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Solar-Elektrische-Energie. Ist sie tatsächlich rentabel?

Facharbeit (Schule) 2019 17 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Aufbau & Funktionsweise
2.1 Physikalische Grundlagen
2.1.1 Halbleiter
2.2 Aufbau Solarzelle
2.2.1 Solarzellentechniken
2.3 Aufbau Photovoltaik-Modul
2.4 Positionierung & Ausrichtung
2.5 Physikalische GroBen

3 Beispiele
3.1 Photovoltaikanlagen an Hausern
3.2 Photovoltaik-Freiflachenanlagen
3.3 Photovoltaik in China
3.4 Konzepte & Prototypen
3.4.1 SolarCity - „Solar Roof"
3.4.2 Ta'u Island
3.4.3 Solar Roadways

4 Energiebilanz

5 Kostenbilanz

6 Okologische Bilanz

7 Entropische Bewertung

8 Gefahren

9 Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Dotierung von Silizium mit Bor

Abbildung 2 Dotierung von Silizium mit Phosphor

Abbildung 3 Aufbau einer Solarzelle

Abbildung 4 Monokristalline Solarzelle Quelle: solaranlagen-portal.com

Abbildung 5 Polykristalline Solarzelle Quelle: solaranlagen.portal.com

Abbildung 6 Aufbau eines Photovoltaik-Moduls

Abbildung 7 Entwicklung des Anteils der Erneuerbaren Energien Quelle: Frauenhofer Institut

Abbildung 8 Solarkomplex Senftenberg Quelle: lmbv.de/

Abbildung 9 Produktion von Photovoltaikanlagen

Abbildung 10 Elektrische Energie aus Photovoltaikanlagen

Abbildung 11 Tesla Solar Roof - Konzeptzeichnung Quelle: Tesla

Abbildung 12 Photovoltaik-Anlage auf Tau Island Quelle: nationalgeographics.com

Abbildung 13 Solar-Roadways - Konzeptzeichnung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Durchschnittliche Kosten einer Photovoltaik-Anlage

Tabelle 2 Durchschnittliche, laufende Kosten einer Photovoltaik-Anlage

1 Einleitung

Diese Facharbeit beschaftigt sich mit der Solar-Elektrischen Energie. Diese Art der Energie wird bereits heute sehr oft von uns genutzt und ist ein wichtiger Teil der aktuellen, globalen Energiepolitik. Die Solar-Elektrische Energie findet bereits jetzt Verwendung in Privat-Haus- halten, riesigen Photovoltaik Anlagen oder selbst Kleingeraten wie z.B. dem Taschenrechner.

Doch ist die Solar-Elektrische Energie wirklich so hilfreich und rentiert sie sich (Okologisch & Kostentechnisch) wirklich unter Berucksichtigung aller Faktoren?

2 Aufbau & Funktionsweise

Bei der Umwandlung von der Energie des Sonnenlichtes zu einer elektrischen Energie gibt es viele Moglichkeiten. Die bekanntesten beiden Moglichkeiten sind einmal die sogenannten „Sonnenkraftwerke“, in denen durch die Energie der Sonnenstrahlen bspw. Wasser erhitzt wird, wessen Dampf anschlie&end eine Turbine antreibt. Dieser Vorgang wird allgemein auch als „solarthermische Energie" bezeichnet. Die andere Moglichkeit ist jedoch eine direktere Um­wandlung der Energie durch die Photovoltaikanlagen (oder auch PV-Anlagen). Dieser Vorgang nennt sich „solarelektrische Energie".

2.1 Physikalische Grundlagen

2.1.1 Halbleiter

Halbleiter sind bestimmte Materialien, welche unter bestimmten Umstanden besser oder schlechter leiten. Sie sind jedoch kein kompletter Leiter und kein kompletter Isolator. Allgemein zeichnen sich Halbleiter dadurch aus, dass sie auf ihrer Au&enschale vier Elektronen haben (vier Valenzelektronen). Dies ist zum Beispiel bei Silizium der Fall, welches der am haufigstem verwendete Halbleiter ist.

