Integrated Design: Photovoltaik Technologie - Anlagentechnik - Anwendung Vorlesung im Rahmen des MSc Studiengangs Fachbereich Bauingenieurwesen 12.12.2005 Dr. Karl Molter FH Trier

Integrated Design (PV) Inhalt Kurze Physik der Solarzelle Photovoltaik-Technologien Photovoltaik Anlagentechnik Photovoltaik: Gebäudeintegration 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

1. Kurze Physik der Solarzelle Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle Ladungstrennung: Der p/n-Übergang Solarzellen-Kennlinien 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Der photovoltaische Effekt und die Solarzelle Absorption von Licht im Festkörper hv Wirksame Trennung der Ladungsträger - + Erzeugung freier Ladungsträger Ergebnis: verschleißlose Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung von Solarstrahlung 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 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 Si + - - P B + n-leitendes Silizium p-leitendes Silizium 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Der p/n - Übergang hv - + p-Silizium + + + + + + + + + + + + - + + - - + elektrisches Feld E + - Diffusion - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + n-Silizium - - - - - - - - - - - - Raumladungszone 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Aufbau einer Si Solarzelle Vorderseitenkontakt - + hn Antireflex- Beschichtung n-Gebiet p-Gebiet ~0,2µm ~300µm metallisierte Rückseite Raumladungszone - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Solarzellen Kennlinien (cSi) P = 0,88W Rwr=0,18Ω P = 1,05W Rwr=0,23Ω P = 1,00W Rwr=0,31Ω 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

2. Photovoltaik-Technologien Ausgangsmaterialien Technologien Marktanteile und Marktentwicklung 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Ausgangsmaterialien Si Silizium (Si) Ge Germanium (Ge) Ga As Definition eines Halbleiters: Ausschlaggebend ist die Elektronenkonfiguration im Festkörper Si 14 Silizium (Si) Ausschnitt aus der Periodentafel Ge 32 Germanium (Ge) IIB IIIB IVB VB VIB IB Ga 31 As 33 Gallium-Arsenid (GaAs) Al 13 Sb 51 Aluminium-Antimon (AlSb) P 15 In 49 Indium-Phosphor (InP) Kupfer, Indium, Gallium, Selen (CIS) Cu 29 Se 34 In 49 Ga 31 Cd 48 Te 52 Cadmium-Tellurid (CdTe) 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Wirkungsgrade verschiedener Solarzellentypen (Theorie / Labor) 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Bewertung Monokristallines Silizium: 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                     12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Bewertung amorphes Silizium (a-Si): Produktionswirkungsgrad 6 – 8% Dünnschichttechnologie (<1µm), geringer Materialbedarf Preis für Rohsilizium schwankend Ausgereiftes, kostengünstiges Herstellungsverfahren garantierte Langzeitstabilität nur für Wirkungsgrade von 4 – 6% Material umweltverträglich 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Energierückzahlzeit (energy payback time (EPBT) 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Marktanteile 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Solarzellen-Hersteller 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Ende 2004: 3.700MW 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Weltweit installiert PV-Leistung 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

In Deutschland installierte PV-Leistung EEG 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Kosten PV-Module Lernkurve: Kosten pro Wp über kumulierter produzierter Leistung Stand Ende 2005 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 3. PV Anlagentechnik PV Systemtechnik Strahlungsangebot Erträge Baurechtliche Aspekte 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 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! 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Aufbau eines netzgekoppelten PV-Systems Solar- Generator Schutz- Diode Wechsel- richter DC AC 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) 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Wechselrichterkonzepte = ~ … zentral = ~ … modulintegriert = ~ … stringorientiert … = ~ multistringorientiert Netz 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Solare Einstrahlung in Deutschland Strahlungsatlas 2002 Nord-Süd-Gefälle zwischen ca. 900 und 1300 kWh/m² pro Jahr auf die Horizontale 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Solare Einstrahlung weltweit (kWh/m² a) auf die Horizontale 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Ertragsergebnis 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 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 CO2 Einsparung etc. 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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. 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

4. PV-Gebäudeintegration Photovoltaik als multifunktionales Element Beispiele Weiterführende Informationen 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 4.1 Witterungsschutz Regen- und Winddichtigkeit Windlastfestigkeit Klimawechselresistenz Alterungsbeständigkeit 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Beispiel: Kraftwerksturm Duisburg 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Beispiel: Vordach 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 4.2 Wärmedämmung In Kombination mit üblichen Konstruktionen und Wärmedämmstoffen Im Isolierglasverbund 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Beispiel: Tonnendach 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Beispiel: Schwimmbad 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 4.3 Wärme / Klima Kombination von PV mit thermischer Energiewandlung in der Gebäudehülle (Luft / Wasser) Verbesserung des PV-Wirkungsgrads 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 4.4 Verschattung Regelung über „Packungsdichte“ Verwendung semitransparenter Zellen 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Beispiel Verschattung PV-Doppelglasscheiben Im Atriumsbereich 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 4.5 Schalldämmung Schalldämm-Maß von 25dB durch Mehrschichtaufbau Höherer Wert durch Mehrscheibenisolier-glastechnik möglich 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

4.6 Elektromagnetische Schirmdämpfung Elektrisch leitende Elemente wirken wie ein „Faradayscher Käfig“ Reduzierung von Elektrosmog innerhalb von Gebäuden 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

4.7 Elektromagnetische Energiewandlung Integration einer Sende- oder Empfangsantenne in ein PV-Modul („solare Planar-Antenne“) 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Beispiel: Nachrichtenübertragung Computersimulation: Nachrichtenübertragung mit Solarer Planar-Antenne 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 4.8 Heizung Heizung durch „Rückstrom“ in speziell gestalteten Modulen möglich 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

4.9 Solare Energieerzeugung Ertrag abhängig von Material, Neigung, Ausrichtung, Aufbau … (teilweise) Amortisation der Fassade innerhalb des Lebenszyklus möglich! 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Beispiel: PV-Dach und Fassade, Hochhausfassade 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) 4.10 Design /Ästhetik PV Fassaden- und Dachelemente sind hochwertige Baumaterialien die den unterschiedlichsten Design-Anforderungen angepasst werden können 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Alwitra Solarfolie 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Solardachziegel 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Beispiel: Sporthalle Tübingen 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Beispiel: BP Showcase 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Beispiel: Feuerwehr 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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  Solarthemen   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 Sonnenzeitung   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 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Informationsquellen im Internet (Auswahl) OTTI Kolleg: (Seminare, Kurse Veranstaltungen, sehr gute Tagungsbände) Forschungsverbund Sonnenergie 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) Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien mit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschfaft und Forschung (IWR) Solarserver mit aktuellen Informationen aus Politik, Wirtschaft und Forschung Solarserver.de Software: Valentin Energiesoftware: PVSOL, Meteonorm Econzept Energieplanung: PVS2001 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

Integrated Design (PV) Diese Powerpoint Präsentation ist über den Sharepoint-Server von Herrn Lungershausen oder über meine Homepage www.fh-trier.de/~molter -> Lehrtätigkeit verfügbar. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 12.12.2005 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter