Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im FB Umweltplanung/Umwelttechnik SS 2008 Dr. Karl Molter FH Trier www.fh-trier.de/~molter.

Präsentation zum Thema: "Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im FB Umweltplanung/Umwelttechnik SS 2008 Dr. Karl Molter FH Trier www.fh-trier.de/~molter."—  Präsentation transkript:

1 Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im FB Umweltplanung/Umwelttechnik SS 2008 Dr. Karl Molter FH Trier www.fh-trier.de/~molter

2 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 2 Inhalt 1.Kurze Physik der Solarzelle 2.Photovoltaik-Technologien 3.Photovoltaik Anlagentechnik 4.Photovoltaik: Gebäudeintegration

3 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 3 Einführung Photovoltaik (PV, Fotovoltaik), ist eine Technologie zur direkten Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie. Das Wachstum bei der Solarzellenproduktion betrug 2006 40%, die weltweit größten Hersteller waren Sharp (Jp, 17.1%), Q-cells (D,10.1%), Kyocera (Jp, 7.1%), Suntech (China, 6.3%). Unter den 10 größten Herstellern befinden sich drei deutsche Firmen (Q-Cells, Schott-Solar, SolarWorld) Bis Ende 2006 waren weltweit PV-Anlagen mit ca. 7.6GW (peak Power) produziert und installiert, davon allein im Jahr 2006 2.5GW (Anteil in Deutschland: 950MW). Die überwiegende Zahl der Anlagen sind netzgekoppelt. Finanzielle Anreizprogramme, wie beispielsweise garantierte Einspeisetarife haben die Nachfrage nach PV-Anlagen in Ländern wie Deutschland, Japan und den USA seit Anfang 2000 stark angeheizt.

4 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 4 1. Kurze Physik der Solarzelle Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle Ladungstrennung: Der p/n-Übergang Solarzellen-Kennlinien

5 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 5 Historie 1839: Entdeckung des (äußeren) lichtelektrischen Effekts durch Bequerel 1873: Entdeckung des (inneren) fotoelektrischen Effekts bei Selen 1954: Erste Silizium Solarzelle im Zuge der Entwicklung der Halbleitertechnologie (  = 5 %)

6 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 6 Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle 1.Absorption von Licht im Festkörper h - + 2.Erzeugung freier Ladungsträger 3.Wirksame Trennung der Ladungsträger Ergebnis: verschleißlose Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Solarstrahlung

7 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 7 Energiezustände in Festkörpern: Bänderschema Atom Molekül Festkörper Energieniveaus

8 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 8 wird beschrieben durch die Fermi-Dirac Funktion: Energiezustände in Festkörpern: Verteilung der Elektronen

9 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 9 Elektronenenergie Beim absoluten Nullpunkt nehmen alle Elektronen den niedrigst möglichen Energiezustand an. Sie können nun zwei Arten von Energie aufnehmen: Thermische Energie kT (k = Boltzmannkonstante, 1.381x10 -23 J/K, T = absolute Temperatur in Kelvin) Lichtquanten h (h = Plancksches Wirkungsquantum, 6.626x10 -34 Js, = Frequenz des Lichtquants in s -1. Wenn der aufgenommene Energiebetrag reicht, können die Elektronen die Bandlücke überwinden und vom Valenzband in das Leitungsband gelangen:

10 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 10 Energiezustände in Festkörpern: Isolator Elektronenenergie Leitungsband Valenzband Fermi- niveau E F Bandlücke E G (> 5 eV)

11 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 11 Begriffe: Ferminiveau E F : Grenze zwischen besetzten und unbesetzten Niveaus bei T = 0 K; Valenzband:höchstes Energieband unterhalb des Ferminiveaus, bei T = 0 K voll besetzt, die Elektronen sind örtlich fest gebunden Leitungsband:nächsthöheres Energieband, die Elektronen sind delokalisiert; Bandlücke E G :Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband

12 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 12 Energiezustände in Festkörpern: Metall/Leiter Elektronenenergie Leitungsband Fermi- niveau E F

13 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 13 Energiezustände in Festkörpern: Halbleiter Elektronenenergie Leitungsband Valenzband Fermi- niveau E F Bandlücke E G (  0,5 – 2 eV)

