Stand der Technik und neue Entwicklungen in der Photovoltaik

Stand der Technik und neue
Entwicklungen in der Photovoltaik
Gerd Becker
Fachhochschule München - Solarlabor
Solarenergieförderverein Bayern e.V.

Inhalt
1. Einführung
Anwendungen - Warum Photovoltaik?
Systemaufbau - Kosten
Solare Strahlungsleistung und Energie
Markt für Photovoltaik
Physikalische Grundlagen
2. Technologie
Solarzellen – Bisherige Dickschichttechnologie – Entwicklungen Dünnschicht
Wechselrichter
Kennlinien - Erträge
3. Gebäudeintegrierte Photovoltaik GIPV
Wettbewerbe „Strom aus der Gebäudehülle“
4. Beispiel eines Breitenprogramms
Sonne in der Schule
5. Simulation
Modellierung von PV-Systemen, besonders PV-Generatoren
Trends der Softwaresimulation
6. Zusammenfassung

Solarlampe
Einige Anwendungen
1-MW-PV-Anlage „Neue
Messe München - Riem“
Photovoltaik statt Ziegeldach Inselsystem weitab vom Netz

Warum Photovoltaik PV?
Es werden keine Ressourcen bei der Stromerzeugung benötigt
Der Rohstoff Sand für Solarzellen ist unbegrenzt verfügbar
Im Betrieb keine Rückwirkungen auf die Umwelt
Produktion nur kleine Mengen giftiger Stoffe
PV ist modular und skalierbar, kann überall eingesetzt werden
Die Technik ist sehr zuverlässig 25 Jahre Garantie für Module

Einfacher Aufbau - netzgekoppelte Anlage
Netz
kWh
Wechselrichter
Photovoltaische
Module
Solargenerator
Das Netz bildet den Speicher!
Optimierung auf maximalen Ertrag
Die genutzte Solarenergie wird nicht durch den Verbraucher bestimmt

Solargen. 1
Solarconverter
1
Batterie 1
Inselsystem
Gleichrichter
1
Wechselrichter
1
3~
3~
Gasaggregat
G
3~
3~
3~
3~
Solargen. 2
Gleichrichter
2
Wechselrichter
2
Ausgleichsladegerät
Solarconverter
2
Batterie 2
Die genutzte Solarenergie wird durch den Verbraucher bestimmt
Speicher (Batterie) erforderlich, ggf. Zusatzgenerator!
Aufwändige Leistungselektronik und Steuerung

Kostenaufteilung netzgekoppelte Anlage
Montage: 11%
Installationsmaterial:
16%
Wechselrichter:
13%
Leistung: ~ 5 kW P
Planung und
Dokumentation:
5%
Kosten pro kWP : 5000 - 6000 €
Module: 55%

Markt für Photovoltaik
Weltproduktion Module 2002: 559.6 MW
Restliches
Asien: 21,8 MW;
3,9%
Indien:
24,4 MW;
4,4% Europa:
140,9 MW;
25,2%
Japan:
247,2 MW;
44,2% USA:
115,6 MW;
20,7%
Australien:
9,7 MW; 1,7%

Entwicklung Weltproduktion Module
Marktvolumen weltweit
4.000
MW
3.000
2.000
1.000
0
Real
559,6 MW
Konservative Schätzung
der Entwicklung
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Quellen: bis 2002 – Photon International und Photon
Prognosewerte: Photovoltaics Guidebook for Decision Makers

100
T€/kW P
Kosten
10
1
Kostendegradation Solarmodule
Quelle: Fraunhofer ISE
1 10 100 1000
Produktion kumuliert MW P
Derzeit 4000 - 5000 €/kW P (incl.
Wechselrichter) bei Großanlagen

2005
Prognose Netzeinspeisung in
Deutschland
Jahr Installierte Leistung
Netzeinspeisung
MW
Absolut
GWh
prozentual
2001
2010
2030
125
375
980
12 200
Quellen: 2001 - Elektrizitätswirtschaft
68
330
870
11 100
Prognosewerte: Photovoltaics Guidebook for Decision Makers
0.01 %
0.07 %
0.17 %
2.2 %

EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) bis 31.12.2003
Einheitliche Vergütung: 45.7 Cent/kWh (2003 erste Einspeisung)
zzgl. KfW-Kreditförderung HTDP bis 08/2003
Referentenentwurf der Novellierung des EEG 2004
Gilt voraussichtlich ab 1.1.2004, wird aber erst ca. 04/2004 erlassen, gilt
dann rückwirkend.
PV-Anlagen bis 30 kW p :
auf Dächern: 59 Cent/kWh
an Fassaden: 64 Cent/kWh
Einspeisevergütung
PV-Anlagen ab 30 kW p :
auf Dächern: 55 Cent/kWh
an Fassaden: 60 Cent/kWh

Solare Strahlung - Leistung und Energie
Sonne
63,5 MW/m²
Elektromagnetische Strahlung
AM = Air Mass
Maximale Strahlungsleistung auf waagrechte Fläche bei AM 1.5: ~1000 W/m²
Strahlungsenergie auf waagrechte Fläche bei AM 1.5: ~(900 – 1300) kWh/m²
pro Jahr in Süddeutschland
Standard-Test-Conditions STC: AM1.5 . 1000 W/m² . 25°C
AM 1
AM 1,5
Erde
AM 0 = 1367 W/m²
(1325 - 1420) W/m²
Lufthülle

Solare Strahlung - Spektrum
Extraterrestrisches Spektrum: 47 % der Einstrahlung im sichtbaren Bereich
380 – 780 nm, 46 % im infraroten Bereich
Terrestrisches Spektrum - etwa AM1.5: Einbrüche infolge von Absorption
verschiedener Gaspartikel (O 3 , H 2 O, O 2 und CO 2 )

Physikalische Grundlagen Solarzellen
Als Material werden Halbleiter
verwendet, sie weisen im Bändermodell
eine Bandlücke EG < 5 eV auf.
Durch den inneren Photoeffekt können
Elektronen vom Valenzband in das
Leitungsband angehoben werden.
Bedingung: genügend Energie der
Photonen: EPh > EG Die freigesetzten Ladungsträger
(Elektronen-Löcher-Paare) müssen eine
gewisse Beweglichkeit und Lebensdauer
haben. Hohe Reinheit des Materials!
Ein inneres, möglichst hohes elektrisches
Feld zur Trennung der entstandenen
Ladungsträger und zur Verhinderung von
Rekombination ist nötig pn-Übergang!
Bandlücke
E
G
Leitungsband
Verbotene
Zone
E = h*f
Ph
Valenzband
-
+
Energie

Monokristallines Silizium
Si liegt in Form von Einkristallen vor
pn-Übergang
Solarzelle: 0.3 mm
n-Schicht: sehr dünn damit Photonen bis
zur Raumladungszone am pn-Übergang
kommen
Frontseitenkontakt
schattet ab
Klassische Solarzelle
-
+
positive
Elektrode
+
-
+
-
Polykristallines Silizium
Si in Form von unregelmäßig
zusammenhängenden Kristallen
Sonst wie monokristalline Zelle
- +
negative
Elektrode
n-dotiertes
Silizium
Grenzschicht
p-dotiertes
Silizium
Quelle: Volker Quaschning – Reg. Energiesysteme – Carl Hanser Verlag

Begrenzung Wirkungsgrad + Abhilfe
Ursache
Bandlücke
Optische
Verluste
Rekombination
Erklärung
Zu groß Zu wenig Photonen werden
genutzt
Zu klein Differenz Energie Photon zur
Bandlücke wird thermalisiert
Reflexion der Oberfläche
Transmission: Noch nicht absorbierte
Photonen durchdringen die Zelle
Abschattung: Durch Kontaktfinger an
der Oberseite der Solarzelle wird ein
Teilbereich abgeschattet.
(»Wiederverbindung«) treffen zwei
Ladungsträger entgegengesetzten
Vorzeichens (Elektronen und Löcher)
aufeinander, so löschen sie sich aus, sie
rekombinieren und tragen nicht mehr
zum elektrischen Strom bei.
Abhilfe
Material mit optimaler
Bandlücke
Entspiegelung
Oberflächenstrukturierung zur
Verminderung von
Reflexionsverlusten
Spiegelnde Metallschicht an
Rückseite
Tandem- oder Stapelzellen,
um das Licht besser zu nutzen
Kontakte eingraben
Durch die Wahl geeigneter
Dotierungsprofile zu
minimieren

Einfluss der Bandlücke
Große Bandlücke wenig Photonen werden absorbiert
Kleine Bandlücke Überschussenergie (E Ph –E G ) wird thermalisiert
Optimale Bandlücke bei 1.4 eV praktisch 1.0 eV – 1.7 eV
Theoretischer Wirkungsgrad
40%
30%
20%
10%
0%
0 1 2
Bandlücke in eV
3 4

Überblick Solarzellen
Bestehend und weiter entwickelt
„Dickschichttechnik“: Monokristallines und polykristallines Silizium
Zukünftig stärker weiter entwickelt (Auswahl)
Amorphe (gestaltlose) Dünnschichttechnik
Kupfer Indium Diselenid (CIS)
Cadmium Tellurid (CdTe)
GaAs (Gallium Arsenide)
Farbstoffzelle

Übliche (Dickschicht-) Solarzellen
Monokristallines Silizium
Laborwirkungsgrad: 24%
Produktionswirkungsgrad: 14-17%
-
+
positive
Elektrode
+
-
+
-
Polykristallines Silizium
Laborwirkungsgrad: 18%
Produktionswirkungsgrad: 13-15%
- +
negative
Elektrode
n-dotiertes
Silizium
Grenzschicht
p-dotiertes
Silizium
Quelle: Volker Quaschning – Reg. Energiesysteme – Carl Hanser Verlag

Neue Generation Dickschicht
Monokristalline Saturn Zelle von BP
Die Frontseitenkontakte sind eingegraben bringt 5 % mehr Licht
Oberfläche in Form winziger Pyramiden absorbiert mehr Licht
Nächste Generation Rückseite soll wie Spiegel für Photonen wirken
bessere Nutzung des Rot- und Infrarotbereiches
Produktionswirkungsgrad: 18.3 %
Quelle: Photon 5/2003

Amorphe (a-Si) Dünnschichttechnik
Zelle besteht aus sehr dünnen Si-Schichten, die durch Aufdampfen (bei
niedrigen Temperaturen ~200°C) erzeugt werden.
Wegen der geringen Diffusionslänge der Ladungsträger ist eine intrinsische
(undotierte) Schicht zwischen p- und n-Halbleiter erforderlich.
1000 µ m
0,5 µ m
0,03 µ m
0,5 µ m
0,03 µ m
0,5 µ m
Licht
Glas
SnO = TCO Frontkontakt
2
p - Si
intrinisches a-Si
n - Si
Metallkontakt
TCO = Transparent
Conductive Oxide =
lichtdurchlässige leitende
Frontschicht

Amorphe Dünnschichttechnik
Technologisch leicht realisierbare Verschaltung
-
Aluminium-
Rückseitenkontakt
Wirkungsgrade:
Polymerschicht
(Rückseite)
Glassubstrat = Vorderseite
Silizium
p i n
+
Zinnoxid-
Frontkontakt
(lichtdurchlässig)
Weltrekord 1997 durch NREL in USA, unter STC 12.5%
Bester stabilisierter Wert 10.5%
Kommerzieller Wirkungsgrad 7 - 9%
Geringer Energieaufwand - geringer Materialaufwand – einfache
Verschaltung Kostensenkungspotential
Nachteile: Staebler Wronsky Effekt (lichtbezogene Verschlechterung =
Degradation), d.h. Wirkungsgrad sinkt in der ersten Zeit um 1 – 2 %

Amorphe Dünnschichttechnik
Stapel- oder Tandemzelle erhöht Wirkungsgrad
Unterschiedliche Bandlücke der Bereiche

