Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Photovoltaik, speziell mit photovoltaischen Inselanlagen und deren Einsatzmöglichkeiten im Unterricht der Berufsschule. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine praxisorientierte didaktische Einheit zur Photovoltaik exemplarisch für den Bildungsgang Elektroniker1 für Energie- undGebäudetechnik (EEGT) im Lernfeld 11EG zu konzipieren.
Bei der Gestaltung sollen insbesondere Experimente zu photovoltaischen Inselanlagen im Mittelpunkt stehen. Die experimentelle Bearbeitung des Themas wurde gewählt, da Versuche die Anschaulichkeit der Theorie erhöhen. Das Konzept soll Lehrkräften einen Leitfaden bieten, das Thema Photovoltaik handlungsorientiert, schülerselbstorganisierend und praxisnah zu erarbeiten.
Im Kapitel 2 - Fachwissenschaftlicher Teil - werden die Grundlagen der Photovoltaik und photovoltaischer Inselanlagen dargestellt. Neben theoretischen Inhalten soll insbesondere die Praxis- und Zukunftsbedeutung der Technologie hinterfragt werden. Dabei spielen besonders Wirkungsgrade der Systemkomponenten, Einsatzmöglichkeiten der Technologie sowie das Potential der Photovoltaik eine wichtige Rolle.
Das Kapitel 3 - Didaktischer Teil - setzt am aktuellen Stand der Diskussion um Handlungsorientierung an. Dazu werden die Anforderungen an die berufliche Bildung im Berufsfeld Elektrotechnik skizziert und die Bedeutung des Lernorts Berufsschule für die Förderung beruflicher Handlungskompetenz näher erläutert. Es wird gezeigt, welchen derzeitigen Rahmenbedingungen ein didaktisches Konzept zu Grunde liegen sollte. Anschließend wird das Experiment als eine mögliche Methode handlungsorientierten Unterrichts genauer beschrieben und klassifiziert. Abschließend wird die Konzeption der didaktischen Einheit vorgestellt und begründet.
Im Kapitel 4 - Experimenteller Teil - werden die theoretischen Grundlagen zu photovoltaischen Inselanlagen in Experimente umgesetzt. Hierzu werden zuerst die beiden verwendeten Experimentiersysteme vorgestellt. Die Planung, Durchführung und Auswertung einer Auswahl an Experimenten wird beschrieben. Durch einen didaktischen Kommentar zu jedem Experiment wird die Theorie-Praxis-Verknüpfung erläutert und Überlegungen zu weiterführenden didaktische Zielen angestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Fachwissenschaftlicher Teil
2.1 Definition Photovoltaik
2.2 Sonnenstrahlungsenergie
2.3 Geschichte der Photovoltaik
2.4 Grundlagen der Halbleitertheorie
2.4.1 Festkörpermaterialien
2.4.2 Innerer Photoeffekt
2.4.3 pn-Übergang
2.4.4 Halbleiterdiode
2.5 Solarzellen
2.5.1 Aufbau und Funktionsweise
2.5.2 Ersatzschaltbild und Kennlinie
2.5.3 Arbeitspunkt
2.5.4 Wirkungsgrad
2.6 Solarmodule
2.6.1 Aufbau und Wirkungsgrad
2.6.2 Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke und Temperatur
2.6.3 Verluste durch Abschattung
2.6.4 Ausrichtung von Solarmodulen
2.7 Photovoltaische Inselanlagen
2.7.1 Aufbau und Einsatzmöglichkeiten
2.7.2 Akkumulator
2.7.3 Laderegler
2.7.4 Wechselrichter
2.7.5 Gesamtbetrachtung einer Inselanlage
2.8 Potential der Photovoltaik
2.8.1 Beitrag der Photovoltaik zur Stromerzeugung
2.8.2 Beschäftigungsstruktur
3 Didaktischer Teil
3.1 Anforderungen an die berufliche Bildung im Berufsfeld Elektrotechnik
3.2 Handlungsorientierung
3.2.1 Berufliche Handlungskompetenz als Leitziel
3.2.2 Lernfeldkonzept und die Umsetzung im Berufsfeld Elektrotechnik
3.2.3 Handlungsorientierter Unterricht
3.2.4 Leittexte
3.2.5 Experimente
3.3 Konzept der didaktischen Einheit
3.3.1 Beschreibung und Anforderungen
3.3.2 Ziele
3.3.3 Handlungsstruktur
4 Experimenteller Teil unter didaktischen Aspekten
4.1 Experimentiersysteme
4.2 Experimentiervorschläge im Rahmen des didaktischen Konzepts
4.2.1 Experiment 1: Kennlinien und Temperatureinfluss auf Solarmodule
4.2.2 Experiment 2: Reihenund Parallelschaltung von Solarmodulen
4.2.3 Experiment 3: Abschattung von Solarmodulen
4.2.4 Experiment 4: Inselanlage ohne Speicher (DC)
4.2.5 Experiment 5: Inselanlage mit Speicher (DC)
4.2.6 Experiment 6: Inselanlage mit Speicher (AC)
5 Zusammenfassung und Ausblick
6 Anhang
6.1 Qualifikationsprofil Elektroniker für Energieund Gebäudetechnik
6.2 Berufliche Handlungskompetenz und deren Dimensionen
6.3 Lernfeld 11EG Elektroniker für Energieund Gebäudetechnik
6.4 Arbeitsaufgabe: Kundenauftrag
6.5 Handlungsregultationsschema
6.6 Arbeitsblatt: Aufbau von PV-Inselanlagen
6.7 Leittext: Experiment
6.8 Leittext: Experiment
6.9 Leittext: Experiment
6.10 Leittext: Experiment
6.11 Leittext: Experiment
6.12 Leittext: Experiment
6.13 Evaluationsbogen
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Symbolverzeichnis
Literaturverzeichnis
1 Einleitung
Das Thema Energie ist für Menschen, Gesellschaft und Umwelt eine existenzielle Grundlage und heute aktueller denn je. Fast täglich wird in zahlreichen Medien über schwindende Ressourcen, schwankende Ölpreise und Katastrophen aufgrund des Klimawandels berichtet. Ca. 93% des Weltenergiebedarfs wird durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdöl, Kohle und Erdgas erzeugt. Trotz effizienteren Gewinnungsmethoden und neu erschlossenen Ressourcen sind diese in ihrem Vorkommen begrenzt. Nach heutigem Kenntnisstand und der „gegenwärtigen Fördermenge“ wird Öl noch 40 Jahre, Kohle noch 120 Jahre und Erdgas noch 60 Jahre reichen [BP09]. Durch gestiegenen Komfort, zunehmende Mobilität und die stetig anwachsende Weltbevölkerung hat zudem der Energiebedarf in den letzten Jahrzenten stark zugenommen. Der steigende Bedarf kann bei der erwiesenen Begrenztheit der konventionellen Ressourcen nur durch erneuerbare Energien befriedigt werden.