14 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 14 Energiezustände in Festkörpern: Energieaufnahme / -abgabe Elektronenenergie Leitungsband Valenzband EFEF + - h Generation + - h Rekombination x x

15 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 15 Energiezustände in Festkörpern physikalische Eigenschaften: Thermisch: Je größer die Bandlücke, desto geringer die Leitfähigkeit. Mit steigender Temperatur sinkt der elektrische Widerstand (Heißleiter) Optisch: Je größer die Bandlücke, desto geringer ist die Absorption von Lichtquanten (farbiges oder transparentes Material). Mit steigender Beleuchtung sinkt der elektrische Widerstand (Photowiderstand)

16 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 16 Halbleiter Zur Schaffung einer internen Barriere, die eine Trennung positiver und negativer Ladungsträger ermöglicht und die Rekombination verhindert, greift man auf das Prinzip der Dotierung von Halbleitern zurück: IIIBIVBVB Si 14 B 5 P 15 Unter Dotierung versteht man die Substitution von Gitteratomen des Kristalls durch Fremdatome mit anderer Wertigkeit. Das Halbleitermaterial ist i.A. vierwertig (z.B. Silizium). Dotiert wird beispielsweise mit Bor oder Phosphor:

17 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 17 N - Dotierung Si P+P+ - n-leitendes Silizium - Kristall Leitungsband Valenzband EFEF ----- P+P+ P+P+ P+P+ P+P+ P+P+ Freie Elektronen Donator Niveau Bandschema

18 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 18 P - Dotierung Si p-leitendes Silizium B-B- + + Kristall Leitungsband Valenzband EFEF B-B- B-B- B-B- B-B- B-B- „Freie“ Löcher Akzeptor Niveau + +++ + Bandschema

19 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 19 p - Gebiet EFEF B-B- B-B- B-B- B-B- B-B- +++ + n - Gebiet ---- P+P+ P+P+ P+P+ P+P+ P+P+ Der unbeleuchtete p/n-Übergang Bandschema + - - Diffusion (I D ) + Diffusion Diffusionsspannung + - EdEd UdUd Raumladungs- oder Feldzone

20 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 20 p - Gebiet EFEF B-B- B-B- B-B- B-B- B-B- +++ + n - Gebiet ---- P+P+ P+P+ P+P+ P+P+ P+P+ Der beleuchtete p/n-Übergang Bandschema (Absorption im p-Gebiet) + - + Photostrom Diffusionsspannung + - EdEd UdUd Raumladungs- oder Feldzone E = h -

21 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 21 Der unbeleuchtete p/n - Übergang (Halbleiterdiode) Kristall n-silicon - - - - - - p-silicon + + + + + + + - Diffusion - + elektrisches Feld E - - - - - - + + + + + + - - - - - - + - Raumladungszone / Verarmunsgzone - +

22 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 22 Der beleuchtete p/n – Übergang Kristall n-Silizium - - - - - - p-Silizium + + + + + + + - Diffusion - + elektrisches Feld E - - - - - - + + + + + + + - h - + - - - + Raumladungszone / Verarmungszone

23 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 23 Prozesse der Ladungstrennung im p/n - Übergang Diffusion: findet statt zwischen Zonen hoher Ladungsträgerkonzentration und geringer Konzentration (entlang des Gradienten des electrochemischen Potentials) Drift: findet statt aufgrund eines elektrostatischen Feldes entlang der Schicht

24 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 24 Antireflex- Beschichtung Aufbau einer Si Solarzelle ~0,2µm ~300µm Vorderseitenkontakt metallisierte Rückseite n-Gebiet p-Gebiet - + h Raumladungszone - - - - - + + + + +

25 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 25 Ersatzschaltbild einer Solarzelle RPRP U SG RSRS I SG RLRL ULUL ILIL IDID UDUD Strom- quelle I PH I PH: Photostrom der Solarzelle I D /U D :Strom und Spannung an der internen p-n Diode R P :paralleler Verlustwiderstand aufgrund Oberflächenin- homogenitäten und Verlustströmen an den Kanten der Solarzelle R S :serieller Verlustwiderstand aufgrund des Bahnwiderstands der Siliziumscheibe, der Kontakte und Anschlüsse I SG /U SG : Solargeneratorstrom und -spannung R L /I L /U L : Lastwiderstand, Spannung und Strom Es gilt: I SG = I L,U SG = U L