Verbindungshalbleiter mit hoher Absorption
1 - 2 µ m
1 - 2 µ m
1 µ
m
Kupfer Indium Diselenid (CIS)
Weltrekord Zelle 17.7%, Modul 12.7 %
Einheitliche schwarze Oberfläche gut für Ästhetik
Altern nicht, keine Degradation
Nachteil: giftige und schlecht umweltverträgliche Komponenten, zudem
ist der Rohstoffvorrat Indium begrenzt.
Licht
ZnO = TCO Frontkontakt
CuIn Se Absorberschicht
2
Rückkontakt (Molybdän)
Glassubstrat

Verbindungs-Halbleiter mit einer Bandlücke von 1.45 eV und hohem
Absorptionsvermögen
Auf dem Weg zur Produktion
Laborwirkungsgrad 16%, kommerziell 7%
Billige Fertigung
Cadmium ist wenig umweltverträglich, Rohstoffvorrat Tellur begrenzt
Licht
0,25 µ m
0,1 µ m
5 µ m
Cadmium Tellurid (CdTe)
Glassubstrat
TCO
CdS-Schicht (n)
CdTe-Schicht (p)
Rückkontakt

Gallium Arsenide (GaAs)
Laborwirkungsgrad η >25% wegen idealer Bandlücke 1.43eV
Multijunction Cells η >30%
Unempfindlich gegen Hitze
Gallium ist teuer + Arsenid ist giftig
Wegen Strahlungsresistenz Weltraum

Farbstoffzelle - Grätzelzelle
Titandioxid TIO 2 Kugeln (d = 10 nm) sind bedeckt mit Farbstoffmolekülen
Diese Farbstoffmoleküle absorbieren Licht Elektronen werden in das TIO 2
Netzwerk injiziert
Der Transport der Ladungsträger findet durch Ionen im Elektrolyt statt
Probleme: Dichtigkeit der Zelle, Zusammensetzung Elektrolyt, Farbstoff
Quelle: Photon

Ausblick – Forschungsverb. Solarenergie FVS
Dickschichttechnologie bis 2008:
Zellwirkungsgrad 20 %, Module 18 %
Rückseitenkontaktierte Zellen zur Vermeidung Abschattung
Bifacialzelle
Si – Dünnschichttechnologie
Erhöhung Lebensdauer
Entwicklung Recycling Verfahren
Si - Tandemzellen mit Wirkungsgraden 11 – 12 %
CIS-Dünnschichttechnologie
Stabile Wirkungsgrade, bislang Labor 14 %, im Mittel 11 %

Tausend Mal mehr Licht
Isofoton entwickelt Konzentratorzelle
Photon 5/2003
Trends
Dickes Ende für die
dünnen Zellen
BP steigt aus der Dünnschichtproduktion aus
Sonnenenergie 2/2003
Tricrystalline Silicon Solar Cells with
Efficiencies up to 17.6%
PV in Europe - From PV Technology to Energy Solutions, 7-11 October 2002, Rome, Italy
Mit Schwefel Kosten senken - CIS
Dünnschichtmodule der zweiten Generation
Durch die Verwendung von Schwefel ergeben sich prozesstechnische
Vorteile
Sonne Wind & Wärme 12/2003

Strom
200
A
150
100
50
I = f(U) monokristalliner Solargenerator / amorphe Zelle
0
0 100 200 V 300
Spannung
Leerlaufspannung
Kennlinien
829 W/m² und 31°C
579 W/m² und 26°C
353 W/m² und 17°C
Betrieb im MPP: Maximum-Power-Point
Amorphe Zellen: Kein ausgeprägter MPP
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 V 0,6 0,7
Spannung
Kennlinien von Globalstrahlung und Temperatur abhängig,
Strom
A
1
0,8
0,6
0,4
0,2
amorphe Tripelzelle mit Nennwirkungsgrad 8,1 % unter STC
kristalline Zelle mit Nennwirkungsgrad 14,2 % unter STC
bei amorphen Zellen keine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit
Verschattung ändert Kennlinien drastische Leistungsminderung

