Evaluierung eines Photovoltaikkraftwerks von der Beratung des Kunden bis zur Endmontage- und Inbetriebnahme vor Ort
©2007
Diplomarbeit
167 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Einleitung:
Die Sonne ist der beherrschende Himmelskörper in unserem Planetensystem, zu dessen Gesamtmasse sie mit einem Anteil von 99,9% beiträgt. Sämtliche freiwerdende Energie stammt aus einer als Kern bezeichneten Zone, wo rund 50% der Sonnenmasse konzentriert sind, obwohl dieser Kern nur 1,6% des Sonnenvolumens ausmacht. Der Bevölkerung der Erde steht mehr umweltschonende Energie zur Verfügung als sie jemals benötigen wird. Durch die Photovoltaik kann diese unerschöpfliche Energie genutzt werden.
Sogar in Deutschland gibt es genug Sonnenstunden für die Nutzung der Photovoltaik, denn pro Quadratmeter erhalten wir durchschnittlich 50 Prozent der Strahlungsintensität, die auf die Sahara trifft. Selbst bei bedecktem Himmel liefert eine Photovoltaikanlage einen prozentualen Anteil Strom. Allein aus regenerativen Energien könnte der gesamte Strombedarf in Deutschland gedeckt werden. Sogar der Branchenumsatz hat sich in den vergangenen 8 Jahren um mehr als das 49-Fache gesteigert.
Die Photovoltaik wandelt die Sonnenenergie ohne mechanische, chemische oder thermische Zwischenschritte in Strom um und steht damit für den Inbegriff der umweltfreundlichen Energieversorgung. Es entstehen weder Schadstoffe (Emissionen) noch Lärm. Im Vergleich zu dem üblichen Strommix in Deutschland aus Atomenergie, Kohle, Gas und Wasser spart photovoltaisch erzeugter Strom 585 Gramm CO2-Emissionen pro Kilowattstunde ein. Die heutigen Photovoltaikanlagen sind mittlerweile zu ausgereiften Hightech-Produkten geworden und setzen sich in Deutschland, sowie weltweit immer stärker durch.
Sie bestehen zudem aus Materialien wie: Aluminium für die Rahmen, Glas für die Moduloberflächen und Sand für die Siliziumsolarzellen, die in großen Mengen zu Verfügung stehen und recycelt werden können. Der Trend geht aber mittlerweile zu dünnen Solarmodulen (Dünnschichttechnik), die auch PV-Plates genannt werden. Die Photovoltaik ist mittlerweile in jeder Stadt, auf Dächern von Eigenheimen und Unternehmen sowie öffentlichen Gebäuden zum Trend geworden, da die Photovoltaikbranche nach wie vor boomt. Diese vielen Pluspunkte sprechen für die Photovoltaik, die die nötigen Antworten auf die Folgen der weltweiten Klimaerwärmung liefert und den Solarstrom zum Energielieferant der Zukunft machen.
Trotz alledem werden jährlich durch das Pyromane Energiesystem ca. 36 Mrd. Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre verfeuert, was aufgrund der Umweltbelastung und der daraus entstehenden […]
Die Sonne ist der beherrschende Himmelskörper in unserem Planetensystem, zu dessen Gesamtmasse sie mit einem Anteil von 99,9% beiträgt. Sämtliche freiwerdende Energie stammt aus einer als Kern bezeichneten Zone, wo rund 50% der Sonnenmasse konzentriert sind, obwohl dieser Kern nur 1,6% des Sonnenvolumens ausmacht. Der Bevölkerung der Erde steht mehr umweltschonende Energie zur Verfügung als sie jemals benötigen wird. Durch die Photovoltaik kann diese unerschöpfliche Energie genutzt werden.
Sogar in Deutschland gibt es genug Sonnenstunden für die Nutzung der Photovoltaik, denn pro Quadratmeter erhalten wir durchschnittlich 50 Prozent der Strahlungsintensität, die auf die Sahara trifft. Selbst bei bedecktem Himmel liefert eine Photovoltaikanlage einen prozentualen Anteil Strom. Allein aus regenerativen Energien könnte der gesamte Strombedarf in Deutschland gedeckt werden. Sogar der Branchenumsatz hat sich in den vergangenen 8 Jahren um mehr als das 49-Fache gesteigert.
Die Photovoltaik wandelt die Sonnenenergie ohne mechanische, chemische oder thermische Zwischenschritte in Strom um und steht damit für den Inbegriff der umweltfreundlichen Energieversorgung. Es entstehen weder Schadstoffe (Emissionen) noch Lärm. Im Vergleich zu dem üblichen Strommix in Deutschland aus Atomenergie, Kohle, Gas und Wasser spart photovoltaisch erzeugter Strom 585 Gramm CO2-Emissionen pro Kilowattstunde ein. Die heutigen Photovoltaikanlagen sind mittlerweile zu ausgereiften Hightech-Produkten geworden und setzen sich in Deutschland, sowie weltweit immer stärker durch.
Sie bestehen zudem aus Materialien wie: Aluminium für die Rahmen, Glas für die Moduloberflächen und Sand für die Siliziumsolarzellen, die in großen Mengen zu Verfügung stehen und recycelt werden können. Der Trend geht aber mittlerweile zu dünnen Solarmodulen (Dünnschichttechnik), die auch PV-Plates genannt werden. Die Photovoltaik ist mittlerweile in jeder Stadt, auf Dächern von Eigenheimen und Unternehmen sowie öffentlichen Gebäuden zum Trend geworden, da die Photovoltaikbranche nach wie vor boomt. Diese vielen Pluspunkte sprechen für die Photovoltaik, die die nötigen Antworten auf die Folgen der weltweiten Klimaerwärmung liefert und den Solarstrom zum Energielieferant der Zukunft machen.
Trotz alledem werden jährlich durch das Pyromane Energiesystem ca. 36 Mrd. Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre verfeuert, was aufgrund der Umweltbelastung und der daraus entstehenden […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
Patrick Molitor
Evaluierung eines Photovoltaikkraftwerks von der Beratung des Kunden bis zur
Endmontage- und Inbetriebnahme vor Ort
ISBN: 978-3-8366-0713-1
Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2008
Zugl. Rheinische Fachhochschule Köln, Köln, Deutschland, Diplomarbeit, 2007
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2008
Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
.
Seite I
Inhaltsverzeichnis
1.0 Einleitung...1
2.0 Grundlagen ...3
2.1 Die Sonne als Energielieferant...3
2.1.1 Die Sonnenstrahlung...6
2.1.2 Veränderung der Sonnenstrahlung ...9
2.1.3 Direkte, diffuse und globale Sonnenstrahlung...11
2.1.4 Solarkonstante und Bestrahlungsstärke...13
2.1.5 Das STC-Verfahren und der Begriff Air Mass (AM) ...14
2.1.6 Die elektromagnetischen Wellen der Solarenergie ...16
2.2 Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik...17
2.3 Prinzip der Photovoltaik ...20
2.4 Aufbau und Funktion der Solarzelle ...21
2.4.1 Der p-n Übergang ...23
2.4.2 Eigenschaften und Wirkungsgrad der Solarzelle ...24
2.4.3 Solarzellentypen...33
2.4.4 Modultypen und deren Aufbau ...38
2.4.5 Die Farben der Antireflexschicht ...40
2.4.6 Vom Solargenerator zum Wechselrichter...41
3.0 Projekt...42
3.0.1 Einleitung ...42
3.0.2 Woraus besteht eine Photovoltaikanlage...43
3.0.3 Energieertrag einer PV-Anlage ...46
3.0.4 Kriterien für den Ertrag einer Anlage...49
3.0.5 Kosten und Einspeisevergütung einer PV-Anlage ...52
3.0.6 Baugenehmigung und Bauliche Ausrichtung ...55
3.0.7 Welche Schritte sollten vor der Anschaffung beachtet werden ...56
3.1.1 Der Projektablaufplan...57
3.2.1 Der Termin ...59
3.2.2 Das erste Beratungsgespräch...61
3.2.3 Grobskizze der Montageplanung mit Modulen von Solarworld ...63
3.3.1 Die Modulkalkulation mittels Programm Sitop 4.1...64
3.3.2 Modulbeschreibung...67
3.3.3 Endplanung des Modulaufbaus beim Kunden...69
3.3.4 Der Wechselrichter...70
Inhaltsverzeichnis
.
Seite II
3.4 Angebots- und Konzeptvorstellung beim Kunden ...73
3.5 Zum Energieversorger des Kunden ...74
3.6.1 Die wechselstromseitige Schutzeinrichtung...76
3.6.2 Zähler und Messeinrichtung...78
3.6.3 Die Dimensionierung der DC- und AC-Leitungen ...80
3.7.1 Die Modulmontage- und Inbetriebnahme vor Ort...85
3.7.2 Die Installation des Wechselrichters und dessen Beschreibung...88
3.7.3 Fertige Projekt PV-Anlage...94
3.7.4 Wartung und Instandhaltung der PV-Anlage...95
4.1 Wirtschaftlichkeitsberechnung der PV-Anlage ...96
4.2 Schlussbetrachtung...99
5.1 Zusammenfassung ...103
5.2 Ausblick und Zukunft der Photovoltaik ...107
Abkürzungsverzeichnis...111
Formelverzeichnis...117
Abbildungsverzeichnis...118
Literaturverzeichnis ...122
Lebenslauf & Kompetenzprofil ...124
Anhangsverzeichnis ...127
Anhangsabbildungs- und Tabellenverzeichnis...128
Einleitung
Seite 1
1.0 Einleitung
Die Sonne ist der beherrschende Himmelskörper in unserem Planetensystem, zu dessen
Gesamtmasse sie mit einem Anteil von 99,9% beiträgt. Sämtliche freiwerdende Energie
stammt aus einer als ,,Kern" bezeichneten Zone, wo rund 50% der Sonnenmasse
konzentriert sind, obwohl dieser Kern nur 1,6% des Sonnenvolumens ausmacht. Der
Bevölkerung der Erde steht mehr umweltschonende Energie zur Verfügung als sie
jemals benötigen wird. Durch die Photovoltaik kann diese unerschöpfliche Energie genutzt
werden.
