Vorlesung Photovoltaik - Unics.uni-hannover.de

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Photovoltaik

Vorlesung Technischer Ausbau

Thema

Photovoltaik

Physikalische Grundlagen; Prinzip

Sonnenernte; solare Deckungsrate

Anlagenkonzeptionen

Beispiele


PHOTOVOLTAIK

Vorlesung Technischer Ausbau

Thema

Photovoltaik

Physikalische Grundlagen; Prinzip

Sonnenernte; solare Deckungsrate

Anlagenkonzeptionen

Beispiele

Quelle:www.bp-solar.de


PHOTOVOLTAIK

Quelle: BINE Informationsblatt

Ausgabe Nr. 12/November 95


PHOTOVOLTAIK


PHOTOVOLTAIK

Physikalische Grundlagen

Solarkonstante am äußeren Rand der

Erdatmosphäre 1353 W/m2

Air Mass (AM) :

extraterrestische Energie durch luftleeren Raum AM = 0

am Äquator reduzierte Strahlung AM = 1

in unseren Breiten reduziert durch Staub etc. AM = 1,5


PHOTOVOLTAIK

Herstellung von Solarzellen

Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Seine

einfachste Verbindung ist das Siliziumdioxid (SiO2), auch als

Quarzsand bekannt. Silizium ist der wichtigste Grundstoff der

Halbleitertechnik. Aus ihm werden Computermikrochips,

Transistoren und 99 Prozent aller Solarzellen hergestellt. Um

Halbleitersilizium zu erhalten, muss dem Siliziumdioxid der

Sauerstoff entzogen werden.

Das so gewonnene Rohsilizium muss durch aufwendige Prozesse

gereinigt werden, um den erforderlichen extrem hohen

Reinheitsgrad zu erreichen. Aus der Schmelze dieses Materials

werden entweder Blöcke gegossen oder säulenförmige Kristalle

gezogen. Mittels einer Drahtsäge werden die Siliziumsäulen in

sehr dünne Scheiben geschnitten. Diese Siliziumscheiben

werden auch Wafer genannt und bilden die Grundlage für die

Herstellung von Solarzellen.

Quelle:www.shell-solar.de


PHOTOVOLTAIK

Prinzip der Fotovoltaik:

Lichtteilchen auf Halbleitermaterial (kristalline Siliziumstrukturen)

welches in der Lage ist, Elektronen freizugeben. Elektronen werden

aus Gefüge gelockert und können sich frei bewegen. Durch das

Richten des Elektronenflusses der Solarzellen entseht Stromkreis

Anderes Modell: Wellenmodell; Energieinhalt der auftreffenden

Strahlung nach Wellenbereich unterschiedlich. Je größer Frequenz

desto höher, der Energieinhalt. Durch Auftreffen der Strahlung

werden die Amplituden der der Kristallschwingungen erhöht.

Kurzwellige Strahlung wird in langwellige erhöht. Die

Temperatur steigt. Die gewonnene Wärme wird an einen

Moderator weitergeleitet.


PHOTOVOLTAIK

Quelle: Zeitschrift Ministerium für

Bauen und Wohnen NRW


PHOTOVOLTAIK

Die Leistung von Fotovoltaikelementen

wird in

Wp (Watt peak)

angegeben. Das ist die Leistung, die bei Testbedingungen

mit 1000 W/m2 und 25 GRD C ermittelt wird.

Achtung: Leistungsangaben sind immer auf diesen Zustand

bezogen!


PHOTOVOLTAIK

Typen von Solarzellen

Es gibt inzwischen mehrere Typen von Solarzellen.

Monokristalline Silicium-Solarzellen

•Herstellung:

Mit Hilfe des Czochralski-Verfahren wird eingeschmolzenes Silicium zu einem

stabförmigen Einkristall gezogen und danach in Scheiben gesägt.