26 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 26 Idealisierte Kennlinie einer Solarzelle IDID I SG RLRL U D =U SG IDID I SG / P SG U SG Solargenerator- kennlinie I SG = I 0 = I K R L =0 R L =  Leistung UDUD Diodenkennlinie ID ID U0U0 Lastwiderstand U MPP MPP I MPP MPP = Maximum Power Point vereinfachtes Schaltbild

27 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 27 charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle Kurzschlußstrom I SC, I 0 oder I K : In weiten Grenzen proportional zur Einstrahlung Steigt um ca. 0,07% pro Kelvin Temperaturanstieg. Leerlaufspannung U 0, U OC oder V OC : Entspricht Spannung über interner Diode Steigt rasch mit zunehmender Einstrahlung typische Werte für Si: 0,5...0,9V Sinkt um ca. 0,4% pro Kelvin Temperaturanstieg.

28 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 28 charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle Leistung (MPP, Maximum Power Point) U MPP  (0,75... 0,9) U OC I MPP  (0,85... 0,95) I SC Die Leistung sinkt um ca. 0,4% pro Kelvin Temperaturanstieg Die Nennleistung einer Solarzelle wird bei international festgelegten Testbedingungen (G 0 = 1000 W/m 2, T Zelle = 25°C, AM 1,5) gemessen und in W P (Watt peak) angegeben.

29 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 29 Solarzellen Kennlinien (cSi) P = 0,88 W, (0,18  ) P = 1,05 W, (0,26  ) P = 1,00 W, (0,29  )

30 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 30 Kennlinienfeld einer Solarzelle

31 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 31 charakteristische Eigenschaften einer Solarzelle Der Füllfaktor (FF) einer Solarzelle ist definiert aus dem Quotienten von P MPP und dem Produkt aus Kurzschlussstrom I K und Leerlaufspannung U 0 FF = P MPP / U 0  I K Der Wirkungsgrad  einer Solarzelle ist das Verhältnis der auf die Vorderseite auftreffenden Strahlungsleistung AG G,g zur von der Zelle abgegebenen elektrischen Leistung P MPP :  = P MPP / AG G,g

32 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 32 2. Photovoltaik-Technologien Ausgangsmaterialien Technologien Marktanteile und Marktentwicklung

33 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 33 Ausgangsmaterialien Definition eines Halbleiters: Ausschlaggebend ist die Elektronenkonfiguration im Festkörper Ausschnitt aus der Periodentafel Si 14 Silizium (Si) Ge 32 Germanium (Ge) Ga 31 As 33 Gallium-Arsenid (GaAs) Cd 48 Te 52 Cadmium-Tellurid (CdTe) P 15 In 49 Indium-Phosphor (InP) Al 13 Sb 51 Aluminium-Antimon (AlSb) Kupfer, Indium, Gallium, Selen (CIS) Cu 29 Se 34 In 49 Ga 31 IIBIIIBIVBVBVIBIB

34 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 34 Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen (Theorie / Labor)

35 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 35 Ausnutzung der Sonnenstrahlung verschiedener Materialien kristallines Si Gallium-Antimon

36 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 36 Ausnutzung der Sonnenstrahlung verschiedener Materialien

37 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 37

38 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 38 Technologische Bewertungskriterien Ein gutes Potenzial für einen hohen Wirkungsgrad Verfügbarkeit der benötigten Materialien Akzeptable Preise für die Materialien Potential für kostengünstige Herstellungsverfahren Stabilität der Eigenschaften über Jahrzehnte Umweltverträglichkeit der Materialien und Herstellungsverfahren

