Solarenergie 29.11.2006 Andreas Fischer Heiko Herzog Marion Rimmele Stefan Wolf.

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1 Solarenergie 29.11.2006 Andreas Fischer Heiko Herzog Marion Rimmele Stefan Wolf

2 Energieangebot der Sonne Die Solarzelle - geschichtliche Entwicklung - Aufbau und Wirkungsweise Photovoltaische Solaranlagen - Betriebsarten - Schaltung von Solarzellen - Wirtschaftlichkeit Vor- und Nachteile der Solarenergie Gliederung

3 Energieangebot der Sonne

4 Daten zur Sonne: Masse m S = 1,989*10 30 kg (332943 mal größer als Erdmasse) Mittlerer Abstand von Erde r S-E = 150*10 6 km (150 Millionen km) abgestrahlte Leistung P S = 3,87*10 26 W Vergleich abgegebene Leistung Atomkraftwerk ca. P A = 1,3*10 9 W Vergleich abgegebene Leistung Kohlekraftwerk ca. P K = 0,4*10 9 W max. Druck im Zentrum p Z = 2*10 16 Pa = 2*10 11 bar (200 Milliarden bar) Temperatur im Zentrum v Z = 1,48*10 7 °C (14,8 Millionen °C) Temperatur an der Oberfläche v O = 6100°C Energieangebot der Sonne

5 Energieerzeugung durch Kernfusion: 2 H + 3 H = 4 He + 1 n + Energie Deuterium Tritium (1 Neutron) (2 Neutronen) Wasserstoff Isotope Energieangebot der Sonne

6 Einstrahlung auf der Erdoberfläche: Solarkonstante: S = 1368 W/m² = 1,37 kW/m² S eff = 1000 W/m² = 1 kW/m² Energieangebot der Sonne

7 Einstrahlungswinkel: Effektiv genutzte Fläche: A eff = A * sin β A: tatsächliche Fläche β: Auftreffwinkel der Sonnen- strahlen auf die Solarzellen P nutz = S eff * A eff Energieangebot der Sonne

8 Einstrahlungswinkel im Jahresverlauf: Energieangebot der Sonne

9 α : Einstrahlwinkel der Sonnenstrahlen zum Lot der Erdoberfläche φ : Breitengrad Frühling / Herbst: α = φ Winter: α = φ + 23,5° Sommer: α = φ – 23,5° Energieangebot der Sonne

10 Geschichtliche Entwicklung 1839: Erste Entdeckung durch Alexandre Edmond Becquerel, Erschaffung der Grundlagen 1873: Willoughby Smith - Erste Kontakte mit Selen 1876: Erkenntnis von William G. Adams: direkte Erzeugung von Elektrizität aus Licht

11 Geschichtliche Entwicklung 1907: Erklärung des lichtelektrischen Effekts durch Albert Einstein 1940: Entdeckung von Silizium durch Russel Ohl 1953: Erste gezielte Änderungen von Silizium durch Dotierung in den Bell Laboratories

12 Geschichtliche Entwicklung 1958: Erster Satellit im Weltall mit Fotovoltaikzellen zur Stützung der Energieversorgung 1973: Ölkrise - hohes Interesse an alternativen Energieträgern 1976: Aufschwung für Solarenergie durch erfolgreichen Einsatz im australischen "Outback"

13 Geschichtliche Entwicklung 1983: Wirtschaft: 21% des Weltmarktanteils der Fotovoltaik für USA 1991: Vorschlag für dezentrale Versorgung durch Markus Real => Stromeinspeisungsgesetz 2000: Erweiterung des Gesetzes zum Erneuerbare-Energien-Gesetz

14 Die Solarzelle  Aufbau einer Solarzelle: Sonnenstrahlen negative Elektrode Grenzschicht negativ dotiertes Silizium positiv dotiertes Silizium positive Elektrode Stromabgabe

15 Die Solarzelle p-Halbleitern-Halbleiter Loch negativ geladendes Ion Elektron positiv geladendes Ion  Der PN-Übergang:

16 Die Solarzelle Raumladungszone

17 Die Solarzelle  Der photovoltaische Effekt: Raumladungszone Sonnenstrahlen

18 Vorteile:  Meist hoher Wirkungsgrad  Kurze Energierücklaufzeit  Gut beherrschte Technik Nachteile:  Relativ kurze Lebensdauer Ergebnis:  Bisher günstigstes Preis-Leistungs Verhältnis Ergebnis:  Für den normalen Gebrauch nicht zu gebrauchen  Für Raumfahrt gut geeignet Vorteile:  geringe Herstellungskosten  Herstellung flexibler und leichter Solarzellen  hohe Umweltverträglichkeit  farbige Solarzellen für Architektur Nachteile:  deutlich schlechterer Wirkungsgrad  kurze Lebensdauer (max. 5000 h) Ergebnis:  noch nicht ausgereift  benötigt weitere Forschung Vorteile:  Hoher Wirkungsgrad  Sehr temperatur- beständig  Robust gegenüber UV- Strahlung Die Solarzelle Nachteile:  Sehr teuer Galliumarsenid (GaAs)Organisches MaterialSilizium  Verschiedene Material einer Solarzelle