Sogar in Deutschland gibt es genug Sonnenstunden für die Nutzung der Photovoltaik,
denn pro Quadratmeter erhalten wir durchschnittlich 50 Prozent der Strahlungsintensität,
die auf die Sahara trifft. Selbst bei bedecktem Himmel liefert eine Photovoltaikanlage
einen prozentualen Anteil Strom. Allein aus regenerativen Energien könnte der gesamte
Strombedarf in Deutschland gedeckt werden. Sogar der Branchenumsatz hat sich in den
vergangenen 8 Jahren um mehr als das 49-Fache gesteigert.
Die Photovoltaik wandelt die Sonnenenergie ohne mechanische, chemische oder
thermische Zwischenschritte in Strom um und steht damit für den Inbegriff der
umweltfreundlichen Energieversorgung. Es entstehen weder Schadstoffe (Emissionen)
noch Lärm. Im Vergleich zu dem üblichen Strommix in Deutschland aus Atomenergie,
Kohle, Gas und Wasser spart photovoltaisch erzeugter Strom 585 Gramm
CO²-Emissionen pro Kilowattstunde ein. Die heutigen Photovoltaikanlagen sind
mittlerweile zu ausgereiften Hightech-Produkten geworden und setzen sich in
Deutschland, sowie weltweit immer stärker durch.
Sie bestehen zudem aus Materialien wie: Aluminium für die Rahmen, Glas für die
Moduloberflächen und Sand für die Siliziumsolarzellen, die in großen Mengen zu
Verfügung stehen und recycelt werden können. Der Trend geht aber mittlerweile zu
dünnen Solarmodulen (Dünnschichttechnik), die auch PV-Plates genannt werden. Die
Photovoltaik ist mittlerweile in jeder Stadt, auf Dächern von Eigenheimen und
Unternehmen sowie öffentlichen Gebäuden zum Trend geworden, da die
Photovoltaikbranche nach wie vor boomt. Diese vielen Pluspunkte sprechen für die
Photovoltaik, die die nötigen Antworten auf die Folgen der weltweiten Klimaerwärmung
liefert und den Solarstrom zum Energielieferant der Zukunft machen.
Einleitung
Seite 2
Trotz alledem werden jährlich durch das Pyromane Energiesystem ca. 36 Mrd. Tonnen
Kohlendioxid in die Atmosphäre verfeuert, was aufgrund der Umweltbelastung und der
daraus entstehenden Klimaänderung der Planet nicht mehr lange aushalten wird. Bei allen
Problemen, die in der Zukunft von Menschen zu lösen sein werden, wird die zunehmende
Umweltbelastung stets weiterhin an vorderster Reihe beteiligt sein. Denn ändert sich das
Energieverhalten der Menschen nicht, wird es zu spät sein!
Schon Friedrich Hölderlin sagte vor 200 Jahren
,,Wo aber Gefahr ist, wächst das Rettende auch"
Quelle: Friedrich Hölderlin , Veröffentlicht 1923 G. Müller Seite 190, 223
Der heutige Stand der Energieversorgung wird nun nicht mehr nur in zwei Kategorien
eingeteilt, sondern mittlerweile in drei. Unter den bekannten ersten beiden Kategorien
befinden sich die fossilen Energieträger wie Kohle, Öl und Gas, sowie die nuklearen
Energieträger Uran, Thorium mit den dazugehörigen Umwandlungstechnologien. Den
regenerativen Energiequellen wird ab dem 21. Jahrhundert immer mehr Aufmerksamkeit
gewidmet, da die Akzeptanz der Kernenergie und anderer Umwelt schädigenden
Technologien nicht mehr so große Beachtung geschenkt wird.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die physikalischen Grundstrukturen der
Photovoltaik vorgestellt und die Entwicklung dieser Technologie seit ihrer Entdeckung
beschrieben. Bei diesem Praxisprojekt werden die übliche Problematik und die
Wirtschaftlichkeit mit einem Einblick in die Zukunft herausgestellt. Dabei soll das Interesse
des Lesers nicht nur bei Studenten der ingenieur- und naturwissenschaftlichen
Fachrichtung Anklang finden, sondern allen Interessierten als Nachschlagewerk dienen.
Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand in der Projektdurchführung und Entwicklung
eines Photovoltaik-Anlagen Anwenderleitfadens für die Firma und der Projektierung der
Prozessablaufkette bis zur Endmontage- und Inbetriebnahme eines netzgekoppelten PV-
Kraftwerks. Die Arbeit konnte dabei auf spezielle Fachkenntnisse aus Literatur,
persönlicher Weiterbildung und Firmenfachwissen aufgebaut werden. Das
Hauptaugenmerk sollte dabei auf dieses sehr zukunftsträchtige Thema gelenkt werden,
um das technische Verständnis zu fördern und ein Bewusstsein für die Energie und deren
effizienten Umgang zu entwickeln. Zur Veranschaulichung der Nutzbarkeit dieser
alternativen Stromquelle wird die komplette Planung bis zur Endmontage eines eigenen
kleinen Solarkraftwerks zur Netzeinspeisung erläutert.
2.0 Grundlagen
.
Seite 3
2.0 Grundlagen
2.1 Die Sonne als Energielieferant
Es gibt ein ,,Feuer", das uns tagsüber wärmt und rund 150 Millionen Kilometer entfernt ist.
Was für eine Kraft muss dieses Feuer haben, dass wir die Wärme über so eine Distanz
wahrnehmen können! Unsere Erde umkreist diesen thermonuklearen Ofen ,,die Sonne"
genau in der richtigen Entfernung. Wäre die Sonne zu nah, würde das Wasser der Erde
verdampfen, wäre sie zu weit weg, würde das Wasser der Erde gefrieren. Beide Extreme
würden das Leben auf unserem Planeten komplett auslöschen. Würde man dem Kern der
Sonne ein stecknadelkopfgroßes Stück entnehmen und es auf die Erde bringen, könnte
man sich nicht einmal in 140 Kilometer Entfernung von dieser winzigen Wärmequelle
gefahrlos aufhalten.
,,Die Sonne ist nicht verschwunden, weil die Blinden sie nicht sehen."
Quelle: Birgitta von Schweden schwedische Mystikerin (1303-1373), Offenbarungen
Jede Sekunde gibt die Sonne eine Energiemenge ab, die der Explosion vieler Hunderte
Millionen von Atombomben entspricht. Das Sonnenlicht ist nicht nur lebenswichtig,
sondern außerdem eine saubere, leistungsstarke Energiequelle und obendrein noch
wohltuend. Die Sonne ist so groß, dass unsere Erde 1,3 Millionen Mal in sie hineinpassen
würde. Die Sonne ist bekanntlich ein Stern (auch als gelber Zwerg bezeichnet) und wirkt
größer als die Sterne am Himmel, weil Sie uns relativ nah ist. Im Sonnenkern steckt eine
Energiemacht, die ca. 15 bis 20 Millionen Grad Celsius (T = 2
·
10
7
K) ausmachen
(
siehe Anhangsv. Abb. 2.1-c
).
Dieser Fusionsprozess im Sonnenkern liefert bei extrem hohen Temperaturen und einem
Druck von 200 Milliarden Bar die notwendige Energie für unsere Erde. Unsere einzigartige
Sonnenenergie, die unsere Erde erreicht, wird zum einen Teil durch die physikalischen
Eigenschaften der Sonnenoberfläche bestimmt und zum anderen Teil als so genannte
Strahlungsquelle durch den Abstand der Sonne zum Strahlungsempfänger, der Erde. Die
Strahlung der Sonne entsteht durch die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu
Heliumkernen. Ein Teil der Masse wird in Energie umgewandelt und stellt daher die Sonne
als einen riesigen Fusionsreaktor dar. Die Masse der Sonne beträgt 99% unseres
Sonnensystems.
2.0 Grundlagen
.
Seite 4
Abbildung 2.1-a: Energieressourcen der Erde
Quelle: BSW Solar/UVS/DLR/Dr.Nitsch
Pro Tag liefert die Sonne ca. 1.370 Watt solare Energie pro m². Dies entspricht der
Energie von ca. einem Kohle-Brikett pro m² und pro Tag. Durch Streuung (das Licht geht
z.B. durch eine Wolkendecke), Neigung der Erde und Reflektion (jede Oberfläche
reflektiert bzw. spiegelt eine bestimmte Menge Licht) sinkt jedoch die tatsächliche Energie,
welche auf der Eroberfläche ankommt. In Deutschland strahlt die Sonne pro Jahr ca. 950
bis 1.200 kWh (Kilowattstunden) Solarenergie auf jeden Quadratmeter. Dies ist der
ungefähre Stromverbrauch einer Person in Deutschland. Die Sonne ist physikalisch
gesehen eine autonome Energiequelle, die über einen sehr langen Zeitraum eine
konstante Strahlungsmenge abstrahlt. Sonnenlicht bewirkt Photosynthese im Chlorophyll
der Pflanzen. Bei diesem Prozess entstehen Sauerstoff und Kohlenhydrate, die
Grundlagen allen irdischen Lebens.
