Fotovoltaik

Allgemein

Unter Fotovoltaik wird die direkte Umwandlung der Sonnenstrahlung in elektrische Energie verstanden. Unter Sonnenstrahlung ist das gesamte ausgestrahlte Spektrum an Elektromagnetischen Wellen des Sternes gemeint.

Strahlungsdiagramm (70K)

Intensität in Funktion von Wellenlänge und Photonenenergie
UV - (ultravioleter) Bereich: 100 < λ < 380nm
sichtbarer Bereich:           380 < λ < 780nm 
IR - (infraroter) Bereich:    780 < λ < 1mm

AM0 (Airmass Zero):  Spektrum der extraterrestrischen Strahlung
AM1,5 (Airmass 1.5): Spektrum der Strahlung an der Erdoberfläche nach Durchdringen der 1,5-fachen Atmosphärendicke 

Nur ein gewisser Teil der Strahlung kann dabei in elektrischen Strom umgewandelt werden, die überschüssige Energie der Fotonen wird direkt in Wärme umgesetzt.

Strahlungsdiagramm2 (82K)

Solarzelle

Die Umwandlung der Sonnenstrahlung geschieht in Halbleitern - sogenannten Solarzellen. Solarzellen sind sehr großflächige Fotodioden. Sie sind daher geradezu spezialisiert auf die = Aufnahme der Photonen mit Freisetzung von Elektronen Absorbtion von Lichtteilchen in ihrer großflächigen Sperrschicht.

Arbeitsweise der Solarzelle

Die Photonen werden im Kristallgitter absorbiert und erzeugen darin Ladungsträgerpaare (Löcher + freie Elektronen).

Solarzelle im Querschnitt

Diese beginnen - durch die in der Raumladungszone herrschende Feldstärke - in der Sperrschicht in Richtung der Anschlusspole zu wandern (siehe Grafik).

Durch ihren Abzug reduziert sich die Feldstärke. Wenn die Sperrschicht abgebaut ist, wird die Leerlaufspannung der Zelle erreicht.

Kennlinie der Solarzelle

Die Kennlinie der Solarzelle ist die einer Diode. Bei Beleuchtung "rutscht" die Kennlinie immer mehr in Richtung Sperrstrom, bis zum Kurzsschlussstrom ISC.

Kennlinie und Wirkungsrichtung der Solarzelle

Die Schnittpunkte der Kennlinie markieren die x - AchseZellenspannung sowie den y - AchseZellenstrom für eine bestimmte Beleuchtungsstärke.

Typen von Solarzellen

Kristalline Zellen

monokristallin:
polykristallin:
Aus einer Siliziumschmelze (hochreines Si) werden einkristalline Stäbe gezogen und anschließend in dünne Scheiben (Wafer) gesägt Flüssiges Silizium wird in Blöcke gegossen und anschließend in Scheiben gesägt.
Bei der Erstarrung des Materials bilden sich unterschiedlich große Kristallstrukturen aus, an deren Grenzen Defekte auftreten. Diese Kristalldefekte haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad der Solarzelle zur Folge.
monokristallin-polykristallin (91K)
Vorteil: hoher Wirkungsgrad Vorteil: kostengüstig

Dünnschicht-Zellen

Wird auf Glas oder anderes Substratmaterial eine Silizium- oder andere Halbleiterschicht (dünner als 1 μm) abgeschieden, spricht man von Dünnschichtzellen.

Vorteil: kleine Produktionskosten wegen der geringeren Materialkosten

Nachteil: kleinere Wirkungsgrade

Neben Si kommt bei Dünnschichtzellen noch

  • Cadmiumtellurid (CdTe)
  • Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)
zum Einsatz. Insbesondere CdTe-Zellen haben bereits eine sehr große Verbreitung dank tieferer Kosten und obwohl der Wirkungsgrad wesentlich tiefer ist als bei kristallinen Zellen.

