung der Einspeiseleistung

11.5.3.4 Einsatz flexibler Kraftwerke

11.6 Fazit

12 Übungsaufgaben

13 Anhang

13.1 Einfluss von Ausrichtung und Neigung auf die Jahresstrahlungssumme an verschiedenen Standorten

13.1.1 Standort Hamburg

13.1.2 Standort München

13.1.3 Standort Bern

13.1.4 Standort Wien

13.1.5 Standort Marseille

13.1.6 Standort Kairo

13.2 Checkliste zu Planung, Installation und Betrieb einer Photovoltaikanlage

13.3 Im Buch verwendete Abkürzungen

13.4 Physikalische Konstanten/Materialparameter

Literatur

Index