•Kennzeichen:

Monokristalline Silicium-Solarzellen erkennt man an ihrer gleichmäßigen, glatten

Oberfläche sowie gebrochenen Ecken.

•Wirkungsgrad:

Labor : 23,3 % Praxis : 15 - 18,5 %


PHOTOVOLTAIK

Typen von Solarzellen (Fortsetzung )

•Multikristalline Silicium-

Solarzellen

•Herstellung:

Geschmolzenes Silizium wir in Blöcke

gegossen, dabei wird die Einkristallbildung

unterbunden. Aus dem grobkörnig erstarrtem

Silicium werden Scheiben gesägt.

•Kennzeichen:

Multikristalline Silicium-Solarzellen besitzen eine

unregelmäßige Oberfläche, auf der deutlich die

Kristalle mit einem Durchmesser von einigen

Millimetern bis Zentimetern zu erkennen sind.

•Wirkungsgrad:

Labor : 17,8 % Praxis : 12 - 14 %


PHOTOVOLTAIK

Typen von Solarzellen (Fortsetzung )

•Amorphe Silicium-Solarzellen

•Herstellung:

Silizium wird aus der Gasphase auf einen Träger

(zumeist Glas) als dünne Schicht aufgebracht.

•Kennzeichen:

Eine Kristallstruktur ist hier nicht zu erkennen.

Amorphes Silicium besteht aus ungeordneten

Silizium-Atomen.

•Wirkungsgrad:

Labor: 11,5 % Praxis: 5 - 8 %

Quelle:www.bi-invest.de


PHOTOVOLTAIK

Prinzipdarstellung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage


PHOTOVOLTAIK

Photovoltaik Anlagen können netzgekoppelt, alleine oder

in Verbindung mit Stromgeneratoren betrieben werden.

Eine Pufferung in Batterien ist möglich, bei größeren

Leistungen wegen unzureichender Batteriekapazitäten

eingeschränkt.

Beispiel:

Gel Batterien 85 Ah....185Ah (204 Euro...580 Euro/Stück)

entspricht 1,02 kWh...2,2 kWh)

Bei 55 kWh Durchschnittsverbrauch einer Wohnung je Tag

müssten 54 Batterien je 85 Ah bei energieautarkem

Betrieb vorhanden sein (bei Blei Batterien doppelt soviele

wegen Tiefenentladung!


PHOTOVOLTAIK

Netzparallel betriebene Anlage mit PV

Quelle: Technische Information

Wagner&Co


PHOTOVOLTAIK

Geeignete Flächen in der

Gebäudehülle

Dachintegration

Bei der Integration einer

Photovoltaikanlage in ein

Gebäude gilt die erste

Überlegung den geeigneten

Flächen. Prinzipiell kommt

hierfür jede Fläche in Frage,

die einer direkten

Sonneneinstrahlung ausgesetzt

ist. In der Praxis haben sich

einige Bereiche der

Gebäudehülle als besonders

geeignet erwiesen. Im

Dachbereich gilt dies vor allem

für das Schrägdach, welches

idealerweise als südorientiertes

Pultdach ausgebildet wird. Zu

beachten ist hierbei, daß

Dachgauben oder

Installationen, die die Dachhaut

durchdringen,

ertragsmindernde

Verschattungen hervorrufen

können. Bei geringer

Dachneigung sind auch nicht

opimal orientierte Dachflächen


PHOTOVOLTAIK

Ertragsbeeinfluss

ende

Planungsfaktoren

Bei

Ausrichtung

der Planung einer Photovoltaik-

Anlage ist die Ausrichtung der

gewählten Gebäudeflächen in

besonderem Maße zu berücksichtigen.