Wechselrichter
In Deutschland: Netzgekoppelte Anlagen mit Netzwechselrichter
Lebensdauer 8 - 12 Jahre
Oft noch mit Trafo verschlechtert Wirkungsgrad
Bei großen Leistungen heute optimaler Wirkungsgrad 97 %,
Nutzungsgrade >94 %
Bei großen netzgekoppelten Systemen Master-Slave-Betrieb mit
Verbesserung des Wirkungsgrades bei kleinen Leistungen
Wirkungsgrad
100%
80%
60%
40%
20%
Ein Wechselrichter
Zwei Wechselrichter im
Master-Slave-Betrieb
0%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Auslastung P/PN

Trend
trafolose Wechselrichter –
geringe Verluste - mit allen
Problemen der fehlenden
galvanischen Trennung
höhere DC-Spannungen
kleinere Ströme weniger
Verluste
Hoher Steuerungsaufwand z.B.
Abfrage über web
Ziel ist Kostenhalbierung, derzeit
1 – 1.3 €/W
Wechselrichter
DC
AC
230V-Netz
Strangwechselrichter
Zentralwechselrichter

Erträge netzgekoppelter Anlagen
Ertrag = Funktion von Globalstrahlung und damit Ausrichtung, Neigung,
Verschattung, Verschmutzung und von Modultemperatur,
Wechselrichterwirkungsgrad etc.
Erträge der 1 016 kW P -Anlage München Riem
Globalstrahlung
Netzeinspeisung
Spezifischer Ertrag
Einheit
kWh/m²
MWh
kWh/kW P
2001
1 206
1 010
1 138
Kleine Anlagen etwa auf Hausdächern sind nicht so gut hinterlüftet,
werden also wärmer, liefern geringeren Ertrag.
Süddeutschland 750 – 900 kWh/kW P (höhere Globalstrahlung)
Norddeutschland 600 – 800 kWh/kW P als Richtwerte
947
932
2002
1 300
1 026
2003
1 417
1 156

Erntefaktoren
Die Herstellung von Solarzellen ist – je nach Typ – energetisch aufwändig
Erntefaktor
60
50
40
30
20
10
0
Monokristallines
Silizium
Polykristallines
Silizium
Amorphes
Silizium
CIS-Technologie
Windenergiekonverter
Standort
Deutschland
Standort
Südeuropa

Gebäudeintegrierte Photovoltaik GIPV
GIPV bietet:
Wetterschutz, Wärme- und
Schalldämmung
gestalterisches Element
sehr geringen Wartungsaufwand
Imagegewinn für Betreiber und
Architekten
ästhetischen Zugewinn des Gebäudes
besonderen Demonstrationseffekt
Bislang: Photovoltaik war allein Sache der Haustechniker
Zukünftig: Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle
gemeinsam mit Architekten

Problematik: Ausrichtung und Neigung
W
90°
SW
45°
83%
95% 96%
100%
60% 62%
68%
S
85%
70% 70%
SO
45°
100% = 921 kWh/kWP
Geneigte Flächen: 90° bzw. 45°
O
90°
München
Es sind nicht die hohen Erträge wie bei optimaler Aufstellung (Süd,
Winkel ~20° - 50°) zu erwarten, Abschläge bis 40 % treten auf!

Beispiele GIPV
Grundschule Markgrafenstr. 33 in München, lichtdurchlässige
Dünnschichttechnologie in Überkopfverglasung, 2.5 kW p
Stadtteil-Kulturzentrum
Milbertshofen, fassadenintegrierte
Dünnschichttechnologie, 4.7 kW p

Beispiele GIPV – aus Wettbewerben
Nikolaus-Fiebiger-Zentrum für molekulare
Medizin der Friedrich-Alexander-
Universität Erlangen
Jury: Hier wird die Integration von
Elementen des solaren Bauens in
außergewöhnlicher Architektur
eindrucksvoll demonstriert. Ein
richtungweisendes Beispiel für die
Symbiose aus solarer Stromerzeugung,
ansprechender Architektur und offensiver
Nutzung der Photovoltaik als
gestalterisches und funktionales Element