Die Notwendigkeit von nachhaltiger Energieversorgung und steigender Energieeffizienz wird aber nicht erst seit heute stark betont. Der Auslöser für das Umdenken war der Bericht des „Club of Rome“ von 1972 über die „Endlichkeit der Ressourcen“. Ein weiterer politischer Meilenstein war die Rio-Konferenz von 1992 auf der erneut eine „nachhaltige wirtschaftliche Gesellschaft“ postuliert wurde. Auch das aktuelle Vorhaben der Europäischen Kommission mit dem Klimapaket von 2007 20 Prozent weniger Energieverbrauch, 20 Prozent weniger Treibhausgasausstoß sowie einen Anteil der erneuerbaren Energien von 20 Prozent am Gesamtverbrauch und das bis 2020 ist mutig und wegweisend.
Neben der Wasserund Windkraft kommt der Photovoltaik dabei eine besondere Rolle zu, da sie einen fortgeschrittenen Technologiestand besitzt und die Energie der Sonne in die „universelle" Energie Elektrizität umwandelt. Irrtümlich wird mit der Photovoltaik oft nur die Solarzelle oder das Solarmodul in Verbindung gebracht. Um aber die Energie der Sonne auch für die Energieproduktion nutzen zu können, wird eine Solarstromanlage bzw. ein photovoltaisches Energiesystem benötigt. An diese photovoltaischen Energiesysteme bestehen hohe Anforderungen bezüglich Qualität und Zuverlässigkeit, denn nur gut funktionierende Anlagen können einen echten Beitrag zur Energieversorgung und zum Schutz der Umwelt leisten.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Photovoltaik, speziell mit photovoltaischen Inselanlagen und deren Einsatzmöglichkeiten im Unterricht der Berufsschule. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine praxisorientierte didaktische Einheit zur Photovoltaik exemplarisch für den Bildungsgang Elektroniker1 für Energieund Gebäudetechnik (EEGT) im Lernfeld 11EG zu konzipieren. Bei der Gestaltung sollen insbesondere Experimente zu photovoltaischen Inselanlagen im Mittelpunkt stehen. Die experimentelle Bearbeitung des Themas wurde gewählt, da Versuche die Anschaulichkeit der Theorie erhöhen. Das Konzept soll Lehrkräften einen Leitfaden bieten, das Thema Photovoltaik handlungsorientiert, schülerselbstorganisierend und praxisnah zu erarbeiten.
Im Aufbau gliedert sich der Hauptteil der Arbeit in drei Kapitel, die durch das Kapitel 1 Einleitung und das Kapitel 5 Zusammenfassung mit Ausblick abgerundet und durch einen Anhang mit Verzeichnissen ergänzt werden.
Im Kapitel 2 Fachwissenschaftlicher Teil werden die Grundlagen der Photovoltaik und photovoltaischer Inselanlagen dargestellt. Neben theoretischen Inhalten soll insbesondere die Praxisund Zukunftsbedeutung der Technologie hinterfragt werden. Dabei spielen besonders Wirkungsgrade der Systemkomponenten, Einsatzmöglichkeiten der Technologie sowie das Potential der Photovoltaik eine wichtige Rolle. Der fachwissenschaftliche Teil stellt eine zielorientierte Sachanalyse für die didaktische Einheit dar. Aus diesem Grund wird auf die Herstellungsverfahren von Solarzellen und die Betrachtung von netzgekoppelten Anlagen nicht eingegangen.
Das Kapitel 3 Didaktischer Teil setzt am aktuellen Stand der Diskussion um Handlungsorientierung an. Dazu werden die Anforderungen an die berufliche Bildung im Berufsfeld Elektrotechnik skizziert und die Bedeutung des Lernorts Berufsschule für die Förderung beruflicher Handlungskompetenz näher erläutert. Es wird gezeigt, welchen derzeitigen Rahmenbedingungen ein didaktisches Konzept zu Grunde liegen sollte. Anschließend wird das Experiment als eine mögliche Methode handlungsorientierten Unterrichts genauer beschrieben und klassifiziert. Abschließend wird die Konzeption der didaktischen Einheit vorgestellt und begründet.
Im Kapitel 4 Experimenteller Teil werden die theoretischen Grundlagen zu photovoltaischen Inselanlagen in Experimente umgesetzt. Hierzu werden zuerst die beiden verwendeten Experimentiersysteme vorgestellt. Die Planung, Durchführung und Auswertung einer Auswahl an Experimenten wird beschrieben. Durch einen didaktischen Kommentar zu jedem Experiment wird die Theorie-Praxis-Verknüpfung erläutert und Überlegungen zu weiterführenden didaktische Zielen angestellt.
2 Fachwissenschaftlicher Teil
In diesem Kapitel werden die wichtigsten fachwissenschaftlichen Grundlagen zur Photovoltaik und zu photovoltaischen Inselanlagen in einem angemessenen und für die Thematik relevanten Umfang ausgearbeitet.
2.1 Definition Photovoltaik
Photovoltaik (kurz PV) ist die gebräuchliche Bezeichnung für das Gesamtgebiet der Direktumwandlung von Licht in elektrische Energie unter Nutzung des photoelektrischen Effekts. Der Begriff ist eine Zusammensetzung aus den Worten Photos2, welches im Griechischen Licht bedeutet und Voltaik nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta (1745-1827), dem Namensgeber für die Einheit Volt [Wei00 S. 251].
2.2 Sonnenstrahlungsenergie
Die Sonne ist der zentrale Stern in unserem Sonnensystem und unsere Erde bewegt sich in einer elliptischen Bahn mit einem mittleren Abstand von 1,5∙108km um sie. Im Perihel, am 3. Januar, ist der Abstand maximal und im Aphel, am 3. Juli, ist der Abstand minimal. Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von TS≈5800K, die durch nukleare Prozesse im Sonneninneren erzeugt wird. Dabei wird aus vier Wasserstoffatomen über mehrere Zwischenprozesse ein Heliumatom gebildet. Bei diesem Prozess geht ein kleiner Bruchteil der Masse verloren bzw. wird diese in Strahlungsenergie umgewandelt und radial abgestrahlt. Auf diese Weise strahlt die Sonne täglich 1025kWh ab, von denen die Erdatmosphäre 3∙1015kWh aufnimmt [Köt94 S. 23]. Der Anteil der Energie, die dabei auf der Erde ankommt, entspricht ca. dem zehntausendfachen des gesamten Weltprimärenergiebedarfes der Menschheit und liegt damit weit über allen anderen verfügbaren Energiereserven [Eti05 S. 68]. Die Sonne würde also ohne weiteres den hohen Energiebedarf decken können, wenn es gelingt, ihre Strahlungsleistung zu nutzen. Der Bereich der Photovoltaik hat sich zur Aufgabe gemacht, diesen Anteil für die Energieproduktion verwertbar zu machen.