Das wichtigste hierbei ist jedoch, dass man die Elemente, bzw. das Silizium, dotieren („verunreinigen“) kann. Diese Verunreinigung ge- schieht durch das Vermischen mit einem anderen Stoff. Dieser an­dere Stoff hat entweder funf Valenzelektronen (Elektronen auf der au&ersten Schale; bspw. Phosphor) oder nur drei (bspw. Bor). Dadurch erreicht man, dass die Bindung aus Silizium mit dem Fremdstoff entwe­der ein Elektron zu viel (negativ gela­den; n-dotiert; Abbildung 2) hat oder ein Elektron zu wenig (positiv geladen; p-do- tiert; Abbildung 3) hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Dotierung von Sili-zium mit Phosphor

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Dotierung von Sili-zium mit Bor

2.2 Aufbau Solarzelle

Die Solarzelle ist der wichtigste Bestandteil einer Photovoltaik-Anlage, da hier die Energie der Sonnen- strahlen in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine Solarzelle an sich ist relativ klein und kompakt.

Die meisten Solarzellen bestehen aus Silizium, da dieses Material haufig vorkommt und man dieses Ma­terial gut verarbeiten kann. Das Silizium wird jedoch mit zwei verschiedenen Stoffen dotiert (verunreinigt), sodass sich eine n-dotierte Schicht und eine p-do- tierte Schicht bildet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Aufbau einer Solarzelle

Ober- und unterhalb des dotiertem Siliziums befinden pp.ktocha" sich Metallkontakte aus einem leitendem Material. Oftmals wird bei Solarmodulen Silber oder Aluminium Abbildung 3 Aufbau emei- sotareeNe verwendet. Auf der Unterseite ist der Kontakt uber eine durchgangige Platte sichergestellt. Auf der Oberseite sind es lediglich kleine Bahnen des Materials, damit noch Sonnenlicht hindurch- gelangen kann.

Auf der oberen Schicht wird das Silizium mit einem Element dotiert, welches funf Elektronen auf der au&ersten Schale hat (funf Valenzelektronen). Dadurch hat Bindung mit Silizium ein Elektron auf der au&eren Schale zu viel und ist dadurch negativ geladen (n-dotiert). Bei Solar­zellen wird meist Phosphor genommen um das Silizium zu dotieren.

In der darunterliegenden Schicht wird das Silizium mit einem Element dotiert, welches drei Elektronen auf der au&ersten Schale hat (drei Valenzelektronen). Dadurch hat diese Bindung ein Elektron auf der au&eren Schale zu wenig und ist daher positiv geladen (p-dotiert). Bei Solarzellen wird meist Bor genommen um das Silizium zu dotieren.

Zwischen den beiden Schichten bildet sich eine Grenzschicht. Dies geschieht daher, dass sich die ubrigen Elektronen der n-dotierten Schicht zu den Lochern der p-dotierten Schicht anzie- hen. Dadurch befinden sich in dieser Schicht Atome, die keine Locher und acht Elektronen auf der au&ersten Schale haben, welche nun keine weiteren Elektronenbewegungen zulassen.

Da die obere, n-dotierte Schicht ein Elektron weniger hat als ursprunglich, ist diese nun positiv geladen. Die untere, p-dotierte Schicht, hat nun Locher weniger (bzw. Elektronen mehr) und ist daher nun negativ geladen. Dadurch wird innerhalb der Solarzelle ein elektrischer Plus- und Minus-Pol erzeugt.

Wenn jetzt die Sonnenstrahlen auf eine Solarzelle treffen, gelangen die Photonen der Son- nenstrahlen in die Grenzschicht und losen dort ein Elektron aus dieser heraus. Da dieses Elektron nun frei ist, und negativ geladen ist, bewegt es sich zu dem positiv geladenem Pol. Dort ist dann der Metallkontakt, uber welchen sich das Elektron weiterbewegt. Dadurch werden alle gelosten Elektronen gezielt in eine Richtung gelenkt. Uber die oberen Metallkontakte der Solarzelle gelangen sie nun am Verbraucher vorbei. Dadurch liegt am Verbraucher nun eine Spannung an.

Da nun theoretisch ein Elektron in der Grenzschicht fehlt, gelangt ein Elektron aus einer nied- rigeren Schicht an dessen Stelle, da es zu der oberen, positiv geladenen Schicht, angezogen wird. Dadurch, dass die Elektronen nach dem Verbraucher wieder uber einen Metallkontakt in die Unterseite der Solarzelle geleitet werden, fullen die Elektronen dort die freigewordenen Locher auf.

Daher bildet sich innerhalb der Solarzelle ein Kreislauf, der ewig weitergefuhrt werden kann, solange Sonnenstrahlung auf die Solarzelle trifft.

2.2.1 Solarzellentechniken

Derzeit gibt es viele verschiedene Verfahren und Methoden zur Herstellung von Solarzellen. Jede einzelne Methode bringt Vor- und Nachteile mit sich. Zurzeit gibt es jedoch drei Metho­den, die am bekanntesten sind und am haufigstem verwendet werden. Diese sind zu einem die Monokristalline Zellen, die Polykristalline Zellen und die Amorphen Zellen.

Die Monokristalline Zelle werden aus hochreinen Halbleitermaterialien, wie Silizium, gefertigt. Hierbei werden Siliziumstabe aus der Schmelze gezogen und daraufhin in dunne Scheibe, sogenannte „Wafer" zer- schnitten, welche oft nur wenige Mikrometer dick sind. AnschlieBend werden die einzelnen Wafer chemisch gereinigt. Wahrend dieser Reini- gung wird die eine Halfte des Wafers mit Bor, die andere mit Phosphor dotiert. Mehrere dieser Solarzellen werden dann zu einem Modul zusam- mengeschaltet. Vorher werden die einzelnen Zellen noch ein wenig quadratischer geschnitten, was zu hohem Abfall bei der Produktion Solarzelle Quelle: solaranla- fuhrt. Dieses spezielle Herstellungsverfahren ist zwar sehr aufwendig gen-portal com und benotigt sehr viel Energie, jedoch ist der Wirkungsgrad mit 15% - 20% am hochsten. Ein Nachteil, neben dem hohen energetischem Aufwand, ist, dass die Solarzellen starke LeistungseinbuBen von bis zu 35% haben, sollte die Solarzelle nicht optimal ausgerichtet sein oder die Zelle an sich zu heiB werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass sie auf Grund des komplexen Herstellungsverfahrens sehr kostenintensiv sind. Diese Art der Solar­zelle sollte am besten verwendet werden, wenn man auf einer kleinen Flache einen moglichst groBen Ertrag erzielen mochte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Monokristalline Solarzelle Quelle: solaranla-gen-portal.com

Die Polykristalline Solarzelle wird hergestellt, indem Silizium, welches einen geringeren Reinheitsgrad besitzt, eingeschmolzen wird. Anschlie­Bend wird aus dem flussigem Silizium ein Block gegossen und dieser wird langsam abgekuhlt und dadurch fest. AnschlieBend wird dieser Block in quadratische Scheiben zerteilt, welche dann mit Phosphor und Bor dotiert werden. Da diese Zellen an sich schon quadratisch sind, ent- stehen bei der Produktion keine Abfalle und die chemische Behandlung entfallt auch, was allgemein besser fur die Umwelt ist. Dadurch, dass weniger reines Silizium verwendet wird, ist der Wirkungsgrad geringer als bei monokristallinen Solarmodulen (Wirkungsgrad 12% - 15%). Auch diese Solarzellen haben LeistungseinbuBen bei schlechten Lichtverhalt- nissen. Da weniger Energie fur die Herstellung benotigt wird, sind diese Solarzellen deutlich gunstiger. Photovoltaik-Module aus Polykristallinen Solarzellen werden am meisten dort eingesetzt, wo man viel Flache zur Verfügung hat, bei denen die Leistung eines einzelnen Modules nicht ganz so entscheidend ist. Polykristalline Zellen sind die Solarzellen mit dem besten Preis- Leistungsverhaltnis.1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 Polykristalline Solarzelle Quelle: solaran-lagen.portal.com

Amorphe Solarzellen, oder auch Dunnschicht Solarzellen, sind Solarzellen, bei denen das Si- lizium nicht vorher eingeschmolzen wird und dadurch in eine besondere Kristallstruktur ge- bracht wird. Bei den Amorphen Solarzellen wird das Silizium erhitzt und auf eine Tragerschicht aufgedampft oder aufgedruckt. Da die T ragerschicht ebenfalls extrem dunn ist, ist das Gewicht solcher Amorphen Solarzellen am geringsten. Au&erdem sind diese Solarzellen extrem bieg- sam und verformbar. Jedoch sind diese Solarzellen die, mit dem geringsten Wirkungsgrad von lediglich <10%. Bei schlechten Lichtverhaltnissen haben diese Solarzellen jedoch keine hohen Leistungseinbu&en und sind daher auch fur Flachen im Schatten geeignet.

2.3 Aufbau Photovoltaik-Modul

Der allgemeine Aufbau eines Photovol- taik-Moduls ist ziemlich simpel: Es be- steht erstmals aus einem au&erem Rah- men. Dieser Rahmen ist besonders wich- tig, um das Modul sicher zu befestigen und den einzelnen Schichten Halt zu ge- ben. Meist wird der Rahmen aus Alumi­nium hergestellt, aufgrund des geringen Eigengewichts. Innerhalb dieses Rah- mens befinden sich mehrere Schichten aus verschiedenen Materialien, welche unterschiedliche Zwecke erfullen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Aufbau eines Photovoltaik-Moduls

Die erste Schicht ist eine Schicht aus Glas. Hierbei wird meist ein sogenanntes Einscheiben- Sicherheitsglas verwendet, welches aufgrund spezieller Beschichtungen extrem widerstands- fahig ist und das Modul vor au&eren Schaden (wie z.B. durch Hagel; lose, herunterfallende Dachpfannen; liegender Schnee oder ahnliches) schutzen soll. Die Schicht ist ebenfalls nur in eine Richtung Lichtdurchlassig, sodass das Modul blendfrei ist. Zusatzlich ist diese Schicht auch extrem Bestandig gegen Temperaturwechsel. Dadurch ist auch gewahrleistet, dass man diese Module in Regionen verwenden kann, in denen es oft und viel schneit. Diese Schicht ist so bestandig, dass sie Lasten von bis zu 550 KG / m2 aushalten kann und bietet somit einen ausreichenden Grundschutz fur das Modul. Diese Schicht kann auch noch weiter modifiziert werden, sodass sie noch bestandiger ist, umso bspw. Module auf Gehwegen oder Stra&en zu verbauen.

Die zweite Schicht ist die Obere Einbettfolie. Sie ist aus einem extrem widerstandsfahigem Kunststoff, mit dem Namen Ethylenvinylacetat oder kurz EVA. Diese Schicht wird bei ca. 150 °C mit der eigentlichen Solarzelle verschwei&t (laminiert). Dadurch wird die Solarzelle optimal isoliert, sodass keine Flussigkeit in die Zelle eindringen kann und diese beschadigen kann.

Als nachste Schicht sind die eigentlichen Solarzellen. Viele der einzelnen Solarzellen werden miteinander verbunden und verlotet, sodass diese eine Schicht bilden. Die Solarzellen mussen so auswendig geschutzt werden, da sie extrem dunn und dadurch extrem zerbrechlich sind.