Wenngleich auch die Planungskriterien

bei gebäudeintegrierten Anlagen nicht

rein ertragsorientiert sein müssen, so

ist es dennoch unabdingbar, die

besonderen Anforderungen dieser

elektrotechnischen Bauteile zu

berücksichtigen. In erster Linie gilt dies

für die Ausrichtung der Modulfläche,

die mit Südorientierung und einer

Neigung von ca. 35° gegen die

Horizontale in Mitteleuropa über das

Jahr betrachtet die maximalen

Solarerträge ermöglicht. Dennoch hat

man als Planer bei der Ausrichtung

des Gebäudes einen großen

Spielraum: Abweichungen von süd-ost

bis süd-west ziehen lediglich geringe

Ertragseinbußen nach sich. Bei der

Wahl des Neigungswinkels hat man

mit südlicher Orientierung selbst bei

vertikalem Einbau noch fast 3/4 der

Einstrahlung gegenüber einer

optimalen Ausrichtung


PHOTOVOLTAIK

Fassadenintegration

Ein beträchtliches Potential

an geeigneten Flächen

stellen die Gebäude-

Fassaden dar. Diese

vertikalen Flächen sind zwar

nicht ideal ausgerichtet,

sodaß eine solche

Anordnung

eintrahlungsbedingt mit

Ertragseinbußen verbunden

ist, jedoch wird dieser

Nachteil durch die

Übernahme zusätzlicher

Fassaden-Funktionen

ausgeglichen. Die vielfältigen

konstruktiven Möglichkeiten

bei Photovoltaikmodulen

ermöglichen es, daß nahezu

alle Funktionen einer

Fassade übernommen

werden können. In erster

Linie bietet sich für die

Anbringung von Photovoltaik-

Modulen eine vollflächige,

hinterlüftete Kaltfassade mit

südlicher Orientierung an.

Bei entsprechender Planung

mit gezielter Abluftführung

kann die Modultemperatur

niedrig gehalten, und die


PHOTOVOLTAIK

Hinterlüftung

Neben der Ausrichtung und möglicher Abschattung der Module hat der elektrische

Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag.

Dieser nimmt mit zunehmender Erwärmung der Solarzellen ab. Der Planer hat darauf

über die Wahl der konstruktiven Einbindung großen Einfluss. Eine ausreichende

Hinterlüftung sollte durch entsprechende Planung gewährleistet sein, zumindest aber mit

den anderen bautechnischen und gestalterischen Entscheidungskriterien abgewogen

werden. Quelle www.agns.de


PHOTOVOLTAIK

Verschattungsfreiheit

Entscheidend für den Ertrag einer

Photovoltaikanlage ist nach der

Orientierung die Verschattungsfreiheit

der Generatorfläche. Hierbei gilt für

Photovoltaik-anlagen die Besonderheit,

dass aus oben angeführten Gründen

bereits geringe Abschattungen von

Modulen eine große Ertragseinbuße

nach sich ziehen können. Oberstes Ziel

sollte es daher sein, die Modulfläche so

zu planen, dass sie im Tagesverlauf -

zumindest über das Sommerhalbjahr -

verschattungsfrei bleibt. Besonderes

Augenmerk gilt hierbei der Analyse der

umgebenden Bebauung. Auch

Bepflanzungen können - eventuell erst

zu einem späteren Zeitpunkt -

Verschattungssituationen hervorrufen.

Dies gilt besonders für neu entworfene

Grünanlagen, die oftmals von externen

Planern gestaltet werden. Genaue

Vorgaben zur Sicherstellung der

Verschattungsfreiheit sind daher

ratsam. Auch eine mögliche

Selbstverschattung des Gebäudes

sollte untersucht weden. Dies kann

sowohl durch die Gebäudegeometrie

selbst hervorgerufen werden, als auch

über Kostruktionen im Detail: Tiefe

Quelle www.agns.de

Abdeckleisten, abgehängte Elemente


PHOTOVOLTAIK

40 kWp – Photovoltaik – Anlage in Verbindung mit einer

thermischen Solaranlage auf dem Dach eins Wirtschaftgebäudes in Köln

Quelle: Zeitschrift Ministerium für

Bauen und Wohnen NRW


PHOTOVOLTAIK

Beispiele: Solar Fassaden

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Fortbildungsakademie Herne

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


Eine neue Dimension im Bereich der

1 Megawatt Solarzellenleistung

Photovoltaikintegration

280 Solarmodule in die Fassade integriert

2904 Solarmodule ins Dach integriert

Das Gebäude produziert jährlich ca.