Der von der Sonne ausgehende Strahlungsfluss verteilt sich auf der Hüllenkugel der Erde. Nachdem die Strahlung verlustfrei durch den Weltraum gegangen ist, trifft sie durch den schwankenden Abstand zwischen Erde und Sonne im Perihel mit 1325W/m2und im Aphel mit 1420W/m2am äußeren Rand der Erdatmosphäre auf. Der daraus resultierende Mittelwert von Eo=1367±0,7W/m2wird als Solarkonstante3bezeichnet [DB91 S. 32]. Allgemein ist die Bestrahlungsstärke E definiert, als die auftreffende Strahlungsleistung Φe pro Fläche A. = (2-1)
Die Sonnenstrahlung wird auf dem Weg durch die Atmosphäre durch Absorption an bestimmten Molekülgruppen, wie z.B. Ozon, Wasserdampf, Sauerstoff, Kohlendioxid und die Streuung an Aerosolen der Luft abgeschwächt. Daraus resultiert ein verändertes Strahlungsspektrum aus der primären spektralen Leistungsverteilung. Das daraus entstehende globale Spektrum unterteilt sich nun in einen direkten und einen diffusen Anteil. In Abb. 2-1 wird dieser Zusammenhang als Vergleich der spektralen Strahlungsleistungsdichte des „Schwarzen Körpers4“ Sonne mit der spektralen Verteilung außerhalb und innerhalb der Erdatmosphäre dargestellt [Eti05].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-1 Strahlungsspektrum der Sonne [Köt94 S. 29]
Beim Einfall in die Erdatmosphäre durchläuft das Sonnenlicht ein Mehrfaches der Luftschichtdicke. Dies wird durch den AMn (Air Mass) mit dem Vielfachen n ausgedrückt. Dabei ist n=1/sinγ, wobei γ den Winkel zwischen dem Lichteinfall und der Erdoberfläche beschreibt. Außerhalb der Atmosphäre besteht AM0, welcher die extraterrestrische Strahlungsleistung bezeichnet und am Anfang der Klassifizierung steht. Ein senkrechter Lichteinfall auf der Erdoberfläche besitzt AM1. Je kleiner der Winkel γ wird, desto länger wird der Weg des Sonnenlichts und desto kleiner wird die Energie, die auf der Erdoberfläche ankommt. Die Kennzahl n vom Air Mass wird dadurch entsprechend größer.
2.3 Geschichte der Photovoltaik
Der äußere Photoeffekt, der das Herauslösen von Elektronen aus Metalloberflächen durch Bestrahlung mit Licht bestimmter Frequenzen bezeichnet, wurde erstmals durch Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) im Jahr 1837 bei elektrochemischen Experimenten beobachtet und durch Heinrich Hertz (1857-1894) ab dem Jahr 1887 bei Kathodenstrahlexperimenten systematisch untersucht. Dieser Effekt konnte erstmals durch Albert Einsteins (1879-1955) quantenphysikalische Deutung in seiner Lichtquantenhypothese zufriedenstellend erklärt werden. Hierfür erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik. Der innere Photoeffekt wurde durch den englischen Naturwissenschaftler Willoughby Smith (1828-1891) im Jahr 1873 bei Experimenten mit Selen entdeckt. Beim inneren Photoeffekt werden die Elektronen nicht aus dem Kristallverband herausgelöst, sondern bewirken beim Anlegen einer äußeren Spannung einen Photostrom, weil sie frei beweglich sind.
Im Jahre 1954 wurde durch Experimente mit Halbleiterdioden aus kristallinem Silizium in den Bell-Telephonie-Laboratorien in den USA der Sperrschicht-Photoeffekt entdeckt. Die hierbei auftretende Direktumwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie und die folgende detailierte Erforschung dieses Effekts führte zur Entwicklung der ersten Solarzellen [Noa03 S. 153]. Die erste technische Anwendung der Solarzelle erfolgte in Satelliten im Bereich der Raumfahrt. Die relativ hohen Kosten spielten bei dieser Anwendung keine Rolle, sondern es wurde besonderen Wert auf hohe Zuverlässigkeit, geringes Gewicht und hohe Wirkungsgrade gelegt. Ab Anfang der 70er Jahre, durch die Energiekrise von 1973 ausgelöst und später durch den Atomunfall von Tschernobyl im Jahre 1986 weiter verstärkt, wurde das Interesse an erneuerbaren Energien für die terrestrische Nutzung größer. Die Entwicklung einfacherer und preiswerterer Solarzellen wurde vorangetrieben und vermehrt kamen Solaranlagen als dezentrale Stromversorgungen (z.B. Ferienhäuser und Bewässerungsanlagen in Entwicklungsländern) zum Einsatz [Köt94 S. 16]. Hierin liegt schon seit langem ein wesentlicher praktischer Nutzen der Photovoltaik.
Seit der Einführung des Erneuerbare-Energie-Gesetzes5 (EEG) im April 2000 steigt die in Deutschland installierte Gesamtleistung von netzgekoppelte Anlagen rasant an (siehe 2.8.1). Das EEG war von der Bundesregierung aufgrund des Klimaschutzes eingeführt worden. Zudem wollte man den Anteil der erneuerbaren Energien am Energiemix erhöhen, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu senken. Betreiber von PV-Anlagen die ihren Strom ins öffentliche Stromversorgungsnetz einspeisen, erhalten über 20 Jahre eine feste Vergütung für jede eingespeiste Kilowattstunde. Für neu installierte Anlagen sinkt die Einspeisevergütung jedoch jährlich um einen bestimmten Prozentsatz (seit 2000 Degression von 5% pro Jahr) ab. Damit wird gleichzeitig der Druck auf die Hersteller von PV-Komponenten erhöht, um ihre Preise zu senken. In der Novellierung des EEGs vom 1.01.2009 senkte die Bundesregierung die Einspeisevergütung6 (Degression von 8%-10% pro Jahr) für neu installierte Anlagen weiter.
2.4 Grundlagen der Halbleitertheorie
2.4.1 Festkörpermaterialien
Elektronen in einzelnen Atomen können nur ganz bestimmte Energieniveaus besetzen. Bilden Atome Festkörper, so treten die Elektronen der einzelnen Atome miteinander in Wechselwirkung. Die diskreten Energieniveaus verbreitern sich und es entstehen Energiebänder. Diese Bänder bestehen aus dicht liegenden Energieniveaus. Modellhaft existieren in Festkörpern Energiebänder mit unterschiedlichen Energieniveaus, in denen sich Elektronen aufhalten dürfen und dazwischen sogenannte verbotene Bänder [GK86 S. 23]. Bei Festkörpern wird zwischen dem Valenzund Leitungsband unterschieden.
Bei T=0K ist das Valenzband, das oberste der tiefen Bänder, vollständig mit Elektronen besetzt und es besitzt die Maximal-Energie WV. Über dem Valenzband befindet sich das Leitungsband, welches bei T=0K entweder teilbesetzt oder unbesetzt ist. Es besitzt die Minimal-Energie WL und beschreibt einen Energiebereich, in dem die Elektronen frei beweglich sind und eine elektrische Leitfähigkeit ermöglichen. Zwischen diesen beiden Bändern befindet sich eine Zone nicht erlaubter Energiezustände, die als sogenanntes Gap Band (Bandlücke) bezeichnet wird und die Bandlückenenergie WG besitzt. Anhand der Bandlückenenergie lassen sich Metalle, Halbleiter und Isolatoren unterscheiden.
