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
