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Integrated Design: Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im Rahmen des MSc Studiengangs Fachbereich Bauingenieurwesen 12.12.2005.

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Präsentation zum Thema: "Integrated Design: Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im Rahmen des MSc Studiengangs Fachbereich Bauingenieurwesen 12.12.2005."—  Präsentation transkript:

1 Integrated Design: Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im Rahmen des MSc Studiengangs Fachbereich Bauingenieurwesen Dr. Karl Molter FH Trier

2 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 2 Inhalt 1.Kurze Physik der Solarzelle 2.Photovoltaik-Technologien 3.Photovoltaik Anlagentechnik 4.Photovoltaik: Gebäudeintegration

3 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 3 1. Kurze Physik der Solarzelle Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle Ladungstrennung: Der p/n-Übergang Solarzellen-Kennlinien

4 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 4 Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle 1.Absorption von Licht im Festkörper hv Erzeugung freier Ladungsträger 3.Wirksame Trennung der Ladungsträger Ergebnis: verschleißlose Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Solarstrahlung

5 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 5 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: Si P - n-leitendes Silizium p-leitendes Silizium B + - +

6 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 6 Der p/n - Übergang n-Silizium p-Silizium Diffusion - + elektrisches Feld E hv Raumladungszone

7 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 7 Antireflex- Beschichtung Aufbau einer Si Solarzelle ~0,2µm ~300µm Vorderseitenkontakt metallisierte Rückseite n-Gebiet p-Gebiet - + h Raumladungszone

8 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 8 Solarzellen Kennlinien (cSi) P = 0,88W R wr =0,18Ω P = 1,05W R wr =0,23Ω P = 1,00W R wr =0,31Ω

9 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 9 2. Photovoltaik-Technologien Ausgangsmaterialien Technologien Marktanteile und Marktentwicklung

10 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 10 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

11 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 11 Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen (Theorie / Labor)

12 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 12 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

13 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 13 +Produktionswirkungsgrad % (>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:

14 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 14 Bewertung Multikristallines Silizium: +Produktionswirkungsgrad % –großer Materialeinsatz nötig –Preis für Rohsilizium schwankend +ausgereifte Herstellungsverfahren,weniger energieintensiv als mono-Si +Hohe Langzeitstabilität +Material umweltverträglich +z.Zt. größter Marktanteil

15 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 15 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

16 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 16 Energierückzahlzeit (energy payback time (EPBT)

17 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 17 Marktanteile

18 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 18 Solarzellen-Hersteller

19 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 19 Ende 2004: 3.700MW

20 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 20 Weltweit installiert PV-Leistung

21 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 21 In Deutschland installierte PV-Leistung EEG

22 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 22 Kosten PV-Module Lernkurve: Kosten pro Wp über kumulierter produzierter Leistung Stand Ende 2005

23 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter PV Anlagentechnik PV Systemtechnik Strahlungsangebot Erträge Baurechtliche Aspekte

24 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 24 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!

25 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 25 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)

26 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 26 Wechselrichterkonzepte Netz = ~ = ~ … modulintegriert = ~ ……… zentral = ~ = ~ … … …… stringorientiert … … …… = = = = = ~ multistringorientiert

27 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 27 Solare Einstrahlung in Deutschland Strahlungsatlas 2002 Nord-Süd-Gefälle zwischen ca. 900 und 1300 kWh/m² pro Jahr auf die Horizontale

28 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 28 Solare Einstrahlung weltweit (kWh/m² a) auf die Horizontale

29 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 29 Ertragsergebnis

30 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 30 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 Aktueller Vergütung (EEG) 2004: 45,7 bis 62,4 Cent, 2005: 43,42 bis 59,53 Cent Zusatznutzen bzw. Einspareffekten netzferne Stromversorgung, weitere vgl. Abschnitt 4 Ökobilanz CO 2 Einsparung etc.

31 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 31 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.

32 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 32 Statische Anforderungen Dachintegration Zusätzliche Dachlast durch PV-Anlage: ca. 0,25 kN/m², in der Regel weniger als 15 % der Gesamt- last, für die der Dachstuhl ausgelegt ist (Wohngeb.). Ggf. individuelle Prüfung bei Industriebau, Steildach oder windexponierten Standorten Fassadenintegration: Jeweils Gesamtbetrachtung der Fassadenkonstruktion erforderlich

33 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter PV-Gebäudeintegration Photovoltaik als multifunktionales Element Beispiele Weiterführende Informationen

34 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Witterungsschutz Regen- und Winddichtigkeit Windlastfestigkeit Klimawechselresistenz Alterungsbeständigkeit

35 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 35 Beispiel: Kraftwerksturm Duisburg

36 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 36 Beispiel: Vordach

37 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Wärmedämmung In Kombination mit üblichen Konstruktionen und Wärmedämmstoffen Im Isolierglasverbund

38 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 38 Beispiel: Tonnendach

39 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 39 Beispiel: Schwimmbad

40 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Wärme / Klima Kombination von PV mit thermischer Energiewandlung in der Gebäudehülle (Luft / Wasser) Verbesserung des PV-Wirkungsgrads

41 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Verschattung Regelung über Packungsdichte Verwendung semitransparenter Zellen

42 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 42 Beispiel Verschattung PV-Doppelglasscheiben Im Atriumsbereich

43 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Schalldämmung Schalldämm-Maß von 25dB durch Mehrschichtaufbau Höherer Wert durch Mehrscheibenisolier- glastechnik möglich

44 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Elektromagnetische Schirmdämpfung Elektrisch leitende Elemente wirken wie ein Faradayscher Käfig Reduzierung von Elektrosmog innerhalb von Gebäuden

45 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Elektromagnetische Energiewandlung Integration einer Sende- oder Empfangsantenne in ein PV-Modul (solare Planar- Antenne)

46 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 46 Beispiel: Nachrichtenübertragung Computersimulation: Nachrichtenübertragung mit Solarer Planar-Antenne

47 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Heizung Heizung durch Rückstrom in speziell gestalteten Modulen möglich

48 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Solare Energieerzeugung Ertrag abhängig von Material, Neigung, Ausrichtung, Aufbau … (teilweise) Amortisation der Fassade innerhalb des Lebenszyklus möglich!

49 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 49 Beispiel: PV-Dach und Fassade, Hochhausfassade

50 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter Design /Ästhetik PV Fassaden- und Dachelemente sind hochwertige Baumaterialien die den unterschiedlichsten Design-Anforderungen angepasst werden können

51 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 51 Alwitra Solarfolie

52 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 52 Solardachziegel

53 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 53 Beispiel: Sporthalle Tübingen

54 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 54 Beispiel: BP Showcase

55 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 55 Beispiel: Feuerwehr

56 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 56 Fachzeitschriften (Auswahl) Photon - das Solarstrom-Magazin Solar Verlag GmbH Wilhelmstraße Aachen Tel.: ++49-(0)241 / Fax: ++49-(0)241 / SolarthemenSolarthemen Guido Bröer und Andreas Witt GbR Freies Redaktionsbüro für Umwelt- und Zukunftsfragen Bültestr Bad Oeynhausen Tel.: ++49-(0)5731/83460 Fax: ++49-(0)5731/83469 Solarzeitalter Neckar-Verlag GmbH Postfach Villingen-Schwenningen Tel.: ++49-(0)7721 / Sonnenenergie DGS-Sonnenenergie Verlags- GmbH Augustenstr München Tel.: ++49-(0)89 / Fax: ++49-(0)89 / Sonnenenergie & Wärmetechnik Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG Postfach Bielefeld Tel.: ++49-(0)521 / Fax.: ++49-(0)521 / SonnenzeitungSonnenzeitung URANUS Verlag Lange Gasse 48/5 A-1080 Wien Tel: Fax:

57 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 57 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

58 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter 58 Diese Powerpoint Präsentation ist über den Sharepoint-Server von Herrn Lungershausen oder über meine Homepage -> Lehrtätigkeit verfügbar. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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