ALLES ÜBER PHOTOVOLTAIK

Einführung

Aktuelle Energiesituation

Energiegehalt der jährlichen Sonneneinstrahlung im Vergleich zu den nicht-regenerative Ressourcen

Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung

Prinzip einer Netzgekoppelten PV-Anlage

Prinzip eines PV-Inselsystems

PV-Anlage mit Energiespeicher

Was ist Photovoltaik

Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht (Phos) und Volt (Maßeinheit für elektrische Spannung)

  • Direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen.
  • Für die Nutzung des photovoltaischen Effekts eignen sich Halbleiter am besten.
  • Halbleiter: Unter Bestrahlung oder Zufuhr von Wärme werden Halbleiter elektrisch leitfähig, während sie bei tiefen Temperaturen isolierend wirken.
  • Über 95 % aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si).

Grundlagen der Photovoltaik

Halbleitermaterialien für Solarzellen, Zellherstellung

Spektrale Empfindlichkeit unterschiedlicher Solazellen


Monokristallines Silizium
  • Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt.
  • hochreines Halbleitermaterial, teuerer als polykristallines Silizium
  • hohe Wirkungsgrade: 15 bis 18%
Polykristallines Silizium
  • Aus einer Siliziumschmelze werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt.
  • unterschiedlich große Kristallstrukturen
  • Kostengünstiger
  • Niedrigere Wirkungsgrade: 14 bis 16%


Monokristalline Silizium-Zelle

Vorteile

Höchster im Labor erzielter Wirkungsgrad.

Nachteile

Produktion aufwändig im Vergleich zum polykristallinen Silizium.


Monokristallines Silizium für die Waferherstellung


Polykristalline Silizium-Zelle

Vorteile

Kostengünstiger als monokristallines Silizium

Nachteile

Geringerer Wirkungsgrad als monokristallines Silizium


Polykristalline Wafer


Polykristalines Silizium


Polykristalliner Ingot

Bandgezogene Solarzellen aus polykristallinem Silizium String Ribbon-Zellen

Vorteile

Geringerer Materialverbrauch

Nachteile

Geringerer Wirkungsgrad

Bandgezogene Solarzellen aus polykristallinem Silizium EFG-Zellen (Edge-defined Film fed Growth


Vorteile

Geringerer Materialverbrauch

Nachteile

Geringerer Wirkungsgrad

Prinzipieller Aufbau einer kristallinen Solarzelle

Funktion einer Solarzelle

Kristallstruktur von Silizium und Eigenleitung

Störstellenleitung bei n- und p-dotiertem Silizium

Ausbildung einer Raumladungszone am pn-Übergang durch Diffusion von Elektronen und Löchern

Funktion einer Solarzelle


  • Am p-n Übergang baut sich ein inneres elektrisches Feld auf, das zu einer Ladungstrennung der bei Lichteinfall freigesetzten Ladungsträger führt.
  • Über Metallkontakte kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Wird ein elektrischer Verbraucher angeschlossen, fließt ein Gleichstrom.
  • Siliziumzellen sind ca. 125cmX125cm groß (5“) bzw. 156cmX156cm (6“).
  • Eine Antireflexschicht dient zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche.

Kennlinie einer Solarzelle

Dunkel-Ersatzschaltbild und Kennlinie der Solarzelle

Hell-Ersatzschaltbild und Kennlinie der Solarzelle

Füllfaktor von Solarzellen

Ersatzschaltbild einer Solarzelle

Aufbau eines Solarmoduls

Verschaltung der Solarzellen im Modul

Reihenschaltung

  • Spannung der einzelnen Solarzellen addiert sich zu einer Gesamtspannung.
    Rges = R1 + R2 + … + Rn
    Uges = U1 + U2 + …+ Un
  • Gleicher Strom an allen Solarzellen.
    Iges = U1/R1 = U2/R2 = … = Un/R
    Iges = I1 = I2 = … = In


Zellverstringung bei kristallinen Solarzellen
Externe Serienverschaltung

Abschattung – Einsatz von Bypassdioden

Wenn Teile der Solarzelle im Schatten liegen, kann der Ertrag des ganzen Moduls sinken, weil sich dieser Teil in diesem Moment als Widerstand im Stromkreis verhält.



Unverschattetes PV-Modul mit Verbraucher



Verschattetes PV-Modul ohne Bypassdioden

Funktion der Bypassdiode
Verschattetes PV-Modul mit Bypassdioden


Die Bypass-Diode leitet den Strom an der abgeschatteten Zelle vorbei.

Generator oder Widerstand

Ausirkung der Verschattung auf den Modulstrom
Standardmodul mit zwei Bypassdioden

Abschattung – MPP Tracking

Schichtaufbau eines Moduls

Verkapselung von Solarmodulen
in EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat) bei Standardmodulen

Die miteinander verschalteten Solarzellen werden meist in transparentem Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA-Folie) eingebettet, mit einem Rahmen aus Aluminium oder Edelstahl versehen und frontseitig transparent mit Glas abgedeckt. Zur rückseitige Isolation dient eine Tedlarfolie.

Modulkennlinien

Kennlinie eines Standardmoduls


Die MPP Leistung hat die Einheit Wp (Watt peak engl.:Spitze)


STC-Bedingungen (Standard Test – Conditions)


Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke

Modulkennlinien bei konstanter Temperatur und unterschiedlicher Einstrahlung

Modulwirkungsgrad in Abhängigkeit des Shuntwiderstandes

Modulwirkungsgrad in Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke

Abhängigkeit von der Temperatur

Modulkennlinien bei unterschiedlicher Modultemperatur und konstanter Einstrahlung

Modulkennlinien bei unterschiedlicher Modultemperatur und konstanter Einstrahlung

Temperaturerhöhung und Ertragsminderung bei verschiedenen Montagearten

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