Grätzel-Zellen

Bei diesen Zellen werden Farbstoffmoleküle zur Lichtsammlung eingesetzt.

dsc_rs271_rs197_photo_2000x1100 (206K)

Vorteile

Die Farbstoffzelle arbeitet im Vergleich zur herkömmlichen Siliziumzelle besonders gut bei diffusem Licht.

vergleichsweise leicht (Farbstoffsensibilisierungs-Solarzellen auf flexiblen Substraten wiegen ca. 500 g/m2, die Silizium-Photovoltaikzelle wiegt mehr als 10 kg/m2.

Verwendung

  1. stromerzeugende Fenster, oder
  2. Fassaden oder Dächer
Graetzel (44K) Michael Graetzel:

(1944 in Dorfchemnitz in Sachsen geboren), studierte zunächst Chemie an der Freien Universität und promovierte dann 1971 an der Technischen Universität Berlin. Nach einer dreijährigen Tätigkeit als Assistent am Hahn Meitner Institut in Berlin ging er 1972 für zwei Jahre als PostDoc in die USA.

1977 folgte der Wechsel an die Ecole Polytechnique Federal Lausanne, wo er seit 1981 die Professur für Physikalische Chemie und die Leitung des Laboratorium für Photonik und Grenzflächen inne hat.

Die Grundidee seiner Forschung war, die Photosynthese als grundlegenden Naturprozess nachzubauen, damit Sonnenlicht in elektrische Ladung umgewandelt werden kann.

Bastelanleitung: Strom aus Sonnenlicht, Wandfarbe und Fruchtsaft

Verschalten von Solarzellen

Beim Verschalten zu Solarmodulen oder später Solargeneratoren ist darauf zu achten, dass bei ungewöhnlichen Betriebszuständen keine Schäden auftreten können.

Reihenschaltung von Solarzellen

Die Spannungen der Solarzellen addieren sich, wenn die Belichtung und die "inneren" Eigenschaften der einzelnen Zellen gleichmäßig verteilt sind:

Serienschaltung_von_Zellen_1 (22K)

Aufgrund der Betriebskennlinien der einzelnen Zellen ist die Gesamtleistung etwas kleiner als die Summe der einzelnen Zellenleistungen.

Serienschaltung_von_Zellen_2 (32K)

Wird nun eine Zelle abgeschattet oder ist sie defekt, wird sie praktisch zur Diode in Sperrrichtung und sperrt den Strom des gesamten Stranges der in Reihe geschalteten Zellen:

Serienschaltung_von_Zellen_3 (29K)

Nun hängt das "Wohl und Weh" der beschatteten oder beschädigten Zelle vom Belastungsstrom und der anstehenden Gesamtspannung der übrigen Zellen ab. Wird durch das Zusammenwirken aller Zellen die Sperrspannung (um die ca. 50V) der defekten oder beschatteten Zelle überschritten, kommt es dort zu einem Durchbruch und die Verlustleistung der Zelle führt zu ihrer unerlaubten Erhitzung (Hot-Spot).

Der Hot-Spot-Effekt kann durch das Parallelschalten einer Bypassdiode gemildert werden:

Serienschaltung_von_Zellen_4 (29K)

Bei der Gesamtleistung bleiben trotzdem deutlich Einbußen. In der Praxis werden nicht bei jeder Solarzelle Bypassdioden erforderlich, es reicht eine Diode für 10 bis 40 Zellen.

Serienschaltung_von_Zellen_5 (29K)

Parallelschaltung von Solarzellen

Die Ströme der Solarzellen addieren sich, wenn die Belichtung und die "inneren" Eigenschaften der einzelnen Zellen gleichmäßig verteilt sind:

Parallelschaltung_von_Zellen_1 (26K)

Aufgrund der unterschiedlichen "Stromleistungen" der einzelnen Zellen ist die Gesamtleistung etwas kleiner als die Summe der einzelnen Zellenleistungen.