Sonnenlicht bewirkt die Zirkulation des Wassers in Form von Wolken und Regen. Bedingt
durch die große Entfernung von der Erde zu unserem Energielieferanten ,,Sonne" gelangt
ungefähr ein Milliardstel der Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche. Trotz der
Entfernungsverluste beträgt die Energiemenge, des auf die Erdoberfläche einfallenden
Sonnenlichts immer noch das 10.000-Fache des weltweiten Energiebedarfs. Bereits seit
einigen Jahrzehnten ist die Art der Energiegewinnung mittels Solarzellen nun im Focus
und erlangt immer mehr Auftrieb durch drastische Verbesserungen in der
Fertigungstechnik als wachsendes Konkurrenzpotential gegenüber den sich
erschöpfenden Energieträgern aus Erdöl, Gas oder Kohlebrennstoffen.
2.0 Grundlagen
.
Seite 5
Im Vergleich zu diesen Energiequellen wird die einfallende Strahlung in der Photovoltaik
ohne Umwege direkt in elektrische Energie umgewandelt, wobei keine Schadstoffe
(Emission) entstehen und kein Lärm erzeugt wird. Die geographische Lage und die
Orientierung des Strahlungsempfängers mittels Solarmodul bzw. Solargenerator, sowie
die jahreszeitliche und witterungsbedingte Einflüsse, spielen eine einflussreiche Rolle bei
der Bestimmung eines Photovoltaikkraftwerkes.
Abbildung 2.1-b: Jährliche Sonneneinstrahlung im Vergleich zu den Ressourcen fossiler und atomarer
Energieträger und zum Energieverbrauch der Weltbevölkerung
Quelle: eigene Darstellung
Sonnenlicht bewirkt riesige Ströme wie den Golfstrom im Atlantik oder den Perustrom im
Pazifik. Sie mildern das Klima jener Landgebiete, an deren Küsten sie entlang ziehen. In
nur 8 Minuten bekommt die Menschheit von der Sonne soviel Energie, wie sie in einem
Jahr benötigen würde. Die von der Sonne abgestrahlte Energiemenge würde mehr als
genügen, um alle Energiebedürfnisse auf der Erde zu befriedigen.
2.0 Grundlagen
.
Seite 6
2.1.1 Die Sonnenstrahlung
Die Strahlung der Sonne beträgt oberhalb der Erdatmosphäre durchschnittlich 1365 W/m
2
.
Davon erreichen die Atmosphäre wegen der Kugelgestalt der Erde und der
sonnenabgewandten Nachtseite jeweils einer Erdhälfte aber nur 342 W/m
2
.
Abbildung 2.1.1-a: Darstellung der Strahlungsenergie durch die Luftmasse AM
Quelle: eigene Darstellung
Unter Sonnenstrahlung versteht man physikalisch einen Fluss von elektromagnetischen
Wellen mit einer Energie von 8 J/ (cm
2
·
min.) bzw. 1,35 kW/m
2
(Solarkonstante). Das
Strahlungsspektrum beträgt: 10
-16
m bis 10
6
m Wellenlänge. Das Spektrum wird unterteilt
in ionisierende Strahlung, optische Strahlung und Hochfrequenzstrahlung. Die Strahlung
wird verursacht durch die Reaktion von Wasserstoffatomkernen (Protonen) zu
Heliumatomkernen (Kernfusion) mit über 15 Millionen °C im Kern der Sonne. Im
SI-System ist die Energieeinheit das Joule (1J = 1Nm) und der Strahlungsfluss wird in der
Einheit J/s m² angegeben, was gleichbedeutend der Einheit W/m² ist. In älteren
Lehrbüchern ist als Einheit die cal gebräuchlich.
Es gelten die Umrechnungen:
1 J = 0,2390 cal 1 cal = 4,184 J
1kJ/min cm² = 1,67 · 105 W/m² 1 kWh/m² d = 41,67 W/m²
1 W/m² = 0,001434 cal/cm² min 1 cal/cm² min = 697,3 W/m²
1kW/m² = 1,434 cal/cm² min
2.0 Grundlagen
.
Seite 7
Die Strahlung, die die Erde erreicht, stammt aus einem äußeren Bereich der Sonne, wo
die Temperatur an der Sonnenoberfläche nur noch ca. 5000-6000 °C beträgt. Die höchste
Strahlungsintensität (
siehe Anhangsv.
Tab. 2.1.1-a2
) und damit den Hauptanteil der
Energie liefert der Bereich des sichtbaren Lichts von 380-750 nm Wellenlänge (violett bis
rot) mit ca. 50 %, gefolgt von der Infrarot-Strahlung von 750 nm - 24 µm (nah bis weit) und
der UV-Strahlung von 10-380 nm (extrem weit bis nah).
Sowohl der Ultraviolettanteil (UV-C und UV-B) als auch der mittlere Infrarotanteil liefern
mit je ca. 1% nur einen geringen Energiebeitrag. Die Intensität der Sonneneinstrahlung
auf eine horizontale Fläche ist abhängig von der auftreffenden Sonnenstrahlung und der
Sonnenhöhe. Die auf die Erde treffende Sonnenstrahlung rührt aus der Temperatur der
Sonnenoberfläche
her.
Bezeichnungen
einzelner
Wellenlängenbereiche
des
Sonnenspektrums (
siehe Abb. 2.1.7-a
). Die solare Einstrahlung auf die Erde (
siehe
Anhangsv. Tab. 2.1.1-b2
) liefert im Jahr über 219.000 Billionen kWh Energie. Das ist
2500-mal mehr, als die gesamte Weltbevölkerung verbraucht. In Deutschland beträgt die
durchschnittliche Globalstrahlung etwa 1.075 kWh/m², was etwa 50% der Strahlungs-
Intensität entspricht, die auf die Sahara trifft. Dazwischen, im Süden Spaniens und in
Nordafrika, liegt der Wert bei 1.750 kWh/m².
Außerhalb der Erdatmosphäre ist die Intensität der Sonnenstrahlung abhängig vom
Abstand zwischen Erde und Sonne. Dieser Abstand beträgt ca. 150 Mio. km (= 1 AE
oder 8,3 Lichtminuten). Dadurch dass der Abstand der Sonne zu Erde variiert, verändert
sich die Bestrahlungsstärke zwischen 1325 W/m² und 1412 W/m². Der Mittelwert wird als
Solarkonstante bezeichnet. Auf der Erdoberfläche wird diese Bestrahlungsstärke nicht
erreicht, da beim Durchgang durch die Atmosphäre die Solarstrahlung durch Reflexion
und Absorption (Luftmoleküle, Staubteilchen oder Verunreinigungen der Luft reduzieren
durch Streuung ebenfalls die Sonneneinstrahlung) eine Abschwächung erfährt, die unter
dem Begriff Extinktion zusammengefasst wird.
Bei schönem Wetter wird an der Erdoberfläche in der Mittagszeit eine Bestrahlungsstärke
von 1000 W/m² erreicht (
siehe Anhangsv. Abb. 2.1.1-c
). Dieser Wert ist unabhängig vom
Standort. Durch Reflexionen an vorbeiziehenden Wolken können an locker bewölkten
Tagen die höchsten Einstrahlungsspitzen auftreten. Diese können bis zu 1400 W/m²
betragen. Summiert man den Energiegehalt der Sonneneinstrahlung über ein Jahr, so
erhält man die jährliche Globalstrahlung in kWh/m². Dieser Wert ist regional, je nach der
Entfernung zum Äquator und dem Sonnenabstand, sehr variabel.
2.0 Grundlagen
.
Seite 8
Die Regionen am Äquator erreichen die höchsten Werte der Sonneneinstrahlung über das
Jahr mit 2.300 kWh/m², während in Südeuropa mit einer jährlichen Sonneneinstrahlung
von maximal 1.700 kWh/m² und in Deutschland mit durchschnittlich 1.040 kWh/m²
gerechnet werden muss. Die Pflanzen auf der Erdoberfläche haben sich daran angepasst,
indem sie gerade diesen Wellenlängenbereich absorbieren und in biochemische Energie
umwandeln können. Die Wellenlänge des Lichts ist negativ korreliert mit der Energie-
Menge der einzelnen Lichtquanten, denn die Energiemenge der Lichtquanten (Photonen)
berechnet sich aus der Frequenz der Strahlung multipliziert mit der Planckschen
Konstanten.
Für den Bereich des sichtbaren Lichtes beträgt die Strahlungsenergie zwischen 1,59 und
3,26 eV. Summiert man den Wert der Sonneneinstrahlung an einem Ort über ein Jahr, so
erhält man die jährliche Gesamt- oder Globalstrahlung in kWh/m². Die Strahlungsenergie
der Sonne in Deutschland ist in den südlichen Bundesländern im Jahresmittel höher als im
Norden. In Deutschland liegt die Solarstrahlung zwischen 900 kWh/m² (Norden) und
1.200 kWh/m² (Süden) pro Jahr. Eine Solarzelle wandelt davon ca. 15% in Strom um.
Damit strahlt auf Deutschland immer noch halb so viel Energie ein, wie auf die
strahlungsreichsten Gebiete der Erde am Äquator!