Unterhalb der Solarzellen befindet sich wieder eine Schicht EVA, die zusammen mit der dar- uber liegenden Schicht die Solarzelle optimal umschlieBt und so einen wasserdichten Korro- sionsschutz bildet.

Unterhalb dieser Schicht befindet sich eine Verbundfolie aus verschiedenen Werkstoffen. Oft- mals besteht diese Schicht aus Polyvinylfluorid (besser bekannt als „Tedlar“), oder manchmal auch aus Glas. Diese Schicht hat mehrere Funktionen. Zum einem dient sie nochmal als Kor- rosionsschutz. Zusatzlich dient diese Schicht als Isolator zu dem dahinterliegenden Rahmen, damit an dem Gehause selbst keine Spannung anliegt.

Die Lebensdauer und Effizienz hangt groBtenteils von der Qualitat der Verarbeitung innerhalb der einzelnen Schichten ab, da eine Photovoltaikanlage ihr gesamtes Leben lang allen Wet- terbedingungen ausgesetzt ist.

2.4 Positionierung & Ausrichtung

Die Positionierung und Ausrichtung von Photovoltaikanlagen ist maBgeblich fur den Wirkungs- grad der gesamten Anlage, und daher auch fur die Wirtschaftlichkeit. Die Photovoltaikanlagen arbeiten am effizientestem, wenn diese nach Suden ausgerichtet sind, da die Sonne im Suden den Hochststand hat (gilt fur die nordliche Halbkugel). Neben der Orientierung der PV-Anlage ist auch noch die Neigung der Module maBgeblich fur die Effizienz. Ein hoher Wirkungsgrad wird erzielt, wenn die Sonnenstrahlung senkrecht auf die Module trifft. Daher kann man hier auch keine eindeutige Angabe, wie bei der Nennung der Himmelsrichtung, geben. Der Ein- strahlwinkel der Sonnenstrahlen ist auch abhangig vom Breitengrad auf der sich die PV-An- lage befindet. Ein Richtwert fur Deutschland ist 30 - 36° Neigungswinkel. Jedoch gibt es ein Problem mit geringeren Neigungswinkeln. Je geringer der Neigungswinkel, umso mehr Schmutz bleibt auf den Modulen haften und umso weniger Schmutz wird bei Regen abgespult. Dies kann auch zu erheblichen LeistungseinbuBen fuhren von bis zu 40%.

Generell gilt allerdings, dass eine moglichst exakte Sudausrichtung effizienter ist, als ein mog- lichst genauer Neigungswinkel.

2.5 Physikalische GroBen

Bei Photovoltaikanlagen, gibt es verschiedene physikalische GroBen, die beachtet werden sollten.

Die wahrscheinlich wichtigste GroBe ist die Leistung, die ein Photovoltaik-Modul erbringen kann. Diese ist die physikalische GroBe Wp ( Watt-Peak ^ Watt „Spitze“) und wird in W (Watt) angegeben und beschreibt die maximale Leistung eines Photovoltaik-Moduls bei optimalen Bedingungen. Da alle Module im Labor unter selben Bedingung getestet werden, ist dieser Wert zwar vergleichbar, aber so sollten Module nur derselben Zellstruktur verglichen werden. Dies liegt daran, dass unterschiedliche Module unterschiedliche auf besondere Lichtverhalt- nisse reagieren wie z.B. schwaches Licht. Zu beachten ist auch, dass die Spannung, von ei­nem Modul ausgeht immer dieselbe ist. Egal ob bei schwachem Licht oder starkem Licht. Das einzige was sich bei starkem, direkten Lichteinfall erhöht, ist die Stromstärke und damit die Leistung.

[...]


1 https://www.solaranlagen-portal.com/solarmodule/systeme/polykristallin

Details

Seiten
17
Jahr
2019
ISBN (eBook)
9783668975255
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v491462
Note
2,3
Schlagworte
solar-elektrische-energie

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