Parallelschaltung_von_Zellen_2 (19K)

Wird nun eine Zelle abgeschattet oder ist sie defekt, wird sie praktisch zur Diode in Durchlassrichtung und belastet die übrigen Zellen. Dadurch sinkt naturgemäß die abgegebene Spannung, wodurch sich jetzt die Verlustleistung in grenzen hält.

Parallelschaltung_von_Zellen_3 (21K)

Solarmodule

Um für die Umwandlung geeignete Spannungen zu erzielen, müssen die Solarzellen in Serie geschalten werden. Zuerst im Modul, danach mehrere Module zum Strang.

Die Leistung der Module wird meist in Watt-Peak (Wp) angegeben. Dies bezeichnet die Nennleistung bei Standard-Testbedingungen.

PV-Generator1 (17K)

Zertifizierung

Photovoltaik-Module werden nach international anerkannten Normen geprüft.

Normen

  • Kristalline Module: IEC 61215
  • Dünnfilmmodule: IEC 61646
  • PV Module safety qualification: IEC 61730

Solargenerator

Werden mehrere Modulstränge zusammengeschalten, spricht man von einem Fotovoltaikgenerator.

PV-Generator (44K)

Anlagentypen

Netzverbund

Bei Bauten, die an die öffentliche Stromversorgung angeschlossen sind, werden Solarstromanlagen in der Regel im Netzverbund betrieben.

  1. Es ist nur ein Stromnetz im Gebäude nötig. Es können die normalen Wechselstrom-Geräte eingesetzt werden.
  2. Überschüsse von Solarstrom können ins Netz eingespeist und dadurch andernorts genutzt werden. Das EVU muss den Strom abnehmen.
  3. Die Stromversorgung ist jederzeit sichergestellt.

Einspeisung ins VKW-Netz

Eine optimal positionierte Photovoltaik-Anlage in Vorarlberg liefert jährlich rund 900 - 1000 Kilowattstunden (kWh) pro 1000 Wp. Die Stromproduktion liegt bei den gleichen äußeren Bedingungen für 1 m2 Photovoltaik-Module bei jährlich 140 bis 170 kWh (kristalline Module) respektive 70-90 kWh (Dünnfilmmodule).

Ertrag wird zu 100% eingeseist

Einspeisung1 (53K)

Überschuss wird eingeseist

Einspeisung2 (47K)

Regelungen für die Netzkoppelung

Entkupplung

Für die Verbindung der Erzeugungsanlage mit dem Netz oder mit der übrigen Anlage des Netzbenutzers muss ein Entkupplungsschalter eingesetzt werden. Diese Entkupplungsstelle sichert eine allpolige galvanische Trennung der Erzeugungsanlage vom Netz. Sofern kein Inselbetrieb vorgesehen ist, kann dafür die Schaltvorrichtung des Generators (Generatorschalter) verwendet werden. Eine selbsttätig wirkende Freischaltstelle (Einrichtungen zur Netzüberwachung mit jeweils zugeordneten Schalteinrichtungen) gemäß ÖVE/ÖNORM E8001-4-712 [17] gilt bis zu einer maximalen Nennscheinleistung von 30 kVA je Kundenanlage als Entkupplungsstelle.

Wirkleistungsreduktion bei Überfrequenz

frequenzregelung (237K)

1)Bei Frequenzen zwischen 47,5 Hz und 50,0 Hz ist eine automatische Trennung vom Netz infolge einer Frequenzabweichung nicht zulässig.

Inselanlage

Die Stromversorgung von netzfernen Objekten wie Berghütten, Ferienhäusern, Notrufsäulen und Parkscheinautomaten erfolgt durch autonome Solaranlagen mit Elektrizitätsspeichern (Batterien).

  1. Kostengünstige Alternative zur Erschließung abgelegener Verbraucher mit Netzstrom.
  2. Der Betrieb basiert in der Regel auf Gleichstrom (U = 12 | 24 V)
  3. Es müssen meist spezielle Geräte und Leuchten verwendet werden, sofern kein Wechselrichter eingesetzt wird.

Inselsanlage.JPG