Abbildung 2.1.1-d: jährliche mittlere Einstrahlung in kWh/m²
Quelle: http://www.solarbusiness.de
2.0 Grundlagen
.
Seite 9
2.1.2 Veränderung der Sonnenstrahlung
Veränderte Parameter in der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, können allerdings nicht
verantwortlich für die relativ kurzfristigen Schwankungen der Nacheiszeit sein, deren
Zeitskalen bei Jahrzehnten bis Jahrhunderten liegen. Eine mögliche Erklärung hierfür liegt
in der Sonnenaktivität. Die seit Erfindung des Fernrohrs beobachteten und seit 1610
dokumentierten Sonnenflecken werden begleitet von Sonnenfackeln und Protuberanzen,
die die Energieabstrahlung der Sonne verstärken und die Solarkonstante leicht erhöhen.
So fällt das so genannte Maunder-Minimum (1650 - 1710) während der "Kleinen Eiszeit" in
eine Zeit ohne Sonnenflecken.
Abbildung 2.1.2-a: Veränderung der Solarstrahlung seit 1700
(Quelle: dkrz, MPI-Rep.206)
Die Bahnparameter und die Lage der Erdachse lassen sich nach den Gesetzen der
Physik berechnen und bieten keine Überraschungen. Anders sieht es mit der
Veränderlichkeit der Sonnenintensität aus. Schon seit dem Mittelalter ist bekannt, dass in
einem 11-Jahres-Rhythmus Sonnenflecken auftreten. Diese sind seit dem 17. Jahrhundert
regelmäßig an vielen Sternwarten aufgezeichnet worden. Es wurde allerdings erst mit den
ersten Satellitenmessungen deutlich, dass die Sonnenflecken direkt mit der Intensität der
Sonneneinstrahlung korreliert sind, und zwar bedeutet eine Zunahme der Flecken eine
Zunahme der Intensität. Direkte Messungen der Sonnenstrahlung werden seit etwa 20
Jahren mit verschiedenen Satelliten durchgeführt. Hierdurch vermeidet man Fehler, die
durch die Absorption in der Atmosphäre entstehen.
2.0 Grundlagen
.
Seite 10
Schon vorher hatte man in den Aufzeichnungen der Sonnenflecken erkannt, dass es nicht
nur den 11-Jahreszyklus (Schwalbe-Zyklus) gibt, sondern auch eine etwa 80-jährige
Periodizität (Gleissberg-Zyklus), die man ebenfalls bei sonnenähnlichen Sternen
beobachtet hat. Der 11-Jahreszyklus besitzt eine Schwankungsbreite an der Obergrenze
der Atmosphäre von ca. 0.1% der Solarkonstante, der Gleissberg-Zyklus etwa 0,24 -
0,30%, was einer Veränderung der Solarkonstanten um ca. 5 W/m
2
entspricht.
Die Sonnenstrahlungsvariationen des 80-jährigen Gleissberg-Zyklus führen zu einer
Variabilität der an der Erdoberfläche absorbierten Sonneneinstrahlung von 0,5 - 0,75
W/m
2
. Diese Zahl muss man im Vergleich zu der Abschätzung des Strahlungsantriebs
durch das Anwachsen der anthropogenen Treibhausgase von der vorindustriellen Zeit
(1850) bis heute von ungefähr 2,4 W/m
2
betrachten (
Anhangsv. Abb. 2.1.2-b
). Es gibt
noch eine Reihe weiterer Zyklen, die man in Proxy-Daten für die Solarintensität, so in 14C
und 10Be-Schwankungen in Baumringen und Eisbohrkernen sowie bei sonnenähnlichen
Sternen findet.
Änderungen in den Strahlungsantrieben von 1750 bis 2000 rühren von Änderungen in der
Zusammensetzung der Atmosphäre, von Veränderungen in der Landnutzung und von der
Veränderung der Sonneneinstrahlung her. Menschliche Aktivitäten beeinflussen jeden
Faktor mit Ausnahme der Sonnenaktivität. Die Balken geben den Beitrag jedes dieser
Faktoren zum Antrieb an, einige erzeugen eine Erwärmung, einige eine Abkühlung.
Änderungen des Antriebes durch Vulkanismus sind nur episodisch, d.h. sie erzeugen eine
nur wenige Jahre dauernde Abkühlung. Sie werden deshalb hier nicht gezeigt. Die
vertikale Linie an jedem Balken gibt eine Abschätzung der Unsicherheit wieder. Der
wissenschaftliche Kenntnisstand ist für die verschiedenen Antriebsfaktoren unterschiedlich
hoch.
2.0 Grundlagen
.
Seite 11
2.1.3 Direkte, diffuse und Globale Sonnenstrahlung
Das Sonnenlicht auf der Erdoberfläche setzt sich aus einem direkten und einem diffusen
Anteil zusammen. Die direkte Strahlung kommt aus der Richtung der Sonne und
verursacht scharfe Schattenwürfe von Gegenständen. Die diffuse Strahlung hingegen
besitzt keine vorgegebene Richtung. An klaren Tagen überwiegt der Anteil der direkten
Strahlung an der Gesamt- oder Globalstrahlung.
An stark bewölkten Tagen hingegen (vor allem im Winter) ist die Sonneneinstrahlung
nahezu vollkommen diffus. In Deutschland liegen der Anteil der diffusen Sonnen-
Einstrahlung bei ca. 60% und der Anteil der direkten Strahlung bei etwa 40%. Beide
Strahlungsarten lassen sich für PV-Solaranlagen nutzen. Die auf die Erde einfallende und
für Solaranlagen nutzbare Strahlung lässt sich wie folgt unterteilen:
Direktstrahlung: Strahlung, die auf direktem Weg die Solarmodule erreicht.
Diffusstrahlung: Sie erreicht über Umwege (z.B. Wolken, Nebel) die Modulfläche.
Reflexionsstrahlung: Bei geneigtem Kollektor trifft auch die vom Boden reflektierte
Strahlung die Modulfläche (besonders bei Schneelage oder hellem Wüstenboden).
Abbildung 2.1.3-a: Einstrahlungen auf den PV-Generator
Quelle: eigene Darstellung ansonsten http://elite.tugraz.at/diplomarbeiten/Haudek.pdf
2.0 Grundlagen
.
Seite 12
Als Globalstrahlung G
g
wird die Summe der während einer bestimmten Zeit (Tag, Monat,
Jahr) auf eine horizontale Fläche (Erde) auftreffende Strahlungsmenge bezeichnet. Diese
setzt sich zusammen, aus einem direkten und einem diffusen Anteil. Die diffuse
Himmelsstrahlung G
h
entsteht durch Streuung der direkten Strahlung beim Durchgang
durch die Erdatmosphäre. Eine Solarzelle nutzt sowohl die Direktstrahlung G
d
als auch die
von der Umgebung der Zelle und der Erdatmosphäre gestreute Strahlung. Die Tatsache,
dass die Solarzelle beide Strahlungsarten nutzen kann, ist deshalb so wichtig, weil in der
Bundesrepublik die Diffusstrahlung die Direktstrahlung erheblich übersteigt. Auch bei
Sonnenschein beträgt der Diffusanteil an der Globalstrahlung noch 10% bis 40% (
siehe
Tab. 2.1.3-c
und
Abb. 2.1.3-d
).
Abbildung 2.1.3-b: Die Jahresgänge der Globalstrahlung und ihrer Komponenten zeigen, dass in unse-
rem Land die diffuse Strahlung die direkte erheblich übersteigt
[ Quelle: Kleemann 88]
Tabelle 2.1.3-c: Strahlungsleistung und Anteil der Diffusstrahlung
Quelle: eigene Darstellung
2.0 Grundlagen
.
Seite 13
2.1.4 Solarkonstante und Bestrahlungsstärke
Diese so genannte Solarkonstante ist im strengen Sinne keineswegs konstant, sondern
unterliegt aufgrund verschiedener Ursachen geringen Schwankungen. Es bezeichnet die
Menge an Energie, welche die elektromagnetische Sonnenstrahlung auf einen
,,extraterrestrischen Quadratmeter Erde" überträgt. So beeinflussen Veränderungen in der
Umlaufbahn der Erde um die Sonne über längere Zeiträume hinweg die Intensität der
Sonnenstrahlung. Das geschieht allerdings in einem Zyklus von mehr als 100.000 Jahren,
und man erklärt damit den Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten während des Eiszeit-
Alters, zu dem auch die jetzige Warmzeit gehört. Die Veränderungen in den Erdbahn-
Parametern können zusätzlich Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen des
Klimasystems, z.B. zwischen Meer und Atmosphäre anstoßen.
So hat eine gebremste Golfstrom-Zirkulation, die durch eine verstärkte Süßwasserzufuhr
durch abschmelzendes Eis verursacht wurde, wahrscheinlich die starke und kurzfristige
Temperaturabnahme am Ende der letzten Eiszeit (Jüngere Dryaszeit) ausgelöst. Die
Intensität der Solarstrahlung außerhalb der
Erdatmosphäre ist aufgrund der
unbeständigen Entfernung von Sonne und Erde im Laufe eines Jahres leichten
Schwankungen unterworfen und beträgt im genormten Mittel 1367 W/m² (aufgrund der
elliptischen Umlaufbahn/Sonnenflecken vergl. Sonnenwind, auch aus dem All kommende
und in Sonne einschlagende Materie).