39 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 39 +Produktionswirkungsgrad 15 - 18% (>23% im Labor) –großer Materialeinsatz nötig –Preis für Rohsilizium schwankend +ausgereifte Herstellungsverfahren,aber energieintensiv, Verbilligung durch EFG und Bänder- Technologie +Hohe Langzeitstabilität +Material umweltverträglich +z.Zt. zweitgrößter Marktanteil Bewertung Monokristallines Silizium:

40 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 40 Bewertung Multikristallines Silizium: +Produktionswirkungsgrad 12 - 14% –großer Materialeinsatz nötig –Preis für Rohsilizium schwankend +ausgereifte Herstellungsverfahren,weniger energieintensiv als mono-Si +Hohe Langzeitstabilität +Material umweltverträglich +z.Zt. größter Marktanteil

41 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 41 Bewertung amorphes Silizium (a-Si): –Produktionswirkungsgrad 6 – 8% +Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer MaterialbedarfDünnschichttechnologie –Preis für Rohsilizium schwankend +Ausgereiftes, kostengünstiges Herstellungsverfahren –garantierte Langzeitstabilität nur für Wirkungsgrade von 4 – 6% +Material umweltverträglich

42 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 42 +Produktionswirkungsgrade 11 – 14% +Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer MaterialbedarfDünnschichttechnologie +Herstellung grossflächiger Module in einem Schritt +gute Langzeitstabilität –Materialien nicht unbedenklich (Se, geringe Mengen Cd) Bewertung Kupfer, Indium, Diselenid (CIS)

43 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 43 +Produktionswirkungsgrade teils bis 18% –Relativ exotische Ausgangsmaterialien –Teils sehr hohe Materialpreise –Herstellungsverfahren in vielen Fällen noch nicht grosserientauglich –Langzeitstabilität noch nicht umfassend getestet –Materialien nicht unbedenklich (insbesondere As, Cd) Bewertung GaAs, CdTe und andere

44 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 44 Herstellungsverfahren 1. Silizium Wafertechnologie (mono- oder multikristallin) Säulenherstellung Scheibenherstellung Scheibenreinigung Qualitätskontrolle Wafer Reinstsilicium 99.999999999% Vorkommen: Siliziumoxid (SiO 2 ) = Quarzsand Schmelzen / Kritallisieren SiO 2 + 2C = Si + 2CO Mechanisches Schneiden Dicke ca. 300µm Minimale Dicke: ca. 100µm Typische Wafergrösse: 10 x 10 cm 2 bis 15 x 15 (6‘‘) cm 2 Herstellerfirmen Silizium Wafer

45 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 45 Herstellungs verfahren mono- oder multikristallines Si

46 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 46 Herstellungsverfahren EFG: Edge-definded Film-fed Growth Weniger energieintensiv als Kristallziehverfahren Dicke: ca. 100µm Weniger Si Abfall, da kein Sägen notwendig Silizium Band-Ziehverfahren

47 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 47 Herstellungsverfahren Silizium Band-Ziehverfahren (EFG)

48 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 48 Herstellungsverfahren Halbleitermaterialien werden grossflächig aufgedampt Dicke: ca. 1µm Flexible Unterlage möglich Weniger energieintensiv als Si Verfahren Geringer Materialverbrauch Typische Produktionsgrösse: 1 x 1 m 2 Dünnschichtverfahren (CIS, CdTe, a:Si,... ) CIS Module

49 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 49 Entwicklungstrends Dünnschichttechnologie –Geringer Materialverbrauch –Flexible Zellen –Fertigung großflächiger Module in einem Schritt Wirkungsgradverbesserung –Tandemzellen zur besseren Ausnutzung des Sonnenspektrums –Light Trapping, Verbesserung der Absorptionseigenschaften –Transparente Kontaktierung –Beidseitig nutzbare Zellen (bifacial cells) –Konzentratorzellen (thermische Belastung, Optik->direkte Strahlung, Nachführung)

50 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 50 Tandem- zelle Schema einer Multispektralzelle auf der Basis der Chalkopyrite Cu(In,Ga)(S,Se)2

51 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 51 Dünner Si-Wafer

52 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 52 Verlust-Minimierung: Kontaktierung Laserkontaktierung Rückseitenkontaktierung (Emitter und Basis auf der Rückseite) Schrägbedampfung