750.000 kWh Strom

Das entspricht dem dreifachen des Energieeigenbedarfs

Auf diese Weise werden 375.000 kg CO 2 pro Jahr eingespart

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

Quelle:: Zeitschrift Pilkington

Solar International


PHOTOVOLTAIK

März 98

Die Bauphase

Mai 98

April 98

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden

August 98

Das gesamte Tragwerk besteht

aus Holz


.

Photovoltaik-Integration in Gebäuden

Quelle: Pilkington CD


PHOTOVOLTAIK

Die gesamte Dachfläche beträgt über 12.000m 2

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Der Rohbau der Bücherei unter der Dachkonstruktion

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Es wurden fünf unterschiedliche

semitransparente Elemente eingesetzt

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


Arbeiten auf einem

Megawatt... Quelle:

Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Die Größe der Module beträgt bis zu 3,2 m 2

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Bundeswirtschaftsministeriums

Berlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kW, geneigte Warmfassade Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Das Dach des Ministeriums

Berlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kW, geneigte Warmfassade Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Berlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kW, geneigte Dachintegration Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

40 kW Solar

Generator

Berlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kW, geneigte Dachintegration Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden

Gelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kW, farbige Fassadenelemente im Brüstungsbereich


Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden

Gelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kW, farbige Fassadenelemente im Brüstungsbereich


Verschattete Innenansicht

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Konstanz, Stadtwerke, 63 kW, variable, geneigte Solarelemente zur

Verschattung

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


…auf semitransparenten begehbaren Modulen.


Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden

Innenansicht


PHOTOVOLTAIK

Quelle: Thyssen-Solartec

Informationsblätter


PHOTOVOLTAIK

Quelle: Thyssen-Solartec

Informationsblätter


PHOTOVOLTAIK

Quelle: Thyssen-Solartec

Informationsblätter


PHOTOVOLTAIK

Quelle: sunways AG

Informationsblätter


PHOTOVOLTAIK

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Aufdachkonstruktion einer

PV - Anlage zur Verschattung

Konstanz, Stadtwerke, 63 kW, variable, geneigte Solarelemente zur

Verschattung

Quelle: Pilkington CD

Photovoltaik-Integration in Gebäuden


PHOTOVOLTAIK

Maximale Strahlungsleistung

auf senkrecht bestrahlter Fläche

Strahlungsleistung bei sehr

dichter Bewölkung

Leistungsbereich der diffusen

Strahlung bei bewölktem Himmel mit

vollständig verdeckter Sonne

Jährliche Einstrahlung

auf horizontale

bzw. 45° nach Süden geneigte Fläche

Maximalwert der täglichen

Einstrahlung

(sehr klares Sommerwetter)

Minimalwert der täglichen

Einstrahlung

(sehr trübes Wetter)

Mittelwert der täglichen Einstrahlung

an den 100 besten Sonnentagen des

Jahres

Einstrahlung an den 100

ungünstigsten Tagen des Jahres

ca. 1 kW/m²

ca. 0,02 kW/m²

0,02 - 0,25 kW/m²

900 - 1.200 kWh/m² a

ca. 8 kWh/m² d

ca. 0,1 kWh/m² d

ca. 5,5 kWh/m² d

kleiner als 1 kWh/m² d

Jährliche Sonnenscheindauer 1.300 - 1.900 h/a

Sonnenscheindauer

April bis September

(Sommerhalbjahr)

Sonnenscheindauer

Oktober bis März

(Winterhalbjahr)