Der Mittelwert wird als Solarkonstante bezeichnet und beträgt: E0 = 1.367 W/m². Auf der
Erdoberfläche wird dieser Wert nicht erreicht, da die Atmosphäre die Solarstrahlung durch
Reflexion, Absorption und Streuung reduziert. Relativ unabhängig vom Standort auf der
Erde wird um die Mittagzeit bei wolkenlosem Himmel eine maximale Bestrahlungsstärke
von 1.000 W/qm erreicht.
Herleitung der Solarkonstanten:
Das Gesetz von Stefan und Bolzmann für den schwarzen Strahler ergibt die spezifische
Ausstrahlung des als schwarzen Strahler angenommenen Körpers. Die gesamte als
Wärmestrahlung abgegebene Leistung einer Fläche A mit der Temperatur T ist:
4
T
A
dt
dQ
·
-
=
2.0 Grundlagen
.
Seite 14
Der Emissionsgrad
(
1
0
) hängt ab von Material, Oberflächenbeschaffenheit
und Farbe: umso heller/spiegelnder, desto kleiner ist
. Zwischen der Oberflächen-
Leistung (Strahlungsleistung
e
je Fläche A) und der absoluten Temperatur T besteht die
Beziehung aus der das Bolzmann Gesetzt besteht:
Stefan Bolzmann - Gesetz:
e
/ A = Me =
4
T
·
Stefan - Bolzmann Konstante:
Proportionalitätsfaktor 5,67
· 10
-8
4
K
m
W
²
Bei einer Temperatur der Sonnenoberfläche von rund 5800 K ergibt dies folgende Werte:
m²
MW
63
MeSonne =
;
e
Sonne = 3,8
· 10
20
MW
Diese gesamte Energie wird (in alle Richtungen) abgestrahlt. Die Größe der Hüllfläche auf
Höhe der Erde, auf der genau diese Energie ankommt, ergibt sich mit dem Abstand
(= Radius) von rund 150 Mio. Km aus:
2
Hülle
r
4
A
=
Der Bruch aus:
AHülle
che
Erdoberflä
multipliziert mit der ausgestrahlten Energie der Sonne,
ergibt die gesamte Strahlungsenergie der Sonne, die auf die Erde scheint. Statt der
Erdoberfläche kann man aber auf einen m² nehmen, und schon hat man die
Solarkonstante ausgerechnet.
2.0 Grundlagen
.
Seite 15
2.1.5 Das STC-Verfahren und der Begriff Air Mass (AM)
Die Einstrahlung der Sonne ist keine konstante Größe, sondern unterliegt starken
Schwankungen im Tages- und Jahresverlauf. Um dennoch eine Vergleichbarkeit der
elektrischen Kennwerte von Solarzellen und Solarmodulen zu ermöglichen, wurden die so
genannten Standard-Test-Bedingungen (STC) entwickelt. Diese STC-Bedingungen geben
konstante Werte der Einstrahlung (E) von 1000 W/m², der Zelltemperatur (T) von 25 °C
(± 2 °C) und des AirMass (AM) von 1,5 (das AM charakterisiert eine bestimmte spektrale
Verteilung der Sonnenstrahlung) vor.
Anwendung:
Von den Herstellern der Solarmodule werden Strom-, Spannungs- und Leistungsdaten in
MPP angegeben, die sich (wenn nicht anders angegeben) immer auf STC beziehen.
AM oder auch Luftmasse:
Die Luftmasse (AM) der Erdatmosphäre, durch die das Sonnenlicht dringt, beeinflusst
dessen
spektrale
Zusammensetzung.
Zur
Charakterisierung
verschiedener
Sonnenspektren wurde die AirMass eingeführt. Das Spektrum AM 0 steht für die
Strahlung im Weltraum. Steht die Sonne am Äquator im Zenit, legt die Strahlung den
kürzesten Weg durch die Atmosphäre zurück (Spektrum entsprechend AM 1,0 =
bezeichnet die Strahlung, die senkrecht am Äquator auf ,, NN = Meeresspiegel " fällt).
In unseren Breiten steht die Sonne nicht so hoch am Himmel, so dass die Strahlung
grundsätzlich längere Wege durch die Luftmasse zurücklegen muss, was z. B. durch das
AM-1,5-Referenzspektrum berücksichtigt wird (AM 1,5 ist der Wert, der unter einem
Winkel von 41,5° gegen den Horizont einfällt und damit eine 1,5-fach größere Luftmasse
durchstrahlt) Zudem ist der Wert AM 1,5 eine wichtige Bezugsgröße, die zur normierten
Charakterisierung von Solarzellen dient. Die geographische Breite ist ebenso ein
gravierender Faktor für die Berechnung der Globalstrahlung (z.B. am Äquator mit dem
Breitengrad 0, wo der Wert für den Jahresdurchschnitt der Globalstrahlung um das
1,8-Fache höher ist als der Wert für Mitteleuropa).
2.0 Grundlagen
.
Seite 16
2.1.6 Die elektromagnetischen Wellen der Solarenergie
Das Spektrum elektromagnetischer Wellen reicht von (q) langwelligen Radiowellen y =
10
4
bis 10
3
m bis zu (q) kosmischen Strahlen y = 10
-13
bis 10
-16
m. Das Spektrum im
Wellenlängenbereich von y = 3
·
10
-7
bis 2,5
·
10
-6
m kann von schwarzen Körpern
emittiert und absorbiert werden. Dieses Wissen wird bei thermischen Solaranlagen zur
Wassererwärmung durch Absorption elektromagnetischer Wellen genutzt. Die Intensität
der solaren Strahlung ist von der Wellenlänge abhängig. Sie besitzt ihr Maximum im
grüngelben Bereich bei Wellenlänge max.
ungefähr 0,55 µm.
Abbildung 2.1.7-a: Sonnenspektrum in Bezug zu Lichtwellenlänge
Quelle: http://www.hmi.de/pr/bildarchiv/solarenergie/grafiken/
Die einzelnen Farbanteile des sichtbaren Lichtes, die durch das menschliche Auge
wahrgenommen werden können, entstehen, wenn weißes Licht über ein Prisma
gebrochen wird. Analog tritt dieser Effekt beim Regenbogen auf, wobei die Regentropfen
die Funktion des Prismas übernehmen. Die Erfahrung lehrt, dass dunkle Oberflächen von
Körpern bei Sonneneinstrahlung also unter Einwirkung elektromagnetischer Wellen
wärmer werden als Körper mit hellen Oberflächen. Die auf einen Körper auftreffenden
Photonen als Energieträger führen zu einer Schwingungsanregung der Atome bzw. deren
elektrisch geladenen Bestandteile (Elektronen, Ionen), die eine Temperaturerhöhung des
Körpers zur Folge hat. Je höher die Amplitude der Schwingung der Atome, umso höher ist
deren thermische Energie, die als Wärme empfunden wird.
2.0 Grundlagen
.
Seite 17
2.2 Geschichtliche Entwicklung der Photovoltaik
Die Geschichte der Photovoltaik beginnt bereits 1839, als der französische Physiker und
Nobelpreisträger Alexandre-Edmond Bequerel das erste photoelektrische Element
konstruierte. Der französische Physiker trat in die Fußstapfen seines Vaters, der ein
berühmter Physiker in Frankreich des 19. Jahrhunderts war. Die Bequerels bildeten über
vier Generationen eine Forscherdynastie. Insgesamt arbeiteten sie mehr als anderthalb
Jahrhunderte lang im selben Labor in Paris. Das erste photoelektrische Element bestand
aus einem Topf, der in der Mitte durch eine Membran geteilt war und für Flüssigkeiten,
nicht aber für Licht durchlässig war.
Dieser Topf wurde mit einer Lösung gefüllt und auf jeder Seite eine Platinelektrode
eingetaucht. Die Elektroden waren über ein empfindliches Galvanometer elektrisch leitend
verbunden. Dadurch, dass der Deckel des Topfes auch halbiert war, konnte eine Seite
abgedunkelt werden, wobei auf die andere Sonnenlicht einwirkte. Es stellte sich ein
(am Galvanometer ablesbarer) Potentialunterschied ein. Der photoelektrische Effekt war
somit gesehen durch Zufall entdeckt, konnte aber mit dem damals vorherrschenden
Masse-Kugel-Atommodell noch nicht erklärt werden.
Abbildung 2.2.1-a: Die erste Solarzelle der Welt
Quelle: http://www.montgelas-gymnasium.de/physik/photovoltaik/geschichte.html
Der nächste Schritt in der Geschichte der Solarzelle war die Entwicklung der Selenzelle
durch Willoughby Smith. Im Jahre 1873 stellte er fest, dass sich die Leitfähigkeit von
Selen unter Lichteinstrahlung um das ca. 1000-Fache erhöht. Damit war nicht nur der
erste Halbleiter entdeckt, sondern auch die Grundvoraussetzung geschaffen um
schließlich 1877 die erste Selensolarzelle zu konstruieren. Diese hatte jedoch nur einen
Wirkungsgrad von ca. 1 % und war, wegen des teuren Selens, sehr unwirtschaftlich.
2.0 Grundlagen
.
Seite 18
Der Photoeffekt, der die Grundlage dieser Technologie darstellt, widersprach der von
James Clerk Maxwell 1865 aufgestellten Wellentheorie des Lichts. Aus diesem Grund
fehlte noch die theoretische Erklärung zur Photovoltaik. Diese lieferte Albert Einstein im
Jahre 1905 mit seiner Theorie des Quantencharakters von Licht. Diese besagt nämlich,
dass Licht nicht nur als elektromagnetische Schwingung, sondern auch als Abfolge von
Teilchen verstanden werden will. Diese energiereichen Teilchen nennt man Photonen.