53 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 53 Verlust-Minimierung: Texturierung / Reflexion

54 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 54 Energierückzahlzeit energy payback time (EPBT) BOS: Balance of System = Wechselrichter, Kabel, Transport, Aufbau …

55 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 55 Energierückzahlzeit (energy payback time (EPBT)

56 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 56 Marktanteile

57 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 57 Marktanteile

58 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 58 Solarzellen-Hersteller

59 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 59 Solarzellen-Hersteller 2007

60 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 60 Produktion weltweit

61 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 61 Marktanteile

62 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 62 Weltweit installierte PV-Leistung

63 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 63 In Deutschland installierte PV-Leistung

64 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 64 Vergleich USA, Deutschland, Japan

65 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 65 Kosten PV-Zellen Lernkurve: Kosten pro Wp über kumulierter produzierter Leistung

66 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 66 3. PV Anlagentechnik PV Systemtechnik Strahlungsangebot Erträge Baurechtliche Aspekte

67 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 67 PV-Systeme Eine Solarzelle produziert wegen der geringen Fläche nur eine geringe Leistung. Um höhere Leistungen zu erreichen schaltet man einzelne Zellen zu Modulen zusammen. Große PV-Anlagen wiederum bestehen aus einer entsprechenden Verschaltung einer Vielzahl von Modulen.

68 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 68 PV Module Serienschaltung einzelner Zellen zur Erzielung höherer Spannungen: PV-Modul Typische Leerlaufspannung bei 36 Zellen: 36 * 0,7V = 25V Problem: Ausfall einzelner Zellen durch Verschattung oder Defekt beeinträchtigt alle Zellen der Serie!

69 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 69 PV Module Verknüpfung von Solarzellen : Bypass-Dioden zum Schutz einzelner Zellen oder Zellenstränge:

70 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 70 PV –Module Glas / Folie Glas / Glas

71 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 71 Solarmodulherstellung

72 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 72 Aufbau eines netzgekoppelten PV-Systems Solar- Generator Wechsel- richter DC AC Schutz- Diode Ver- brau- cher Wechsel- Strom Netz Grid Das Netz übernimmt die Funktion des Energiespeichers Bei Ausfall des Netzes (Grid) muss der Wechselrichter den Solargenerator automatisch vom Netz nehmen (Automatische Netzfreischaltung ENS)

73 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 73 Wechselrichterkonzepte Netz = ~ = ~ … modulintegriert = ~ ……… zentral = ~ = ~ … … …… stringorientiert … … …… = = = = = ~ multistringorientiert

74 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 74 Typischer Wirkungsgrad-Verlauf eines Wechselrichters

75 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 75 Aufbau eines PV-Inselsystems Wechselspannungsverbraucher Solar- Generator Lade- regler DC Hinzu kommen Zusatzkomponenten wie Kabel, Halterungen, Gehäuse, Schalter etc. Schutz- Diode Fuse Spannungs- aufbe- reitung DC AC Ver- brau- cher Batterie

76 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 76 Solargenerator Der Solargenerator ist in Spannung und Leistung auf den Speicher und den Verbraucher bzw. bei netzgekoppelten Systemen auf den Wechselrichter abzustimmen Dies erreicht man durch geeignete Parallel- und Serienschaltung von Modulen Inselsystem ohne Wechselrichter werden meist als 12V oder 24V und seltener 48V Gleichspannungssysteme ausgelegt. Um Spannungsverluste am Laderegler und der Verkabelung auszugleichen, sollte die Nennspannung der verwendeten Module ca. 3 bis 5 V oberhalb der Systemspannung liegen

77 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 77 Solargenerator Die Dimensionierung des Solargenerators hängt auch von den solaren Einstrahlungsbedingungen des Standortes ab: Soll ein Deckungsgrad von 100% erreicht werden, dimensioniert man das System nach dem Zeitraum, in dem die solare Einstrahlung am niedrigsten ist (in unseren Breiten: Dezember / Januar) Ausrichtung (Azimut) auf der Nordhalbkugel nach Süden, auf der Südhalbkugel nach Norden (Abweichungen von ± 30° wirken sich um weniger als 5% im Energieertrag aus Faustformel: Neigungswinkel ~ Breitengrad Steiler: höherer Ertrag im Frühling / Herbst Flacher: Höherer Ertrag im Sommer Sonnenstandsnachführung ist aufwendig und rechnet sich meist nicht gegen einen höheren Energieertrag von 10 – 15%