Bei Metallen ist das Leitungsband teilbesetzt (ideal ist es halb-besetzt), bei Halbleitern (WG<5eV) und Isolatoren (WG>5eV) ist das Leitungsband unbesetzt (Siehe Abb. 2-2).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-2 Halbleiter, Metall und Isolator bei T=0K Energiebänder
Halbleiter besitzen eine Bandlückenenergie, die zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt. Schon bei Zimmertemperatur ist es sehr einfach durch das Zuführen einer Energie, die größer als WG ist, Elektronen ins Leitungsband anzuheben. Diese Elektronen stehen dann für den Stromtransport zur Verfügung.
Die Eigenschaften der Halbleiter machen sie für die photovoltaische Energieumwandlung sehr interessant. Wichtige Halbleitermaterialien sind Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Cadmiumtellurid (CdTe), Selen (Se) und Kupferindiumdiselenid (CuInSe2). Besonders Silizium besitzt als Halbleiterwerkstoff eine große Bedeutung, da es auf der Erde ausreichend vorhanden und ökologisch unbedenklich ist [Häb07 S. 77].
2.4.2 Innerer Photoeffekt
Die direkte Umwandlung von Licht in elektrischen Strom beruht auf dem Prinzip des Photoeffekts und besteht darin, das bestimmte Materialien bei der Absorption von Licht Elektronen freisetzen. Dabei gilt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
mit dem Planckschen Wirkungsquantum h=6,626·10-34Ws2und der Teilchengeschwindigkeit ν bzw. die Ersetzung von ν durch den Quotienten aus der Lichtgeschwindigkeit c und der Wellenlänge λ. Beim inneren Photoeffekt werden Elektronen von einer inneren Bahn auf eine höhere Bahn angehoben. Dazu muss die Energie der absorbierten Photonen größer als WG sein bzw. die Wellenlänge λ im Bereich des sichtbaren, des ultravioletten oder des infraroten Lichts liegen [Eti05 S. 82]. Für die Photovoltaik ist dieser innere Photoeffekt relevant.
2.4.3 pn-Übergang
Der innere Photoeffekt erzeugt zwar Elektronen im Leitungsband, aber für den Stromfluss müssen die Elektronen zur Vermeidung von Rekombination von den Löchern getrennt werden. Die Trennung von Ladungsträgern im Halbleiter erreicht man durch ein elektrisches Feld, das innerhalb des Materials selbstständig entsteht. Dazu wird im folgenden Teil näher auf das Verfahren der Dotierung und die Ausbildung des pn-Übergangs für Silizium eingegangen. In Abb. 2-3 wird ein ungestörtes Kristallgitter mit vierwertigem Silizium (a) und gestörte Silizium-Kristallgitter durch den Einbau eines fünfwertigen Phosphoratoms (b) bzw. dreiwertigen Boratoms (c) dargestellt. Das Silizium-Kristallgitter kommt zustande, indem ein vierwertiges Atom mit vier Nachbaratomen kovalente Bindungen eingeht. Jedes Atom steuert zu einer Bindung je ein Valenzelektron bei. Damit füllt jedes Atom seine äußere Schale von vier auf acht Elektronen auf und erreicht damit die Edelgaskonfiguration7.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-3 Si-Kristallgitter undotiert (a) dotiert mit Phosphor (b) bzw. Bor (c) [Köt94 S. 40]
Der gezielte Vorgang des Einbringens von Fremdatomen, um die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern zu erhöhen, wird als Dotierung bezeichnet. Wird Silizium mit Phosphoratomen, welche je fünf Valenzelektronen besitzt, dotiert, so kann eines der Elektronen keine Bindung mit den Nachbaratomen eingehen. Das Elektron löst sich von seinem Atomkern und wird an den Kristallverband abgegeben. Der jetzt einfach positiv geladene Kern wird als Donator8und das abgegebene Elektron als Donatorelektron bezeichnet. Das Elektron bewirkt eine negative Störleitung im Kristall und dieser wird n-leitend. Im Bändermodel von n-dotiertem Silizium sitzen die Donatorelektronen direkt unterhalb des Leitungsbandes und benötigen nur wenig Energie aus der Temperaturbewegung, um ins Leitungsband zu gelangen.
Wird Silizium mit Boratomen, welche je drei Valenzelektronen besitzen, dotiert, so können nur drei der vier Bindungen zu den benachbarten Si-Atomen abgesättigt werden. Dadurch entsteht ein Elektronenloch, in welches ein frei bewegliches Elektron fallen kann, das aber an seinem Ursprungsort wiederum ein Loch hinterlässt. Ein nicht abgesättigtes Atom wird Akzeptoratom genannt und der Kristall mit dieser positiven Störleitung wird p-leitend. Donatoratome sind im Kristall fest gebundene positiv geladene Ionen, die ein Elektron abgegeben haben und Akzeptoratome sind im Kristall fest gebundene negativ geladene Ionen, die ein Elektron aufgenommen haben.
Werden n-leitende und p-leitende Halbleiter zusammen gebracht, wird der pnÜbergang (siehe Abb. 2-4) gebildet.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-4 Ausbildung einer RLZ im pn-Übergang durch Diffusion (nach [WE91])
Dabei treffen in der Grenzschicht freie Elektronen aus dem n-Halbleiter auf freie Löcher aus dem p-Halbleiter. Die frei beweglichen Ladungsträger versuchen den Konzentrationsunterschied auszugleichen, diffundieren9 in das Gebiet mit der niedrigeren Konzentration und besetzen dieses bis zu einer gewissen Diffusionstiefe. Im nHalbleiter bleiben positiv geladene Donatoratome und im p-Halbleiter negativ geladene Akzeptoratome zurück. Hierdurch entsteht in der Diffusionszone ein elektrisches Feld, das eine vom n-Halbleiter zum p-Halbleiter gerichtete Diffusionsspannung UD hervorruft und der Diffusion der Elektronen entgegenwirkt. Die Diffusion kommt zum Erliegen, wenn in der ausgebildeten Sperrschicht bzw. Raumladungszone (RLZ) keine frei beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden sind.
2.4.4 Halbleiterdiode
Halbleiterdioden bestehen aus einem pn-Übergang mit metallischen Anschlusskontakten. Wird an den Metallkontakten eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, so dringen von der p-Zone freie Löcher und von der n-Zone freie Elektronen in die RLZ ein. Die Raumladung, die Diffusionsspannung und der Potenzialunterschied werden zwischen den Zonen abgebaut. Es fließt ein von der Spannung abhängiger Strom (siehe Abb. 2-5, I. Quadrant). Abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial ergibt sich die charakteristische Durchlassspannung (z.B. Silizium 0,6V 0,8V), ab welcher der Strom stärker ansteigt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-5 Kennlinie einer Halbleiterdiode (nach [Häb07 S. 82])
Wird die Diode in Sperrrichtung betrieben, fließen Löcher der p-Zone und Elektronen der n-Zone aus der Grenzschicht weg. Die RLZ weitet sich aus. Die über der Sperrschicht abfallende Spannung wird um die von außen angelegte Spannung größer als die Diffusionsspannung. Der Potenzialunterschied zwischen nund p-Zone nimmt folglich zu. Nur ein kleiner Teil der freien Ladungsträger kann die Potentialbarriere überwinden, so dass anfangs ein geringer Sperrstrom fließt (siehe Abb. 2-5, III. Quadrant). Ab der maximalen Sperrspannung steigt der Strom sehr stark an. Dies führt zu einer starken thermischen Erwärmung und die Diode wird noch vor dem Erreichen ihrer maximalen Verlustleistung zerstört. Für den Strom einer Halbleiterdiode gilt näherungsweise:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Dabei ist I0 der Sperrsättigungsstrom und UT die thermische Spannung, die mit UT=nkT/e bei einer Temperatur von T=300K und einem Dioden-Qualitätsfaktor von n=1 ungefähr 25,7mV beträgt.