Wird also ein Material dem Licht ausgesetzt, wird es ständig von Photonen getroffen.
Dadurch kann es zu einer Herauslösung von Elektronen aus dem Material kommen. Die
Folge ist entweder eine positive Aufladung des Materials oder eine Erzielung von
Leitfähigkeit. Somit war der Photoeffekt auch theoretisch erklärt. Von da an ruhte die
Geschichte der Photovoltaik für fast 50 Jahre.
· 1839 Entdeckung des photovoltaischen Effekts
· 1883 Modul aus Seelenzellen
· 1907 Albert Einstein kann den lichtelektrischen Effekt erklären
· 1954 Silizium Solarzelle wird produziert
· 1958 Solarzellen werden bei Satelliten angewandt
Doch nachdem 1949 von Brattain, Shockley und Bardeen die Physik der Halbleiter
erforscht worden war, stand auch der Weg für neue Solarzellen offen. Die erste
Entwicklung entstand bereits im Jahre 1951 und war eine auf Germanium basierende
Solarzelle. Weitaus wichtiger aber war 1954 die Entwicklung
der ersten Silizium-Zelle durch die Wissenschaftler Pearson,
Fuller und Chapin in den Bell Laboratories, USA. Diese
hatte einen Wirkungsgrad von etwa 6 % und war für die
Raumfahrt gedacht. Drei Jahre später startete dann auch
der erste mit Solarzellen bestückte Satellit ins Weltall. Die
neue Technik war natürlich noch nicht für jedermann
nutzbar, da sie aufgrund der geringen Stückzahlen und
Wirkungsgrade sehr teuer und unwirtschaftlich war. Nach
der Ölkrise aber entstanden in den 70er Jahren sehr viele
neue Forschungsstationen, die sich auf diese Technologie
konzentrierten. Von da an war der Vormarsch der
Photovoltaik nicht mehr aufzuhalten. Die Folgezeit war geprägt von Weiter- und
Neuentwicklungen und kontinuierlichen Steigerungen der Wirkungsgrade. Heutige
Multispektralzellen erreichen bereits einen Wirkungsgrad von bis zu 31 %. Den Grundstein
Abbildung 2.2.1-b:
Alexandre Edmond Bequerel
Quelle:http://www.fhtw-
berlin.de/documents
2.0 Grundlagen
.
Seite 19
zur Erforschung der Technologie, die die direkte Umwandlung des Sonnenlichts in
elektrische Energie ermöglicht, legte Alexandre Edmond Bequerel 1839.
Sein Sohn Antoine Henri Becquerel erhielt 1903 zusammen
mit Ehepaar Curie den dritten Physiknobelpreis - nach ihm ist
die Maßeinheit des radioaktiven Zerfalls benannt. Als er im
abgedunkelten
Raum
mit
elektrolytischen
Zellen
experimentierte, konnte er bei Helligkeit geringfügige Anstiege
im Elektrodenstromfluss beobachten. Er entdeckte so zufällig
den photovoltaischen Effekt, konnte diesen aber damals
aufgrund fehlender theoretischer Erkenntnisse nicht näher
erklären. Der Auslöser für die späteren Forschungen um den
Photoeffekt sind die Entdeckungen, die bei Lichtbestrahlung
von Selen gemacht wurden. Die technische Herstellung der
Solarzellen konnte aber erst mit der Erfindung des Transistors und der Entdeckung des
pn-Übergangs 1949 begonnen werden. Da die Herstellung sehr der Anfertigung von
Halbleiterbauteilen ähnelt, sind die frühen Siliziumsolarzellen sehr teuer und können
deshalb nur in speziellen Einsatzgebieten benutzt werden.
Später entwickelte die Luftfahrtindustrie diese Pionierarbeit weiter und stattete
Raumschiffe zwecks autonomer Energieversorgung mit PV-Modulen aus. Geradezu ideal
hierfür waren damals bereits Satelliten, denn hier treten die Entwicklungskosten im
Vergleich zur Nutzbarkeit in den Hintergrund, solange die Zellen einen möglichst hohen
Wirkungsgrad erzielen, dabei ein möglichst geringes Gewicht aufweisen und zuverlässig
der hohen Strahlung im Weltraum standhalten. Als 1973 der Erdölpreis dramatisch
anstieg, wurde der Umstieg zur Photovoltaik für viele lukrativer und gelangte so mehr und
mehr ins öffentliche Interesse. Damals ist die Einrichtung einer Anlage mit Kosten von bis
zu 1500 DM pro Watt Spitzenleistung verbunden. Diese konnten bis 1988 auf knapp 20
DM pro Wp reduziert werden, so dass der privaten Nutzung der Photovoltaik nichts mehr
im Wege stand. Neben der traditionellen Herstellung der Siliziumzellen führten
Forschungen zu neuen, effektiveren Entwicklungen aus anderen Halbleitermaterialien.
Vorstellbar sind in Zukunft auch erheblich günstigere Baukosten durch die Möglichkeit des
Einsatzes von unreinem Silizium. Sogar das Prinzip der Energieumwandlung durch den
photovoltaischen Effekt muss nicht immer Grundlage der Solarzelle sein, wie die
Erforschung der organischen und der Farbstoffzellen zeigt. Das Potential dieser
Energiequelle ist noch lange nicht erschöpft und steht mit Blick auf die möglichen
Entwicklungen sicherlich noch vor dem Höhepunkt seiner Erfolgskarriere.
Abbildung 2.2.1-c:
Antoine Bequerel
Quelle: http://www.
katharinen.ingolstadt.de/
2.0 Grundlagen
.
Seite 20
2.3 Prinzip der Photovoltaik
Das Wort Photovoltaik ist eine Zusammensetzung aus dem griechischen Wort für Licht
und dem Namen des Physikers und Nobelpreisträger Alessandro Volta. Es bezeichnet die
direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Direkte
Umwandlung heißt, dass das Sonnenlicht nicht zum Erwärmen von Dampf mit
nachgeschalteter Dampfturbine und Generator in Strom umgewandelt wird, sondern unter
direkter Ausnutzung des physikalischen Photoeffektes.
Unter dem Photoeffekt versteht man die Freisetzung von positiven und negativen
Ladungsträgern in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung und beruht auf dem bereits
1839 von Alexander Bequerel entdeckten Photoeffekts. Solarzellen basieren auf dem
photovoltaischen Effekt. Der Hauptteil einer Solarzelle die das Sonnenlicht in Strom
umwandelt ist ein Halbleiter, meist Silizium. Bei bestimmten übereinander angeordneten
Halbleiterschichten entstehen unter dem Einfluss von Licht (Photonen) freie positive und
negative Ladungen, die durch ein elektrisches Feld getrennt werden und als Elektronen
über einen elektrischen Leiter abfließen können.
Das Prinzip ist denkbar einfach und beruht darauf, dass diese negativ geladenen
Elektronen, die vor dem Lichteinfall an Atome gebunden waren, freigesetzt werden und
sich im Festkörper frei bewegen können. Im gleichen Moment entstehen dabei positiv
geladene Löcher, die sich ebenfalls frei bewegen. Elektronen und Löcher sind also die
negativen und positiven Ladungen in einer Solarzelle. Der so entstehende Gleichstrom
kann direkt zum Betrieb elektrischer Geräte genutzt oder in Batterien (bei Inselsystemen)
gespeichert werden.
Er kann auch in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist
werden. Solarzellen können z.B. in Taschenrechnern oder Uhren zum Einsatz kommen.
Man kann auch die Solarzellen innerhalb der Häuser finden. Die Leistung eines
Solargenerators reicht von einigen Watt bis in den Megawatt-Bereich.
2.0 Grundlagen
.
Seite 21
2.4 Aufbau und Funktion der Solarzelle
Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien. Diese Halbleitermaterialien
und deren Stoffe besitzen die Eigenschaften bei tiefen Temperaturen isolierende
Eigenschaften anzunehmen, während sie elektrisch leitfähig werden, wenn Licht oder
Wärme zugeführt wird. Hauptbestandteil einer Solar/Photovoltaikzelle ist Silizium. Über
95% aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial
Silizium. Silizium bietet den Vorteil, dass es als zweithäufigstes Element der Erdrinde in
ausreichenden Mengen vorhanden ist und die Verarbeitung des Materials als
umweltschonend gilt. Der allgemeine Aufbau einer Solarzelle beschreibt im Wesentlichen
eine großflächige Diode, mit dem der pn-Übergang die Grundlage zum Verständnis ihrer
Funktionsweise bildet und die Methoden der Halbleiterphysik für die Beschreibung
herangezogen werden können (
siehe Kap. 2.4.1
).
Abbildung 2.4-a: pn-Übergang in der Funktionsweise der Halbleiterphysik
und die Größe einer Solarzelle
Quelle: http://solarzelle.know-library.net/
Aufgebaut sind Photovoltaikzellen aus mindestens vier Schichten, von denen nur die
positiv- bzw. negativ-leitenden Schichten aus einem Halbleiter bestehen. Diese Schichten
werden abgekürzt p-Schicht (
siehe
Abb. 2.4-b
1 µm dick) und n-Schicht (0,3 µm dick)
genannt. Um eine Photovoltaikzelle herzustellen muss das Halbleitermaterial ,,dotiert"
werden. Die Art des Dotierstoffes bestimmt also die Art und die Größe der Leitfähigkeit
des Halbleiters.
2.0 Grundlagen
.