78 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 78 Einstrahlungscharakteristik

79 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 79 Solares Strahlungsangebot

80 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 80 Solare Einstrahlung in Deutschland Strahlungsatlas 2002 Nord-Süd-Gefälle zwischen ca. 900 und 1300 kWh/m² pro Jahr auf die Horizontale

81 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 81 Solare Einstrahlung weltweit (kWh/m² a) auf die Horizontale

82 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 82 Mittlere Einstrahlung 1991-1993 weltweit

83 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 83 Ertragsergebnis

84 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 84 Ertragsparameter Abhängig von: Standort / Klima Mitteleuropa: 700 – 900 kWh pro kWp installierter Leistung Ausrichtung (Neigung, Azimut) ± 20°  ± 5% Ertragseinbuße PV-Technologie bestimmt u.a. Flächenbedarf/Wirkungsgrad Zusatznutzen bzw. Einspareffekten netzferne Stromversorgung, weitere vgl. Abschnitt 4 Ökobilanz CO 2 Einsparung etc. Gesamtnutzungsgrad eines PV-Systems: ca. 10%

85 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 85 Stromgestehungskosten (€cent/KWh)

86 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 86 Vergütung von Solarstrom (EEG, in Deutschland) Voraussetzung: 100% Netzeinspeisung Degression: 5 % jährlich ab 2005, bei Freiflächenanlagen: 6,5 % ab 2006 Jahr20042005200620072008 Gebäudeanlagen57,4 ct54,53 ct51,80 ct49,21 ct46,75 ct ab 30 kW54,6 ct 51,87 ct 49,28 ct46,82 ct44,48 ct ab 100 kW54,0 ct51,30 ct48,74 ct46,30 ct43,99 ct Fassadenbonus5,005,00 ct Freilandanlagen45,7 ct43,42 ct40,60 ct37,96 ct35,49 ct

87 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 87 Baurechtliche Aspekte Regelung durch Landesbauordnungen: In der Regel sind Solaranlagen genehmigungsfrei, sofern sie an der Fassade, auf Flachdächern oder in der Dachfläche errichtet werden. Ausnahmen: Denkmalschutz, ggf. hervorspringende Objekte, Bebauungsplan Für eine Freiflächenanlagen wird auf jeden Fall eine Baugenehmigung benötigt.

88 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 88 Statische Anforderungen Dachintegration Zusätzliche Dachlast durch PV-Anlage: ca. 0,25 kN/m², in der Regel weniger als 15 % der Gesamtlast, für die der Dachstuhl ausgelegt ist. Ggf. individuelle Prüfung bei Steildach oder windexponierten Standorten Fassadenintegration: Jeweils Gesamtbetrachtung der Fassadenkonstruktion erforderlich

89 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 89 4. PV-Gebäudeintegration Photovoltaik als multifunktionales Element Beispiele Weiterführende Informationen

90 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 90 4.1 Witterungsschutz Regen- und Winddichtigkeit Windlastfestigkeit Klimawechselresistenz Alterungsbeständigkeit

91 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 91 Beispiel: Kraftwerksturm Duisburg

92 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 92 Beispiel: Vordach

93 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 93 4.2 Wärmedämmung In Kombination mit üblichen Konstruktionen und Wärmedämmstoffen Im Isolierglasverbund

94 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 94 Beispiel: Tonnendach

95 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 95 Beispiel: Schwimmbad

96 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 96 4.3 Wärme / Klima Kombination von PV mit thermischer Energiewandlung in der Gebäudehülle (Luft / Wasser) Verbesserung des PV-Wirkungsgrads

97 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 97 4.4 Verschattung Regelung über „Packungsdichte“ Verwendung semitransparenter Zellen

98 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 98 Beispiel Verschattung PV-Doppelglasscheiben Im Atriumsbereich