2.5 Solarzellen
2.5.1 Aufbau und Funktionsweise
Eine Solarzelle ist eine spezielle Halbleiterdiode mit einer hohen lichtexponierten10Sperrschicht. Der prinzipielle Aufbau einer kristallinen Silizium-Solarzelle ist in Abb. 2-6 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-6 prinzipieller Aufbau einer kristallinen Silizium-Solarzelle
Diese besteht aus einem etwa 0,2mm dicken p-Si-Substrat und einem etwa 0,02mm dicken n-Si-Substrat, das dem einfallenden Licht zugewendet ist. Durch diesen Aufbau wird der pn-Übergang möglichst nah an die Oberfläche gebracht und es können möglichst viele Lichtquanten absorbiert werden. An der Oberfläche befinden sich die metallischen Frontkontakte, die nur einen möglichst kleinen Anteil der Fläche einnehmen dürfen. Der Innenwiderstand wird hierdurch so klein wie möglich gehalten [Häb07 S. 82]. Zudem wird auf der Oberfläche eine Antireflexionsschicht11 aufgebracht, um eine möglichst geringe Reflexion des einfallenden Lichts zu erzielen. Der metallische Rückseitenkontakt erstreckt sich über die gesamte Fläche der Rückseite. Treffen nun Lichtquanten auf die Oberfläche der Solarzelle, so können die Quanten mit h∙ν>WG vom Kristallgitter absorbiert werden. Dabei werden aufgrund des inneren Photoeffekts Elektronen-Loch-Paare generiert. Die entstehenden freien beweglichen Ladungsträger driften im elektrischen Feld des pn-Übergangs ihrem Vorzeichen entsprechend in unterschiedliche Richtungen (siehe Abb. 2-6 (a)). Ein Teil der generierten Paare rekombinieren wieder, bevor sie durch den pn-Übergang getrennt werden können (siehe Abb. 2-6 (b)). Die frei beweglichen Elektronen sammeln sich im raumladungsfreien Teil der n-Zone und die frei beweglichen Löcher im raumladungsfreien Teil der p-Zone. Dies geschieht so lange, bis das gesammelte elektrische Potential gleich dem Diffusionspotential ist. In diesem Gleichgewichtszustand ist die Leerlaufspannung UL erreicht. Unter der Leerlaufspannung UL versteht man die Spannung, die eine Solarzelle ohne angeschlossenen Verbraucher liefert. Der angeschlossene Lastwiderstand RL ist in diesem Fall unendlich groß und der Stromfluss beträgt I=0A. UL folgt dem logarithmischen Gesetz zur Bestrahlungsstärke E, das sich auf Basis der Diodenkennlinie ableiten lässt. Wird nun über den Frontund Rückseitenkontakt die Solarzelle kurzgeschlossen, so fließt der Kurzschlussstrom IK bei einem Lastwiderstand von RL=0Ω und einer Spannung von U=0V. Dieser steigt proportional zur Bestrahlungsstärke an. [Köt94 S. 40 f.]
2.5.2 Ersatzschaltbild und Kennlinie
Idealisiert verhält sich die unbeleuchtete Solarzelle wie eine normale Halbleiterdiode. In Durchlassrichtung fließt ein Strom von der p-Zone in die n-Zone, wenn die Spannung über der Diode von der n-Zone nach der p-Zone gerichtet ist. Wird die Solarzelle beleuchtet, so wird ein Photostrom IPh erzeugt. In Abb. 2-7 ist dieser Zusammenhang im vereinfachten Ersatzschaltbild aus einer Diode und einer idealen Stromquelle IPh dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-7 einfaches und erweitertes Ersatzschaltbild im Eindiodenmodell (nach [Häb07 S. 83])
Das vereinfachte Ersatzschaltbild stellt die physikalisch-elektrischen Verhältnisse der Solarzelle nicht optimal dar. Bei realen Solarzellen treten interne Verlustprozesse auf. Diese können durch einen Serienwiderstand RS und einen Parallelwiderstand RP dargestellt werden. Der Serienwiderstand beschreibt die bei einer realen Solarzelle auftretenden Verluste durch schlechte Leitfähigkeit und auftretende Kontaktwiderstände, wie z.B. ein schlechter ohmscher Rückkontakt. Der Parallelwiderstand beschreibt die Oberflächen-Rekombinationsverluste durch auftretende Leckströme. Durch die Erweiterung des einfachen Ersatzschaltbildes mit RS und RP entsteht das erweiterte Ersatzschaltbild im Eindiodenmodell (siehe Abb. 2-7). [Sch05 S. 15 f.] Die Kennliniengleichung einer Solarzelle lässt sich aus dem einfachen Ersatzschaltbild (siehe Abb. 2-7) herleiten. Im Kurzschlussfall (U=0) fließt IK=IPh und im Leerlauffall (I=0) fällt UL ab. Daraus ergibt sich mit Formel 2-3 die I-U-Kennlinie einer pn-Solarzelle:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Wird bei der Solarzelle die gleiche Zählrichtung für Strom und Spannung verwendet wie bei der Diode (Verbraucherzählsystem12), so ergibt sich die I-U-Kennlinie einer bestrahlten Solarzelle als eine um den Kurzschlussstrom IK in Richtung des III. und IV. Quadranten parallelverschobenen Diodenkennlinie (siehe Abb. 2-8).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-8 I-U-Kennlinie der unbeleuchteten und beleuchteten Solarzelle Dunkelkennline (blau) und Hellkennlinie (schwarz)
Die Kennlinie ist um den Kurzschlussstrom IK in negative Richtung verschoben, da der Photostrom IPh entgegengesetzt zum Diodenstrom ID fließt. Im I. und III. Quadranten nimmt die Solarzelle Leistung auf, da Strom und Spannung gleichgerichtet sind und die resultierende Leistung positiv ist. Im IV. Quadranten arbeitet die Solarzelle als Erzeuger elektrischer Energie, da Strom und Spannung entgegengesetzt gerichtet sind. Die resultierende Leistung ist negativ und kann abgegeben werden.