Seite 22
Über die in die Photovoltaikzelle eingebauten Leiter aus Metall ist es nun möglich, die
gewonnene Spannung abzugreifen. Über das Schließen des Stromkreises, zum Beispiel
über das einklemmen eines Verbrauchers, kann nun ein fließender Gleichstrom gemessen
werden. Die bisher hergestellte Standardgröße für Photovoltaikzellen beträgt 10 cm
·
10
cm.
Abbildung 2.4-b: Aufbau einer typischen pn-Silizium Solarzelle
Quelle: Meissner, D 1993
Erst vor kurzem wurde dieses Angebot noch durch eine Zelle mit den Abmessungen
15 cm
·
15 cm erweitert. Die Zellen sind mit einer durchsichtigen Antireflexschicht
(
siehe Kap. 2.4.5
) überzogen. Somit wird ein gewisser Schutz der Zellen erreicht und der
Verlust durch Reflexion an der Zelloberfläche minimiert. Je nach Lichteinstrahlung steigt
oder fällt die Stromstärke, während die Lichteinstrahlung kaum einen Einfluss auf die
Klemmenspannung hat. Die abgreifbare Spannung ist dabei abhängig vom Halbleiter-
material, das für die Photovoltaikzelle verwendet wurde. Eine einzelne Solarzelle hat eine
Spannungsvariabilität von 0,5 1 Volt. Die Stromdichte beträgt 20 40 mA/cm². Zum
Beispiel beträgt die Spannung bei Silizium ungefähr 0,5 V. Betrachtet man eine
Siliziumzelle mit einer Fläche von 100 cm² und bestrahlt sie mit 1.000 W/m², erhält man
die maximale Stromstärke von etwa 2 Ampere. Hierbei hat die Außentemperatur einen
entscheidenden Einfluss auf die Leistung (Leistung P = Strom I
·
Spannung U) einer
Photovoltaikzelle. Umso höher die Temperatur der Zellen, desto kleiner die Leistung. Und
somit sinkt auch der Wirkungsgrad, welcher die Umwandlung der aufgenommenen
Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie beschreibt (
siehe Kap. 2.4.3
und
Anhangsv.
Abb. 2.4-c
).
2.0 Grundlagen
.
Seite 23
2.4.1 Der p-n Übergang
Die Lichtteilchen der Sonne (Photonen) werden in der Solarzelle absorbiert. Dort
erzeugen die Photonen Elektronen, die sich vorerst frei im Halbleiter bewegen können.
Diese erzeugten Elektronen werden in negative Ladungen und positive Ladungen
(Löcher) eingeteilt. Tritt der Fall ein, dass diese Ladungen zu lange beieinander sind oder
sich begegnen, rekombinieren sie, was zur Folge hat, dass kein Strom entsteht. Damit
keine Rekombination stattfindet, werden die beiden Ladungen so schnell und effektiv wie
möglich mittels pn-Übergang getrennt. Der pn-Übergang entsteht an der Grenzfläche
zwischen der negativ-leitenden Schicht und der positiv-leitenden Schicht. Die positiv und
negativ leitenden Schichten werden bei der Herstellung der Solarzelle erzeugt. In der
positiven Schicht gibt es fast nur Löcher und in der negativen Schicht fast nur Elektronen.
Abbildung 2.4.1-a: Darstellung des pn-Übergangs mittels Solarzellen Querschnitt
Quelle: eigene Darstellung
2.0 Grundlagen
.
Seite 24
2.4.2 Eigenschaften und Wirkungsgrad der Solarzelle
Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium
beträgt sie etwa 0,5 Volt. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Licht-
Einstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke
ansteigt. Bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter
Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2 A. In der Abbildung 2.4.2-a wird die
Strom- und Spannungskennlinie einer kristallinen und amorphen Solarzelle für eine Fläche
von 5 cm² angezeigt.
Abbildung 2.4.2-a: Strom- und Spannungskennlinie für eine kristalline und amorphe
Silizium Solarzelle
Quelle: eigene Darstellung
Die Leistung (Produkt aus Strom und Spannung) einer Solarzelle ist temperaturabhängig.
Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem
schlechteren Wirkungsgrad.
Der Wirkungsgrad:
Der Wirkungsgrad, wichtigste Kenngrösse einer Solarzelle, gibt an, wie viel Prozent der
eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird. Bei
industriell gefertigten Solarzellen beträgt der Wirkungsgrad eine Größe zwischen 10- und
16 Prozent. Im Labor werden mit höherem technischem Aufwand Wirkungsgrade mit
Silizium bis zu 24% erreicht.
2.0 Grundlagen
.
Seite 25
Bei Galliumarsenid werden sogar über 33% Wirkungsgrad mit 3 pn-Übergängen erzielt.
Eine Strom-Spannungs-Kennlinie, aus der alle für die Solarzelle relevanten Parameter
bestimmt werden können (
siehe Abb. 2.4.2-b
). Diese Abbildung zeigt eine typische
Kennlinie einer Si-Solarzelle bei Dunkelheit (dunkel) und Licht (hell). Man beachte, dass
die Dunkelkurve die Kennlinie einer Diode darstellt und lediglich zur Lichtkurve parallel
verschoben ist. Durch die Beleuchtung wird die Kennlinie um den konstanten Betrag jsc
- dem Lichtstrom - nach unten verschoben. Im ,,maximalen Power Point" (MPP) ist die
abgegebene Leistung maximal. Beim Betrieb der Solarzelle muss der externe
Lastwiderstand so gewählt werden, dass diese im ,,maximalen Power Point" betrieben
wird. Unter Vernachlässigung der Rekombination in der Raumladungszone.
Dazu gehören die Kurzschlussstromdichte jsc, die Leerlaufspannung Voc, der Füllfaktor
(engl. Fill-faktor) und natürlich der Punkt maximaler Leistung MPP= Wirkungsgrad (engl.
Maximum power point) selbst. Aus den Schnittpunkten mit den jeweiligen Koordinaten-
achsen erhält man zum einen die Kurzschlussstromdichte jsc (engl. short circuit current
density) für den spannungsfreien Fall bzw. die Leerlaufspannung Voc (engl. open circuit
voltage) im stromlosen Fall. Maximale Leistungsentnahme erfordert den Abschluss des
äußeren Kreises mit einem entsprechend angepassten Arbeitswiderstand. Solarzellen
werden so wie alle elektrischen Bauteile anhand ihrer Kennlinien (Strom-
Spannungskurven) charakterisiert. Bisher wurde überwiegend die Silizium-Solarzelle
beschrieben (siehe
Kap. 2.4.4
Wirkungsgrad-Vergleich und
Kap. 3.7.2
Wirkungsgrad des
Projektwechselrichters).
Abbildung 2.4.2-b: Hell und Dunkelkennlinie eines pn-Übergangs nach dem Ein-Dioden-Modell.
Quelle: eigene Darstellung
2.0 Grundlagen
.
Seite 26
Die Reflexion und Passivierung:
Mit dem Verfahren der Verunreinigungen lässt sich aber noch lange keine effiziente
Solarzelle herstellen, denn die meisten Halbleiter geben eine große Reflexion an der
Zellenvorderseite ab. Durch diese Reflexion gelangt ein großer Teil des Lichts gar nicht
erst in die Zelle, sondern wird bereits an der Zellenoberfläche zurückgeworfen (reflektiert).
Eine unbeschichtete Solarzelle (Wafer) glänzt daher und sieht silbrig aus. Um eine
Reflektion des Lichtes zu verhindern, bringt man eine Antireflexschicht auf die Oberfläche
auf. Der beschichtete Wafer erhält dann eine Farbe in den Bereichen zwischen schwarz
bis silbern (
siehe Kap. 2.4.5
). Diese Schicht reduziert die Reflexionsverluste von etwa
40% auf 5%.
Auf der Oberfläche eines Halbleiters gibt es so genannte Zwischenzustände, die das
Rekombinieren sehr leicht machen. Durch die Bandlücke wird ein so großer Abstand
hergestellt, dass es ohne Zwischenzustände nur wenig Rekombinationen gibt. Bei der
Passivierung wird die entsprechende Schicht die das Rekombinieren ermöglichen
ausgeschaltet, indem man z.B. eine Schicht aus Si3 N4 aufbringt. Eine Passivierung an
der Rückseite nennt man auch Rückseitenfeld oder auch Back Surface Field (BSF). Der
Passivierungseffekt beruht darauf, dass eine Barriere (erhöhte Dotierung) den Elektronen
keinen Zugang zur Oberfläche ermöglicht. Die Löcher, die trotzdem die Oberfläche
erreichen, können alleine nicht mehr rekombinieren. Das Rückseitenfeld dient somit als
Passivierung. Durch dieses Verfahren kann die Leistung der Solarzelle deutlich verbessert
werden und der Solarzellenwirkungsgrad steigt bei beiden Passivierungsschritten um
jeweils 1 bis 2%.
Der Kontaktgrid:
Der erzeugte Strom muss über die Vorder- und Rückseitenkontakte abgeführt werden.
Das Sonnenlicht fällt nun auf die Vorderseite der Zelle und kann nicht ungehindert durch
die Kontakte hindurch scheinen. Daher werden die Kontaktflächen möglichst klein
gehalten was wiederum zur Folge hat, dass bei einer zu kleinen Kontaktfläche der
elektrische Widerstand in den Metallfingern erhöht wird und die Leistung der Solarzelle
geringer wird. Um dieses Problem zu lösen, muss einiger Aufwand betrieben werden um
eine geeignete Form für den Vorderseitenkontakt anzupassen. Üblich ist eine Metallfinger
Gitterstruktur, da die vielen kleinen Metallfinger den Strom sammeln und ihn zu einer
Sammelschine (Busbar) transportieren.