99 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 99 4.5 Schalldämmung Schalldämm-Maß von 25dB durch Mehrschichtaufbau Höherer Wert durch Mehrscheibenisolier- glastechnik möglich

100 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 100 4.6 Elektromagnetische Schirmdämpfung Elektrisch leitende Elemente wirken wie ein „Faradayscher Käfig“ Reduzierung von Elektrosmog innerhalb von Gebäuden

101 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 101 4.7 Elektromagnetische Energiewandlung Integration einer Sende- oder Empfangsantenne in ein PV-Modul („solare Planar- Antenne“)

102 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 102 Beispiel: Nachrichtenübertragung Computersimulation: Nachrichtenübertragung mit Solarer Planar-Antenne

103 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 103 4.8 Heizung Heizung durch „Rückstrom“ in speziell gestalteten Modulen möglich

104 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 104 4.9 Solare Energieerzeugung Ertrag abhängig von Material, Neigung, Ausrichtung, Aufbau … (teilweise) Amortisation der Fassade innerhalb des Lebenszyklus möglich!

105 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 105 Beispiel: PV-Dach und Fassade, Hochhausfassade

106 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 106 4.10 Design /Ästhetik PV Fassaden- und Dachelemente sind hochwertige Baumaterialien die den unterschiedlichsten Design-Anforderungen angepasst werden können

107 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 107 Alwitra Solarfolie

108 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 108 Solardachziegel

109 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 109 Beispiel: Sporthalle Tübingen

110 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 110 Beispiel: BP Showcase

111 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 111 Beispiel: Feuerwehr

112 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 112 Fachzeitschriften (Auswahl) Photon - das Solarstrom-Magazin Solar Verlag GmbH Wilhelmstraße 34 52070 Aachen Tel.: ++49-(0)241 / 470 550 Fax: ++49-(0)241 / 470 559 SolarthemenSolarthemen Guido Bröer und Andreas Witt GbR Freies Redaktionsbüro für Umwelt- und Zukunftsfragen Bültestr. 85 32545 Bad Oeynhausen Tel.: ++49-(0)5731/83460 Fax: ++49-(0)5731/83469 Solarzeitalter Neckar-Verlag GmbH Postfach 1820 78008 Villingen-Schwenningen Tel.: ++49-(0)7721 / 8987-0 Sonnenenergie DGS-Sonnenenergie Verlags- GmbH Augustenstr. 79 80333 München Tel.: ++49-(0)89 / 52 40 71 Fax: ++49-(0)89 / 52 16 68 Sonnenenergie & Wärmetechnik Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG Postfach 100 653 33506 Bielefeld Tel.: ++49-(0)521 / 595-0 Fax.: ++49-(0)521 / 595-531 SonnenzeitungSonnenzeitung URANUS Verlag Lange Gasse 48/5 A-1080 Wien Tel: +43 1 403 91 11 Fax: +43 1 403 91 13 e-mail: sonnenzeitung@uranus.at

113 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 113 Informationsquellen im Internet (Auswahl) OTTI Kolleg: (Seminare, Kurse Veranstaltungen, sehr gute Tagungsbände) Forschungsverbund Sonnenergie Forschungsverbund Sonnenergie (8 Mitgliedsinstitute) Forschungsverbund Sonnenergie (8 Mitgliedsinstitute) Solarserver der TU-Berlin,AG Erneuerbare Energien TU-Berlin: Institut für Elektrische Energietechnik Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien (mit grosser Adressedatenbank zum Thema Solarenergie) TU-Berlin: Institut für Elektrische Energietechnik Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien (mit grosser Adressedatenbank zum Thema Solarenergie) Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien mit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschfaft und Forschung (IWR) (IWR) Solarserver mit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschaft und Forschung Solarserver.de Solarserver.de Software: –Valentin Energiesoftware: PVSOL, MeteonormPVSOL, Meteonorm –Econzept Energieplanung: PVS2001PVS2001

114 SS 2008UP/UT Dr. Karl Molter 114 Diese Powerpoint Präsentation ist über meine Homepage www.fh-trier.de/~molterwww.fh-trier.de/~molter -> Lehrtätigkeit verfügbar. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!