In der Praxis der Photovoltaik stellt man Solarzellenkennlinien üblicherweise im Generatorzählprinzip dar [Häb07 S. 85]. Der von der Solarzelle abgegebene Strom wird mit einem positiven Vorzeichen versehen und dies bewirkt eine Spieglung der Kennlinie an der Spannungs-Achse (siehe Abb. 2-9). In den Datenblättern der Hersteller wird meistens nur diese Form der Darstellung der Kennlinie im I. Quadranten angegeben.
2.5.3 Arbeitspunkt
Solarzellen produzieren Energie und deswegen ist vor allem die Leistung einer Solarzelle interessant. Am optimalen Arbeitspunkt bzw. MPP (Maximum Power Point), gibt die Solarzelle ihre maximale Leistung ab. Dort ist das Produkt aus Spannung und Strom maximal.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-9 I-U-Kennlinie einer Solarzelle mit MPP
Die maximale Nennleistung PN einer Solarzelle ist definiert als die Leistung im MPP bei einer Bestrahlungsstärke E=1000W/m2 und einer Solarzellentemperatur von 25°C [Noa03 S. 156]. Die Nennleistung wird in der Einheit Wp (Watt peak) angegeben.
2.5.4 Wirkungsgrad
Eine Solarzelle kann von der auftreffenden Strahlungsleistung nur einen geringen Anteil in elektrisch nutzbare Energie umwandeln. Der Wirkungsgrad ηZ beschreibt genau diesen Zusammenhang als Verhältnis aus der maximalen Leistung PMPP einer Solarzelle und der auftreffenden Strahlungsleistung Φe.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bei Solarzellen treten drei wesentliche Verlustprozesse auf, die sich auf den Wirkungsgrad auswirken. Diese werden im Folgenden am Beispiel einer kristallinen Silizium-Zelle bei AM0 aufgezeigt.
Vom auf die Solarzelle auftreffenden Licht können nur Photonen, deren
Energie größer als die Energie der Bandlücke WG des entsprechenden Halbleitermaterials ist, ein Elektronen-Loch-Paar erzeugen. Bei kristallinem Silizium mit einer Bandlücke von WG=1,12eV gehen dadurch ca. 36% der Energie verloren.
Absorbierte Photonen mit einer wesentlich größeren Energie als die der
Bandlücke geben diese Differenz in Form von Wärme an das Kristallgitter ab. Von den verbleibenden 64% nach dem ersten Verlustprozess gehen hier ca. 31% durch thermische Verluste verloren.
Der dritte Verlustprozess beschreibt die Rekombination von Elektronen-
Loch-Paaren, bevor sie durch den pn-Übergang getrennt werden. Die sogenannte „strahlende“ Rekombination begrenzt den theoretischen Wirkungsgrad weiter und letztlich bleiben ca. 30% als maximale Obergrenze über. Bei AM1,5 ist mit kristallinem Silizium theoretisch ein maximaler Wirkungsgrad von 33% möglich. [PW02 S. 323 f.]
Es entstehen weitere Verluste durch die Reflexion des Sonnenlichts an der Oberfläche der Solarzelle, die Beschattung durch die Frontkontakte und die Temperaturabhängigkeit.
2.6 Solarmodule
2.6.1 Aufbau und Wirkungsgrad
Die Ausgangsspannung einzelner Solarzellen beträgt, z.B. bei Silizium Zelle als 4Zoll-Wafer mit A=0,01m2, ca. 0,6V. Für das Betreiben der meisten Verbraucher ist diese zu niedrig. Durch die Reihenschaltung von Solarzellen werden praktisch nutzbare Spannungen erzeugt. Im Solarmodul werden in der Regel 32 bis 72 Solarzellen in Serie geschalten. Durch ein Gehäuse werden die Solarzellen gegen Umwelteinflüsse geschützt. Dazu werden diese in einen Kunststoff, meistens Ethyl-VinylAcetat13, eingebettet. Die Vorderseite des Gehäuses bildet eine eisenarme Glasscheibe, die Rückseite ein Kunststoff oder Glas und den Rahmen ein Metall, meistens Aluminium.
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Abb. 2-10 Symbol Solarmodul
Der Wirkungsgrad ηM eines Solarmoduls hängt von den verwendeten Solarzellen ab. Die Solarzellen sollten einheitlich sein, da das schwächste Glied den Wirkungsgrad bestimmt. Bei Solarzellen unterschiedlicher Kennwerte kommt es zu einer Fehlanpassung (Mismatching), da in der Reihenschaltung von Solarzellen der Strom durch die Stromstärke der schlechtesten Zelle bestimmt wird. Aktuelle Wirkungsgrade von Solarzellen und Solarmodulen sind in Tabelle 2-1 dargestellt.
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Tabelle 2-1 Zellund Modulwirkungsgrade Stand 2007 [Ste07 S. 29]
Hochleistungszellen kombinieren unterschiedliche Solarzellematerialien, wie z.B. kristallines und amorphes Silizium, miteinander. In sogenannten Tandemzellen werden die Materialen übereinander geschichtet, um ein breiteres Lichtspektrum absorbieren zu können. Die etwas geringeren Modulwirkungsgrade resultieren aus inneren Anpassungsverlusten14, die durch Fertigungstoleranzen eine gewisse Streuung aufweisen.
Auf dem Markt für Solarmodule gibt es viele Hersteller, die unterschiedliche Bauformen für Solarmodule anbieten. Um die elektrische Leistungsfähigkeit von Solarmodulen vergleichen zu können, wurden die sogenannten Standard Test Conditions (Standard-Testbedingungen, STC) eingeführt. Diese geben die maximale Nennleistung PN eines Moduls bei einer Umgebungstemperatur von 25°C, E=1000W/m2 und AM1,5 an. Im Freilandbetrieb liegen die angegebenen Leistungen um ca. 15% unter den angegebenen Werten der Hersteller, da diese spezielle Testbedingungen benutzen. [Köt94 S. 52]
In Tabelle 2-2 sind einige Modultypen von unterschiedlichen Herstellern mit charakteristischen Daten unter Standard-Testbedingungen dargestellt.
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Tabelle 2-2 Kenndaten von Modulen unterschiedlicher Hersteller (nach [Häb07, Sol09, Ste07])
Ein weiterer Standard für Solarmodule ist die Nominal Operating Cell Temperature (NOCT). Diese gibt die sich einstellende Gleichgewichtstemperatur der Solarmodule bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, E=800W/m2, AM1,5 und einer Windgeschwindigkeit von 1m/s in Modulhöhe an. [PW02 S. 338]
In der Praxis sind Solarmodule mit 36 Zellen weit verbreitet. Diese besitzen eine Betriebsspannung von ca. 15V bis 20V und Nennleistungen im Bereich von 50Wp bis 200Wp. Aus einem Modul und einem 12V Akkumulator kann schon eine kleine Inselanlage mit 12V Systemspannung für die Stromversorgung realisiert werden und für eine Inselanlage mit einer Systemspannung von 24V werden in der Praxis Solarmodule mit 72 Zellen und einer Betriebsspannung von 30V bis 40V genutzt (siehe 2.7.1) [Häb07 S. 121]. Falls bei einer PV-Anlage höhere Spannungen benötigt werden, müssen Solarmodule in Reihe zu einem String (Strang) geschalten werden. Für höhere Ströme schaltet man einzelne Solarmodule oder Stränge parallel. Es gilt für die Reihenschaltung von elektrisch gleichen Solarmodulen:
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Durch die nach oben hin offenen Kombinationsmöglichkeiten von Solarmodulen können auch Kraftwerke im MW-Bereich realisiert werden. Mehrere zusammengeschaltete Solarmodule werden als Solargenerator bezeichnet.
Die Kennlinienformen und -eigenschaften von Solarmodulen sind mit der von Einzelzellen vergleichbar und ändern sich nur in den absoluten Stromund Spannungswerten gemäß der Solarzellenverschaltung im Modul. Angeschlossene Verbraucher sollten im oder in der Nähe des MPPs betrieben werden, damit die produzierte Energie möglichst optimal genutzt werden kann. Dieser Betrieb ist aber in der Praxis nicht immer möglich, da das Verhalten eines Solarmoduls bzw. einer Solarzelle sehr stark von der Bestrahlungsstärke und der Temperatur abhängig ist.
2.6.2 Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke und Temperatur
Mit zunehmender Bestrahlungsstärke E steigt der Kurzschlussstrom proportional an. Die Leerlaufspannung hat schon bei geringen Bestrahlungsstärken relativ hohe Werte nahe der maximalen Leerlaufspannung. Die Leistungswerte im MPP nehmen folglich bei höheren Bestrahlungsstärken nur noch leicht zu. Für jede Bestrahlungsstärke kann eine eigene I-U-Kennlinie ermittelt werden. Durch die Einstrahlung erwärmen sich Solarmodule stark und können Temperaturen bis zu 80°C erreichen. Mit zunehmender Temperatur verringert sich der Wirkungsgrad eines Solarmoduls, da die Erhöhung der Modultemperatur ϑM eine im Verhältnis relativ starke Abnahme der Spannung gegenüber einer leichten Zunahme des Stroms bewirkt. Dieses Phänomen kann damit erklärt werden, dass durch die Temperaturerhöhung die Eigenleitfähigkeit des Halbleiters zwar ansteigt, aber durch die Verringerung des Bandabstandes die freien Ladungsträger weniger Energie erhalten bzw. besitzen, um die RLZ zu überwinden. Die Spannung sinkt und daraus resultiert eine lineare Abnahme der Leistung bei höheren Modultemperaturen.
In den Datenblättern der Hersteller werden Temperaturkoeffizienten angeben, die das Verhalten der Module bei Temperaturerhöhung beschreiben. Für kristallines Silizium beträgt der Temperaturkoeffizient für die Leerlaufspannung -0,3%/K bis -0,4%/K und für den Kurzschlussstrom ca. +0,04%/K. Daraus resultiert für die Leistung ein Temperaturkoeffizient von cT≈-0,4%/K. In der Praxis kann dieser unerwünschte Effekt durch eine Montage mit ausreichend guter Hinterlüftung der Module gering gehalten werden [Häb07 S. 127]. Als Schlussfolgerung ergibt sich, dass Solarmodule bei hohen Bestrahlungsstärken und geringen Außentemperaturen maximale Leistungen erbringen. Diese günstigen Umgebungsbedingungen treten häufig vormittags im Frühling und Herbst auf.
2.6.3 Verluste durch Abschattung
Die Abschattung bzw. Teilabschattung von Solarmodulen kann einen nicht zu vernachlässigenden Verlustfaktor einer Solaranlage darstellen. Die Reihenschaltung von einzelnen Solarzellen im Solarmodul bzw. von mehreren Solarmodulen zu einem Solargenerator ist kritisch hinsichtlich der Abschattung bestimmter Bereiche. Hauptsächlich entstehen Abschattungen durch umweltbedingte Einflüsse, wie z.B. Wolken, Blätter, Schnee, Schmutz, Bäume, Antennen, die Solarmodule teilweise oder ganz abschatten. Die Abschattung hat hinsichtlich des Abschattungsgrads unterschiedliche Auswirkungen. Es wird zwischen einer teilweisen und vollständigen Abschattung einer einzelnen Zelle unterschieden.
Wird eine Solarzelle in einem Solarmodul nur teilweise abgeschattet, werden in dieser Solarzelle weniger Elektronen-Loch-Paare generiert, als in den benachbarten, nicht abgeschatteten Zellen. Nach dem Ohmschen Gesetz erhöht sich der Innenwiderstand dieser Zelle. Daraus resultiert ein geringerer Stromfluss in der gesamten Reihenschaltung der Solarzellen. Die Leistungsreduktion ist überproportional zur abgeschatteten Fläche. Wird bei einem Solarmodul mit 36 Zellen eine Zelle zur Hälfte abgeschattet, so wird die Fläche um 1/72 reduziert, aber die Leistung nimmt um ca. die Hälfte ab.
Bei der vollständigen Abschattung einer Solarzelle werden keine Elektronen-LochPaare mehr generiert und die Solarzelle verhält sich wie eine Diode, die durch die Spannung der anderen Solarzellen in Sperrrichtung gepolt ist (siehe Abb. 2-11).
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Abb. 2-11 Reihenschaltung aus n-Solarzellen mit Beschattung der n-ten Zelle und Parallelschaltung einer Bypassdiode [Häb07 S.135]
Die Solarzelle wird hochohmig und durch die Reihenschaltung kann kein Strom mehr fließen. Besonders im Fall eines Kurzschlusses wird eine abgeschattete Zelle sehr stark belastet und stark erwärmt. Die Spannung über der abgeschatteten Zelle fällt in Abhängigkeit der gesamten Zellenanzahl ab:
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Es folgt die Verlustleistung:
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Die Zelle bildet einen Hot Spot (Heizpunkt). Auf Dauer kann dies die Zelle beschädigen. Eine beschädigte Zelle im Modul wirkt sich nicht nur negativ auf die Modulleistung aus, sondern kann auch nebenliegende Zellen auf Dauer beeinträchtigen und folglich das ganze Modul zerstören. Diesem Effekt kann vorgebeugt werden, indem eine Bypassdiode parallel zu jeder Zelle geschaltet wird (siehe Abb. 2-11). Im Fall, eine Zelle wird beschattet oder ist defekt, wird der Strom durch die Bypassdiode abgeleitet. Da es sehr aufwendig und kostenintensiv ist, jede Zelle mit einer Bypassdiode parallel zu schalten, werden in einem Solarmodul in der Regel nur Stränge von 12 bis 24 Zellen mit je einer Bypassdiode kombiniert [Häb07 S. 136].
Bypassdioden vermögen den Leistungsabfall eines Solarmoduls durch Abschattung einzelner Zellen zu minimieren, aber erst bei der Zusammenschaltung von Modulen zu Solargeneratoren sind diese besonders effektiv. In der Praxis wird bei der Zusammenschaltung von Solarmodulen jedes Modul zusätzlich mit einer parallel geschalteten Bypassdiode überbrückt und im Fall der Abschattung wird dieses aus dem Solargenerator heraus geschaltet.