300 - 500 h

1.000 - 1.400 h


PHOTOVOLTAIK

Quelle: Technische Information

Wagner&Co


PHOTOVOLTAIK

Quelle: Technische Information

Wagner&Co


PHOTOVOLTAIK

Colt International, Kleve

GSS

Saint-Gobain Glas Solar, Aachen

•Witterungsschutz

•Sonnenschutz

•Wärmedämmung

•Schallschutz

•Sichtschutz/Lichtlenkung

•Ästhetische Qualität


PHOTOVOLTAIK

Über Rahmen verschraubt

Siemens Solar, München

Geklebtes System

Wicona, Ulm

Konstruktive Integration

Pfosten/Riegel-System

Schüco International, Bielefeld

Punktuelle Klammerung

Götz Fassaden, Würzburg

Einfache Klemmleisten

BP-Solarex, Hamburg

Durch Bohrungspunkt gehalten

Solon AG, Berlin


PHOTOVOLTAIK

Auslegung von Fotovoltaik Anlagen erfolgt

nach der Leistungsbilanz

nach der Stromverbrauchsstruktur

nach der möglichen Stromernte


PHOTOVOLTAIK

Wettringen

Düsseldorf

Karte der

Sonneneinstrahlung

Wiesbaden

Mainz

Saarbrücken

Schwerin

Hamburg

Bremen

Stuttgart

Kiel

Berlin

Hannover Potsdam

Magdeburg

Erfurt

München

Dresden

Durchschnittliche

Sonnenscheindauer

in Stunden pro Jahr

1300- 1400

1400- 1500

1500- 1600

1600- 1700

1700- 1800

1800- 1900


PHOTOVOLTAIK

Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


PHOTOVOLTAIK

Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


PHOTOVOLTAIK

Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


PHOTOVOLTAIK

Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


PHOTOVOLTAIK

Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


PHOTOVOLTAIK

Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


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Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


PHOTOVOLTAIK

Quelle: d-extrakt

Grundlagen und Beispiele für

die Solare Nutzung von Dachflächen 97


PHOTOVOLTAIK

In dem angegebenen Umgebungstemperatur- bereich von 0 ... 40°C erreichen

PV-Elemente die maximale Einspeiseleistung.

Bei höheren Umgebungstemperaturen bis 60°C reduziert sich die

Ausgangsleistung entsprechend der folgenden Grafik: (Quelle:www.Siemensphotovoltaik.de)


PHOTOVOLTAIK

Hersteller Typ Bezeichnung Abmessung

L x B

Leistun

g

Wp

Bemerkung

Shell-Solar multikristallin S 115 1.220 x 850 113 W rahmenlos /Rahmen

Shell-Solar multikristallin S 100 1.220 x 850 98 W auch rahmenlos mit Laminat erh.

Shell-Solar multikristallin S 105 1.220 x 850 103 W

Shell-Solar multikristallin S 75 1.220 x 527 75 W

BP-Solar monokristallin BP 5170 1.593 x 790 170 W Alum.-Rahmen

BP-Solar mulitkristallin BP 3160 1.587 x 764 160 W

BP-Solar monokristallin BP 2140 1.595 x 755 140 W

BP-Solar monokristallin BP 585 F 1.188 x 508 80 W Saturn-Mod. 17 % …

BP-Solar multikristallin BP MSX 120 1.188 x 991 120 W

BP-Solar Dünnschicht BP 980 1.557 x 639 80 W

BP-Solar polykristallin BP 275 537 x 1.209 75 W R = 15 %

BP-Solar Dünnschicht MST 43 MW 666 x 1.129 43 W R = 5,5 %

Viessmann polykristallin Vitovolt 300 2.385 x

1.138

Siemens Solar SP 140 1.619 x 814 140 W

320 W R = 12 %

Würth Solergy monokristallin WE 104 1.285 x 645 103 W R = 14,4 %

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