2.0 Grundlagen
.
Seite 27
Die üblichen Kontaktfinger haben in der Regel eine Dicke von 20µm (1 Mikrometer =
1/1000 Millimeter) und eine Breite von 50 100 µm, welche aus Aluminium oder Silber
bestehen. Darüber hinaus ist es möglich eine Legierung für eine Kontaktverbesserung aus
Palladium oder Titan aufzubringen. Die Kontakte werden aufgedruckt oder aufgedampft.
Bestimmung des Punktes maximaler Leistung:
Hierzu sei kurz an den elektrotechnischen Begriff der Leistungsanpassung erinnert. Die
Klemmenspannung U
KL
einer Stromquelle ist vom angelegten Lastwiderstand abhängig
nach der Beziehung:
Ri
Uo
·
-
=
I
UKL
Formel 1
mit Ri = innerer Widerstand der Stromquelle und Uo = Leerlaufspannung der Stromquelle.
Es lässt sich zeigen, dass die Leistung (P = I
·
U), die bei offenem Stromkreis (I = 0) und
bei Kurzschluss (U = 0) jeweils gleich Null ist, ein Maximum hat, wenn der Außenwider-
stand Ra (= Last) gleich dem Innenwiderstand Ri ist. Der Innenwiderstand der Zelle lässt
sich über die (
Abb. 2.4.2-c
) leicht graphisch ermitteln. In Diagramm
a)
ist P gegen Ra
aufgetragen. Die Spannung UMPP kann aus dem Diagramm
b)
P gegen U abgelesen
werden. Die korrespondierende Stromstärke am Punkt maximaler Spannung kann in der
Kennlinie (
Abb. 2.4.2-d
) eingezeichnet bzw. abgelesen werden.
Abbildung 2.4.2-c: Graphische Ermittlung des Innenwiderstands der Solarzelle
a) P gegen Ra b) P gegen U
Quelle: eigene Darstellung
2.0 Grundlagen
.
Seite 28
Berechnung des Füllfaktors:
Uoc
UMPP
IMPP
FF
·
·
=
ISC
jsc
Voc
jMPP
VMPP
·
·
=
Formel 2
Der Füllfaktor beschreibt somit das Verhältnis der Flächen zweier Rechtecke, nämlich
I
SC
·
U
OC
als die theoretische Maximalleistung und IMPP
·
UMPP als die experimentell
bestimmte Maximalleistung (engl. maximum power point, MPP) einer Solarzelle. Er ist ein
Maß dafür, wie sehr die IV-Kennlinie einem Rechteck ähnelt (
siehe Abb. 2.4.2-d
).
Je geringer also der Stromverbrauch der Diode in der Solarzelle ist, desto mehr Leistung
kann die Solarzelle abgeben und desto größer ist der Füllfaktor. Der Füllfaktor ist immer
kleiner als 1 und wird mit der
Formel 2
definiert.
Abbildung 2.4.2-d: Darstellung des Füllfaktors (engl. Fill-Faktor)
Quelle: eigene Darstellung
Berechnung des Wirkungsgrades:
Leistung am Punkt maximaler Spannung
FF
Pmax
·
·
=
·
=
Uoc
ISC
UMPP
IMPP
Formel 3
2.0 Grundlagen
.
Seite 29
Elektrische Beschreibung von Solarzellen:
Eine unbestrahlte Solarzelle (
siehe
Abbildung 2.4.2-e ESB a)
) verhält sich wie eine
Diode und hat physikalisch den gleichen Aufbau. Die Solarzelle besteht ebenfalls aus
einem n- und p-dotierten Halbleiter mit einer sich ausbildenden Raumladungszone. Der
Zellstrom
I
und die Zellspannung
U
werden über folgende Parametergrößen ermittelt
welche hierbei folgende Bedeutung haben:
IS
=
der Sättigungsstrom in Diodensperrichtung liegt in der Größenordnung
von 10
-10
Ampere
m
=
der Diodenfaktor wurde eingeführt, da bei vielen Solarzellen ein Kennlinien
verlauf zu beobachten ist, der von der idealen Diode abweicht. Eine
bessere Beschreibung der Solarzelle wird durch den Diodenfaktor
zwischen 1 und 5 möglich. Der Faktor ist bei einer idealen Diode ist = 1.
U
,
I
=
Solarzellenklemmspannung bzw. -strom
UT
=
Temperaturspannung (UT = 25,7mV bei einer Temperatur von 25°C)
UD
,
ID
=
Diodenspannung bzw. Strom
[
[
]
]
1
-
·
·
-
=
-
=
UT
m
UD
exp
IS
ID
I
Formel 4
Formel 5
Bei einer bestrahlten Solarzelle kann im vereinfachten ESB eine Stromquelle parallel zu
Diode geschaltet werden (
siehe Abb. 2.4.2-e Esb b)
). Diese Stromquelle produziert einen
Photostrom
I
Ph
, der über einen Koeffizienten
co
von der Bestrahlungstärke
E
abhängig ist:
I
Ph =
co
*
E
Formel 6
co
Koeffizient des Photostroms [
co
] = V
-1
m²
E
Bestrahlungsstärke der Zelle [
E
] = W/m²
[
[
]
]
1
-
·
-
=
-
=
UT
m
U
exp
IS
IPh
ID
IPh
I
2.0 Grundlagen
.
Seite 30
Aus dem ersten Kirchhoffschen Gesetz ergibt sich die Gleichung für die Strom-
Spannungs-Kennlinie
der
Solarzelle
des
vereinfachten
Ersatzschaltbildes
(
siehe Formel 5
). Für eine genauere Beschreibung der Solarzelle sollte das einfache
Ersatzschaltbild erweitert werden, da die Abweichungen zwischen der berechneten
Kennlinie und den realen Werten bei wenigen Prozent liegen. Der Spannungsabfall, der
bei einer realen Solarzelle auf dem Weg der Ladungsträger vom Halbleiter zu den
externen Kontakten auftritt, kann über den Serienwiderstand Rs beschrieben werden.
Dieser Widerstand liegt bei realen Zellen im Milliohm Bereich. Leckströme die an der
Kante einer Solarzelle auftreten, können durch den Parallelwiderstand Rp beschrieben
werden (
siehe Abb. 2.4.2-e ESB c)
). Dieser Parallelwiderstand ist in der Regel größer als
10 Ohm.
Abbildung 2.4.2-e: Ersatzschaltbilder einer Solarzelle im a) unbestrahlten
b) im bestrahlten c) und im erweiterten Eindiodenmodell
Quelle: eigene Darstellung
Wirkungsgrad der Solarzelle:
·
= P
max
Formel 7
2.0 Grundlagen
.
Seite 31
Dabei ist Pmax / Pmpp die elektrische Leistung und
·
ist die eingestrahlte
Lichtleistung (
= Fläche der Solarzelle, = Lichtfluss [W/m²]).
Solarzellenparameter: VMPP/UMPP =
Spannung am Punkt maximaler Leistung
jMPP/IMPP =
Stromdichte am Punkt maximaler Leistung
Voc/Uoc
= Leerlaufspannung
jsc/Isc
=
Kurzschlussstromdichte
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist schließlich definiert als das Verhältnis der von der
Zelle photovoltaisch erzeugten elektrischen Leistung zur auffallenden Lichtleistung. Unter
Verwendung des Normspektrums AM 1.5 (Bestrahlungsstärke 1000 W/m²) und der Formel
für den Füllfaktor ergibt sich somit:
PLicht
Pelektrisch
=
=
PLicht
jMPP
VMPP ·
=
PLicht
FF
jSC
Voc
·
·
Formel 8
Leistung einer kristallinen Solarzelle:
Im Punkt der maximalen Leistung (Maximum Power Point MPP) ist die elektrische
Leistung P
MPP
einer Solarzelle am größten. Sie ergibt sich aus dem Produkt der
Solarzellenspannung U
MPP
multipliziert mit dem Solarzellenstrom I
MPP
und hat die Einheit
Wattpeak (Wp = Spitzenleistung). Ihre Größe wird maßgeblich vom Solarzellenstrom I
MPP
bestimmt.
Elektrische Spannung einer Solarzelle:
Die elektrische Spannung einer Solarzelle ist im unteren Solarstrahlungsbereich (bis 100
W/m²) stark abhängig von der Einstrahlung, im oberen Bereich bei hohen Einstrahlungen
relativ konstant. Temperatureinflüsse verändern den Wert zusätzlich: Bei Erwärmung sinkt
die Spannung, bei Abkühlung steigt sie an. Im unbelasteten Zustand einer Solarzelle stellt
sich die Leerlaufspannung U
L
ein, im MPP die Zellenspannung U
MPP
. Die Kennlinie einer
Solarzelle spiegelt die zwei wichtigsten Eigenschaften des p/n-Übergangs wieder.
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2007
- ISBN (eBook)
- 9783836607131
- DOI
- 10.3239/9783836607131
- Dateigröße
- 4.6 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Rheinische Fachhochschule Köln – Elektrotechnik, Studiengang Allgemeine Elektrotechnik
- Erscheinungsdatum
- 2007 (Dezember)
- Note
- 2,3
- Schlagworte
- photovoltaik solarenergie sonne solarzelle