19 Die Solarzelle  Verschiedene Arten einer Silizium-Solarzelle (Kristallaufbau) Monokristallines Silizium  Herstellung zu teuer  Wirkungsgrad sehr hoch  Im Weltraum sehr effektiv Amorphes Silizium  wenig Licht: Guter Wirkungsgrad  viel Licht: Schlechter Wirkungsgrad  nützlich für Taschen- rechner, Uhren, … Polykristallines Silizium  Durch Reinigung relativ teuer  Energierücklaufzeit am geringsten  am meisten verwendet

20 Die Solarzelle  Herstellungsverfahren des polykristallinen Siliziums Bridgman-Verfahren -Aufschmelzung durch Induktionsheizeizung -Langsame Abkühlung von unten nach oben  Entstehung von großen gleichgerichteten Kristallgittern -Ausbeute von 60%

21 Die Solarzelle Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) -Mit Zugverfahren: achteckiges Rohr aus der Siliziumschmelze ziehen -Länge: 6 – 7 m -Zurechtschneiden des Rohrs mittels Laserstrahl -Ausbeute von 80%

22 Fotovoltaische Solaranlagen Netzparallelbetrieb: –Direkte Einspeisung ins Stromnetz –Mindestkomponenten Solarmodule Wechselrichter „Stromzähler“ Versorgungsnetz

23 Fotovoltaische Solaranlagen Schematische Darstellung

24 Fotovoltaische Solaranlagen Inselbetrieb (autarker Betrieb ) : –Keine Netzkopplung –Mindestkomponenten Solarmodule Akkumulatoren –Bleiakkus –H 2 -Speicherung Laderegler

25 Fotovoltaische Solaranlagen Schematische Darstellung

26 Fotovoltaische Solaranlagen Schaltung von Solarzellen –Reihenschaltung

27 Fotovoltaische Solaranlagen Schaltung von Solarzellen –Parallelschaltung

28 Fotovoltaische Solaranlagen Schaltung von Solarzellen –Kombination

29 Wirtschaftlichkeit hohe Produktionskosten Anschaffungskosten für private Haushalte: 12.760€ - 16.840€ für Module, 1.750€ - 2.120€ für Wechselrichter "Gewinn" erst nach ca. 20 Jahren Einsatz der Anlage Abschließung einer Versicherung zum Vorbeugen von Kapitalverlusten

30 Wirtschaftlichkeit im Vergleich: nach 20 Jahren geringere Betriebskosten gegenüber anderen Energieformen schwankendes Energieangebot der Sonne - Speicherung der Energie? Speicherung der Energie oft nicht nötig, da direkte Kopplung der Anlagen mit Stromnetz Bei Speicherung der Energie: bis zu 50% Verlust

31 Vorteile unbegrenztes Energieangebot, da Sonne immer scheinen wird "gratis" Bereitstellung der Energie keinerlei Emission bei Stromerzeugung großer Vorrat an Material zur Herstellung der Zellen: Silizium - 2. häufigstes Element auf der Erde (27,5%)

32 Vorteile keine Kosten für Verteilungssysteme bei Ausfall eines zentralen Kraftwerks: große Reserven nötig bei dezentralen Anlagen jedoch geringe Wahrscheinlichkeit für Ausfall vieler kleiner Anlagen

33 Vorteile Anlagen für jeden zugänglich: in Zukunft weniger Abhängigkeit von Mineralöl  weniger Abhängigkeit von anderen Ländern Haltbarkeit bei 25-40 Jahren, Produktion der Energie zur Herstellung der Zelle nach etwa 2-5 Jahren  effektive Lebenszeit von 23-35 Jahren

34 Nachteile Herstellungskosten Silizium nicht in reiner Form vorhanden, Reinigung durch spezielle Verfahren nötig Energiegewinnung von Tages- und Jahreszeit abhängig im Sommer: Erzeugung des Stroms wesentlich effektiver, aber keine verlustfreie Möglichkeit für Speicherung der Energie

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit