Integrated Design: Photovoltaik

Präsentation zum Thema: "Integrated Design: Photovoltaik"—  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)
Inhalt Kurze Physik der Solarzelle Photovoltaik-Technologien Photovoltaik Anlagentechnik Photovoltaik: Gebäudeintegration 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 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

4 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 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

5 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 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

10 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) Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

15 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 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

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

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

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

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

24 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! Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

25 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) Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

44 4.6 Elektromagnetische Schirmdämpfung
Elektrisch leitende Elemente wirken wie ein „Faradayscher Käfig“ Reduzierung von Elektrosmog innerhalb von Gebäuden Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

45 4.7 Elektromagnetische Energiewandlung
Integration einer Sende- oder Empfangsantenne in ein PV-Modul („solare Planar-Antenne“) Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

48 4.9 Solare Energieerzeugung
Ertrag abhängig von Material, Neigung, Ausrichtung, Aufbau … (teilweise) Amortisation der Fassade innerhalb des Lebenszyklus möglich! Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

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

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

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

56 Fachzeitschriften (Auswahl)
Photon - das Solarstrom-Magazin Solar Verlag GmbH  Wilhelmstraße 34  Aachen  Tel.: ++49-(0)241 /   Fax: ++49-(0)241 /   Solarthemen   Guido Bröer und Andreas Witt GbR  Freies Redaktionsbüro für Umwelt- und Zukunftsfragen  Bültestr. 85  Bad Oeynhausen  Tel.: ++49-(0)5731/83460  Fax: ++49-(0)5731/83469  Solarzeitalter   Neckar-Verlag GmbH  Postfach 1820  Villingen-Schwenningen  Tel.: ++49-(0)7721 /   Sonnenenergie   DGS-Sonnenenergie Verlags-GmbH  Augustenstr. 79  München  Tel.: ++49-(0)89 /   Fax: ++49-(0)89 / Sonnenenergie & Wärmetechnik   Bielefelder Verlagsanstalt GmbH & Co. KG  Postfach   Bielefeld  Tel.: ++49-(0)521 / 595-0  Fax.: ++49-(0)521 / Sonnenzeitung   URANUS Verlag  Lange Gasse 48/5  A-1080 Wien  Tel:   Fax:   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) 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 Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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