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Energieerzeugung aus Photovoltaik

von Bastian Aue (Autor) Steffen Kruse (Autor)

Hausarbeit 2006 35 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Geschichte der Photovoltaik

3. Technische Prozesse und Verfahren
3.1 Aufbau und Funktionsweise
3.2 Solarzelle-Solarmodul-Solargenerator
3.3 Netzgekoppelte Photovoltaikanlagen
3.4 Technische Notwendigkeiten
3.4.1 Bypass-Diode
3.4.2 Wechselrichter
3.5 Anlagenmontage und Aufbaukriterien

4. Anwendungsbereiche & Wirtschaftlichkeit
4.1. Kommerzielle Nutzung
4.1.1. Anwendungsmöglichkeiten
4.1.2. Umsetzungsmöglichkeiten der Anwendung
4.1.3. Einspeisung des Solarstroms in das Stromnetz
4.2. Wirtschaftlichkeit einer Photovoltaikanlage
4.3. Wirtschaftliche Stärken und Schwächen

5. Auswirkungen auf die Umwelt
5.1 Toxizität
5.2 Recycling
5.3 Stoffströme

6. Mögliche Potentiale und Entwicklungen
6.1 Kostenbilanz
6.2 Zelldesign
6.3 Material
6.4 Zukünftiger Markt

7. Zusammenfassung / Fazit

1. Einleitung

Das Thema Photovoltaik wurde im Rahmen der Hausarbeit im Fach Energie- und Umwelttechnik an der Fachhochschule Göttingen (Wirtschaftsingenieurwesen) frei gewählt. Es kam hier zu dieser Entscheidung, da ein großes persönliches Interesse darin besteht, die Anwendungsmöglichkeiten, Potenziale und zukünftigen Entwicklungserwartungen dieser Technik näher zu bringen.

Die Photovoltaik ist ein Prozess bei dem die Sonnenenergie direkt in Strom umgewandelt wird. Durch das Eintreffen von Licht in eine Solarzelle, werden elektrische Ladungspaare getrennt. Dadurch werden Elektronen mittels der Sonnenstrahlung von Minus nach Plus transportiert. Zwischen dem Minus- und Pluspol entsteht eine elektrische Spannung, an die elektrische Geräte wie z.B. eine Lampe oder Taschenrechner angeschlossen und betrieben werden können.

In dieser Ausarbeitung sind die Teilthemen Geschichte, Funktionsweise, Anwendung, Umwelt und die mögliche Entwicklung der Photovoltaik in der Zukunft beschrieben. Dabei wurde durch akribische Recherchen von Fachzeitschriften, wissenschaftlichen Büchern, Unternehmens Broschüren, Internetseiten und Fallstudien das Thema Photovoltaik systematisch erarbeitet. Durch die Auswertung dieser gesammelten Informationen kommt es bei der Hausarbeit zu konkreten Veranschaulichungen und Aussagen in den jeweiligen Teilthemen.

Mit dieser wissenschaftlichen Arbeit, soll durch das kurze aber aussagekräftige Anreißen der genannten Teilthemen, dem Leser ein Basiswissen über die Photovoltaik vermittelt werden. Diese soll den Leser in die Lage versetzen, sich zu den technischen Funktionsweisen, aktuellen Anwendungsmöglichkeiten und der zukünftigen Bedeutung äußern zu können.

2. Geschichte der Photovoltaik

Alexandre Edmont Becquerel entdeckte 1839 die Photovoltaik. Er kam zu dieser Erkenntnis als er in seinem Labor bestimmte Substanzen mit Licht bestrahlt und dabei feststellte, dass Elektrizität entstand. Er konnte jedoch dieses Phänomen nicht erklären.

Die erste Solarzelle aus dem Halbleiterwerkstoff Selen wird 1883 hergestellt, da man entdeckte, dass mit diesem Material der photovoltaische Effekt besonders gut funktionierte. Diese Zelle wandelte nur 1% der eingestrahlten Energie in elektrischen Strom um.

Entdeckung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Abb. 1 „ A. Becquerel“)

Anwendung

Es dauerte weiter 33 Jahre bis die amerikanischen Wissenschaftler Fuller, Pearson und Chapin im Jahre 1954 die erste Silizium-Solarzelle entwickelten, die immerhin schon 5% Wirkungsgrad erreichte. Die praktische Anwendung der Photovoltaik beginnt 1958 mit dem US-Satelliten Vanguard I. Unfangreiche Forschungs- und Entwicklungsmaßnahmen der Raumfahrtunternehmen legen die Basis dafür, diese Technik auf der Erde zu nutzen. In den siebziger Jahren wird damit begonnen, Solarzellen für die Versorgung abgelegener technischer Einrichtungen einzusetzen.[1]

In Kalifornien geht 1982 das erste große Solarkraftwerk mit einem Megawatt Leistung ans Netz, ein Jahr später baut AEG in Deutschland ein Photovoltaikkraftwerk mit 300 Kilowatt Leistung auf der Nordseeinsel Pellworm.

Idee

Anfang der achtziger Jahre entstehen in Japan und den USA die ersten Versuchshäuser mit netzgekoppelten Solarstromanlagen. Mitte desselben Jahrzehnts kommen Tüftler aus Deutschland auf die Idee, Solarstrom vom Dach in das Stromnetz des eigenen Haushalts einzuspeisen. Eine der ersten Anlagen dieser Art läuft seit 1987 beim Solarpionier Wolfgang Babanek. Das Netzeinspeisegerät für sein Solarstrom-Kleinkraftwerk entwickelte er selbst.

Im Jahre 1990 beschließt der Deutsche Bundestag das Stromeinspeisegesetz (StrEG), das jedermann erlaubt Strom aus erneuerbaren Energiequellen in das Netz der öffentlichen Elektrizitätsversorgung einzuspeisen.[2]

Mit dem „1.000-Dächer-Programm“ des Bundesforschungsministeriums und der Bundesländer setzt sich die Idee der netzgekoppelten Stromanlagen endgültig durch. Wegen des großen Erfolgs dient es auch der japanischen Regierung als Vorbild für ihr eigenes Markteinführungsprogramm, das derzeit neben dem Deutschlands und dem der USA ehrgeizigste. Die japanische Wirtschaft erklärt, sie wollen den Weltmarkt für Solartechnik erobern.

Um die Erfolgsgeschichte der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland fortzuschreiben, beschließt der Deutsche Bundestag am 25. Februar 2000 das „Gesetz für den Vorgang erneuerbare Energien“ (Erneuerbare-Energie-Gesetz EEG), welches das „Stromeinspeisegesetz (StrEG)“ ablöst. Solarstromanlagen erhalten demnach eine deutlich höhere Einspeisevergütung von nunmehr 50 Cent je Kilowattstunde über eine Laufzeit von 20 Jahren. Altanlagen erhalten diese Vergütung ab 2000 20 Jahre lang, damit auch der Weiterbetrieb von Anlagen der „Solar-Pioniere„ sichergestellt ist. Solarzellen aus heutigen Serienfertigungen wandeln bis zu 18% des Sonnenlichtes in elektrische Energie um.[3]

3. Technische Prozesse und Verfahren

3.1 Aufbau + Funktionsweise

Photovoltaik bedeutet die direkte Umwandlung von Licht (Sonneneinstrahlung) in elektrische Energie durch Solarzellen. Dafür werden Halbleitermaterialien wie Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid oder Kupfer-Indium-Diselenid eingesetzt. Die kristalline Siliziumsolarzelle wird am häufigsten verwendet.[4] Die Solarzellen gewinnen Elektrizität durch den photoelektrischen Effekt aus der Energie des Lichts – ohne mechanische oder chemische Vorgänge, sie sind somit prinzipiell verschleiß- und wartungsfrei. Die Lebensdauer einer Solarzelle ist theoretisch unbegrenzt, denn bei der Stromgewinnung wird das Material nicht abgenutzt oder verbraucht; nur durch den unperfektionierten Zusammenbau der Solarzelle entstehen zeitliche Eingrenzungen.

Die Siliziumsolarzelle besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Silizium- Schichten. Die vom Sonnenlicht bestrahlte Schicht ist mit Phosphor negativ dotiert, d. h. mit Elektronenüberschuss gezielt verunreinigt, die darunter liegende Schicht ist mit Bor positiv dotiert (Elektronenmangel).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2 :Dotierung von Silizium[5]

Somit entsteht an der Grenzschicht ein entgegen der Dotierung gepoltes elektrisches Feld, welches zur Trennung der durch das Sonnenlicht freigesetzten Ladungen führt. Dadurch verstärkt sich bei Lichteinfluss der Elektronenüberschuss bzw. –mangel auf den jeweiligen Seiten. Wenn Licht auf eine Solarzelle trifft, werden Ladungen aus dem Material freigesetzt. Durch ihre Trennung in der Grenzschicht entsteht ein Energiepotential in Form einer elektrischen Spannung. Schließt man den Stromkreis zwischen den beiden Polen über einen Verbraucher, fließt Strom. Durch zwei metallische Kontakte, kann der Strom der Solarzelle entnommen werden.[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Aufbau und Funktion einer Solarzelle[7]

Auf der Rückseite kann man eine ganzflächige Kontaktschicht, eine Aluminium- oder Silberpaste beispielsweise, aufbringen. Die Vorderseite sollte hingegen möglichst gut lichtdurchlässig sein. Deshalb werden hier meist Kontakte in Form eines dünnen Gitters aufgebracht. Durch Aufdampfen einer dünnen Schicht (Antireflexschicht) aus Siliziumnitrid oder Titandioxid auf der Solarzellenvorderseite lässt sich die Lichtreflexion verringern und der Ertrag steigern. Die Antireflexschicht hat die Eigenschaft, dass die Oberfläche sehr stark aufgeraut ist, um die verschiedenen Brechungswinkel der Lichtphotonen in die Solarzelle zu lenken.