2.6.4 Ausrichtung von Solarmodulen
Die Ausrichtung von Solarmodulen spielt in der Praxis für die Leistungsfähigkeit einer Solaranlage eine große Rolle. Ideal wäre es, wenn das einfallende Sonnenlicht senkrecht auf die Oberfläche der Solarmodule trifft. Da der Einstrahlungswinkel der Sonne von der Tagesund Jahreszeit abhängt, ist dies nur durch eine Nachführung der Solarmodule möglich. Diese Nachführung ist sehr aufwendig, kostenintensiv und durch zusätzliche Mechanik auch störungsanfällig [BP94 S. 26]. Durch eine zweiachsige Nachführung könnte die Effizienz eine Solaranlage bei AM1,5 um ca. 25 % gesteigert werden [PW02 S. 340].
In den Regionen der Nordhalbkugel sollten Solarmodule auf der horizontalen Ebene in Richtung Süden ausgerichtet sein. Für Europa gilt in vertikaler Ebene ein Anstellwinkel von ca. 30° bis 35° als optimal [Qua00 S. 64]. Der ideale Anstellwinkel ergibt sich aus dem durchschnittlichen Einfallswinkel der Sonne über den Jahresverlauf. Durch diese vertikale Ausrichtung resultiert zudem der praktische Nutzen, dass bei Regen abgelagerter Schmutz von den Modulen gewaschen wird.
2.7 Photovoltaische Inselanlagen
2.7.1 Aufbau und Einsatzmöglichkeiten
Grundsätzlich werden photovoltaische Energiesysteme in netzgekoppelte Anlagen und PV-Inselanlagen eingeteilt. Der Einsatz von Netzgekoppelte Anlagen ist sinnvoll, wenn eine bestehende Netzinfrastruktur existiert. Sie arbeiten im Netzparallelbetrieb und speisen einen Großteil der erzeugten elektrischen Energie in das öffentliche Stromnetz ein. Tritt in diesen Systemen der Fall ein, dass mehr Strom verbraucht als erzeugt wird, so wird dieser aus dem öffentlichen Stromnetz entnommen. Jede eingespeiste Kilowattstunde wird dann nach dem EEG (siehe oben) vergütet.
Der zweite Typ von photovoltaischen Energiesystemen sind Inselanlagen. Diese arbeiten unabhängig vom öffentlichen Stromnetz und können einen oder mehrere Verbraucher versorgen. Die über den zeitgleichen Bedarf hinausgehende erzeugte Energie wird in einem Akkumulator zwischengespeichert und steht auch in Zeiten schlechter Energieausbeute zur Verfügung. Besonders in Regionen, in denen kein Anschluss zum öffentlichen Stromversorgungsnetz besteht, bieten Inselanlagen eine kostengünstige und praktische Lösung.
Der Einsatz von PV-Inselanlagen unterscheidet sich nach Industrie-, Schwellenund Entwicklungsländer. Während in Ländern der Ersten Welt die Anbindung an das öffentliche Stromnetz selbstverständlich ist, haben in Schwellenund Entwicklungsländern Milliarden Menschen keinen Zugang zu einer verlässlichen Stromversorgung [PW02 S. 355]. In diesen Ländern sind PV-Inselanlagen von großem praktischem Nutzen für die Menschen. Sie werden hier als Stromversorgungen für Wasserpumpen, Kühlanlagen usw. eingesetzt [Noa03 S. 159]. Aber auch in Industrieländern sind Inselsysteme ökonomisch interessant. Typische Anwendungen im kleinen Leistungsbereich bis einige Watt sind z.B. Notrufsäulen, Parkscheinautomaten, Verkehrsleitsysteme. Anwendungen im größeren Leistungsbereich bis einige 10KWp sind z.B. Wohnmobile, Ferienhäuser, Kommunikationsanlagen [Häb07 S. 198]. Die Entwicklung von mobilen Anwendungen in mp3-Playern oder Kleidung wird zurzeit sehr vorangetrieben, um teure und umweltbelastende Batteriekapazitäten einzusparen. Inselanlagen werden nochmal unterteilt in Inselanlagen ohne Speicher und mit Speicher.
Inselanlage ohne Speicher (DC15)
In Abb. 2-12 wird im Blockschaltbild die prinzipielle Struktur einer Inselanlage ohne Speicher dargestellt. Bei Systemen ohne Speicher werden die Verbraucher (a) direkt mit dem Solargenerator (b) verbunden. Für den Einsatz solcher Systeme sollte das Energieangebot des Solargenerators mit dem Bedarf der Verbraucher übereinstimmen. Typische Anwendungen sind Wasserpumpen und Taschenrechner.
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Abb. 2-12 Blockschema einer Inselanlage ohne Speicher (DC)
Inselanlagen mit Speicher (DC)
Bei Systemen mit Speichern wird der durch die Sonnenstrahlung am Tag erzeugte Strom in einem Speicher zwischengespeichert und steht den Verbrauchern auch dann zur Verfügung, wenn kein oder nur wenig Strom durch den Solargenerator geliefert wird. In Abb. 2-13 ist das Blockschaltbild eines Inselsystems mit Speicher dargestellt. Als Speicher werden Bleioder spezielle Blei-Gel-Akkumulatoren (c) eingesetzt.
[...]
1 Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird auf die Nennung beider Geschlechter verzichtet.
2 von griech. φῶς phos = Licht
31982 durch die World Meteorological Organisation (WMO) in der Publikation 590 festgelegt.
4 Unter der Voraussetzung, dass A+R+T=1 mit A=1 (Absorptionsvermögen), Reflexion (R=0) und Transmission (T=0) ist.
5Das Vorbild war das Burgdorfer Model in der Schweiz ab 1991. Zurzeit gibt es in 47 Ländern ähnliche Modelle.
6 Bei einer 2008 installierten PV-Anlage z.B. bis 30KW beträgt die Vergütung 46,75Cent/kWh. Würde die Anlage erst 2009 in Betrieb genommen werden, erhielte der Betreiber nur noch eine Vergütung von 43,01Cent/kWh.
7 Eine stabile Elektronenkonfiguration bei der auch die äußerste Schale voll besetzt ist.
8von lat. donare = schenken
9 von lat. diffundere = ausgießen, verstreuen, ausbreiten
10Die Zelle ist großflächig ausgelegt, damit möglichst viel Licht auftrifft.
11 z.B. Siliziumdioxid (SiO2)
12 Dioden werden mit dem Verbraucherzählsystem charakterisiert. Beim Verbraucherzählsystem verlaufen Stromund Spannungspfeil in gleiche Richtung.
13 Bezeichnet eine Stoffgruppe der Copolymere.
14 z.B. Rahmenanteile, Kontaktierung und Zwischenräume zwischen den Solarzellen
15 engl. direct current = Gleichstrom
- Quote paper
- Andre Küppers (Author), 2009, Experimentieren mit einer "PV-Inselanlage". Gestaltung einer praxisorientierten Unterrichtseinheit für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Photovoltaik, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/339929
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