3.2 Solarzelle – Solarmodul – Solargenerator

Der kleinste Baustein der Photovoltaikanlage ist die Solarzelle, hergestellt aus Silizium. Man verkapselt mehrere elektrisch verbundene Solarzellen zu einem „Solarmodul“, um sie vor Witterungseinflüssen, wie Luft und Feuchtigkeit zu schützen. Die Qualität dieser Einkapselung ist ausschlaggebend über die Lebensdauer und damit für den Energieertrag dieses Solarmoduls. Somit ist die Lebensdauer nur theoretisch unendlich groß, aber durch den praktischen Unperfektionismus doch wiederum eingegrenzt. Die Anordnung vieler derartiger Module innerhalb einer Solaranlage wiederum nennt man auch „Solargenerator“[8], analog zum Kollektor und Kollektorfeld bei thermischen Solaranlagen. Dieser Solargenerator wird als netzgekoppelte Anlage mit Hilfe des so genannten Wechselrichters (siehe Punkt 3.4.2) betrieben.

3.3 Netzgekoppelte Photovoltaikanlage

Prinzipiell arbeitet eine netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage in drei Schritten:

1)Energiegewinnung:

Die Solarzellen im Solargenerator erzeugen elektrische Energie aus dem auftreffenden Licht. Es handelt sich dabei um Gleichstrom, wie er beispielsweise auch aus Batterien entnommen werden kann.

2)Stromwandlung:

Der Solargenerator erzeugt Gleichstrom. Dieser wird anschließend vom Wechselrichter (auch als Netzeinspeisegerät (NEG) bezeichnet) in netzkonformen Wechselstrom (230 Volt Wechselspannung) umgewandelt. Der Wechselrichter wird später unter Punkt 3.4.2 genauer erklärt.

3)Energienutzung:

Es gibt Inselanlagen und Netzgekoppelte Anlagen. Im Gegensatz zu Inselanlagen, bei denen der Solarstrom in Akkumulatoren gespeichert werden muss, speisen netzgekoppelte Solaranlagen die gewonnene Energie direkt in das öffentliche Stromnetz ein. Für die Einspeisung ins Netz wird ein separater Stromzähler eingerichtet. Die erzeugte Energie wird vom Netzbetreiber nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) vergütet.

Vorteile netzgekoppelter Photovoltaik-Anlagen

- Einfaches Prinzip: Photovoltaik- Anlagen sind unkomplizierte Kleinkraftwerke, die jeder Bauherr auf dem eigenen Haus errichten und betreiben kann. Dezentrale und umweltfreundliche Energiegewinnung wird damit für jedermann greifbar.
- Modularer Aufbau: Die Anlage kann klein begonnen und später erweitert werden.
- Kein Energiespeicher notwendig: Da der Strom im öffentlichen Netz sofort verbraucht wird, entfallen Speicherakkus.
- Kaum Wartung: Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen arbeiten vollautomatisch und üblicherweise störungs- und wartungsfrei.
- Attraktive Rahmenbedingungen: Die Netzeinspeisung des solar erzeugten Stroms wird durch einen Vertrag mit dem EVU geregelt, die Einspeisevergütung ist durch das EEG sichergestellt.

Inselsysteme haben nur noch einen geringen Stellenwert und werden deshalb hier nicht ausgiebig thematisiert.

Technische Notwendigkeiten

3.4.1 Bypass-Diode

Mehrere Zellen des Photovoltaik- Moduls sind in Reihe geschaltet. Kommt es zur Verschattung einer Zelle, verhält sich diese Zelle wie ein ohmscher Widerstand, d. h. als Stromverbraucher. Das gesamte Feld kann nur noch soviel Strom liefern, wie durch die verschattete Zelle fließt.[9] Diese erwärmt sich und kann beschädigt werden

(„hot spot“). „Hot-spot-Effekte“ müssen daher vermieden werden, um

– die Leistungsfähigkeit der Anlage nicht zu reduzieren
– eine Schädigung der abgeschatteten Zellen durch Überhitzung zu vermeiden.

Wird eine Zellenreihe verschattet, wird die Bypass-Diode leitend und der Strom wird an der Zellenreihe vorbeigeleitet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Bypass Diode[10]

[...]


[1] Seltmann, S. 15 - 17

[2] Seltmann, S. 15 - 17

[3] Seltmann, S. 15 - 17

[4] vgl. Photovoltaik - Strom aus der Sonne S.1

[5] www.filmscanner.info.de

[6] vgl. Photovoltaik - Strom aus der Sonne S.2

[7] http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/umwelt-technik/16solarzelle/funktion.htm

[8] http://www.wikipedia.de

[9] http://www.solaranlagen-portal.de/photovoltaik-solaranlagen/glossar/bypass-diode.htm

[10] http://www.solaranlagen-portal.de/photovoltaik-solaranlagen/glossar/bypass-diode.htm

Details

Seiten
35
Jahr
2006
ISBN (eBook)
9783638612708
ISBN (Buch)
9783640690220
Dateigröße
761 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v69115
Note
2,0
Schlagworte
Solar

Autoren

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    Bastian Aue (Autor)

    2 Titel veröffentlicht

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    Steffen Kruse (Autor)

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