Beispiele GIPV – aus Wettbewerben
Zwei Anlagen:
PV-Anlage Dach–Solarmarkise
226 m² Gesamtfläche
22 kWPeak – 12 Wechselrichter
Anordnung: 20°, 30° und 35° Neigung
727 kWh/kWP PV-Anlage Fassade-Solarjalousie
115 m² Gesamtfläche
7.7 kWP –5 Wechselrichter
Anordnung: einachsige Nachführung
701 kWh/kWP

Sonne in der Schule
~ 1000 PV- Anlagen in Schulen in
Deutschland
Süden: Solargenerator 1.1/1.06 kW P
mit 1.0 kW Wechselrichter
Norden: Solargenerator 1.08 kW P
mit 0.85 kW Wechselrichter
Schulen senden Betriebsergebnisse
der PV-Anlagen– via Internet oder
Fax - zur Auswertung
Rücklaufquote ~50%
Start 1996 - 1998

Spezifische Erträge Gesamtgebiet 2002
Schlecht betreute
Anlagen,
Schattenwurf,
unbemerkter
Geräteausfall
Anzahl Anlagen
70
60
50
40
30
20
10
0
< 500 500 -
550
Mittelwert = 780 kWh/kW Peak - Gesamtgebiet: 389 Anlagen
550 -
600
600 -
650
650 -
700
700 -
750
Durchschnitt
Nord - Süd
750 -
800
800 -
850
850 -
900
900 -
950
Spezifische Jahresenergien in kWh/kW Peak
950 -
1000
1000 -
1050
1050 -
1100
Sehr gut betreut
Anlagen
> 1100

Auffällig : Erträge < 500 kWh/kW P
Daher in 2001: Effizienzsteigerung
durch Unterstützung der Reparatur defekter Wechselrichter
Untersuchung besonders auffälliger PV-Anlagen durch Fachleute
Modernisierung der Software der Wechselrichter zur Auswertung
Gründe für schlechte Erträge – durch Nachfrage
ermittelt:
PV Anlage unbemerkt abgeschaltet wegen Schulrenovierung
Zähler wurde unbemerkt abmontiert
Schattenwurf auf die Anlage
Der Datenspeicher des Wechselrichters wurde durch Fehler in der
Netzspannung gelöscht
Schüler hatten den Wechselrichter unbemerkt abgeschaltet

Intensiv vermessene Anlagen
Detailinformation zu Anlagen www.sev-bayern.de
z.B. Tagesverlauf (28.10.2003) – aktuell
Auch ältere Betriebsdaten im web

Resultate intensiv vermessener Anlagen
Wirkungsgrad η PV-Gen ,Performance Ratio PR und Spezifischer Ertrag Y F
bleiben auf gleichem Niveau, keine Degradation.
Location
2001
P nom
kW
E Hor
kWh/m²
E Mod
kWh/m²
ηPV-Gen
%
ηCon
%
PR
%
Y F
kWh/kW Peak
Cloppenburg 1,08 767 878 10,9 92,9 77,9 683
Samtens 1,08 937 1129 11,1 89,2 77,0 969
Mean 807 959 9,9 89,4 71,1 695
Location
2000
P nom
kW
E Hor
kWh/m²
E Mod
kWh/m²
ηPV-Gen
%
ηCon
%
PR
%
Y F
kWh/kW Peak
Cloppenburg 1,08 759 877 10,8 92,2 77,2 677
Samtens 1,08 970 1193 11,2 89,5 77,4 923
Mean 830 1000 10,2 89,4 72,2 723
Location
1999
P nom
kW
E Hor
kWh/m²
E Mod
kWh/m²
ηPV-Gen
%
ηCon
%
PR
%
Y F
kWh/kW Peak
Cloppenburg 1,08 769 886 11,0 91,7 78,5 695
Samtens 1,08 1031 1256 11,1 89,7 77,1 968
Mean 880 1050 10,2 89,8 73,5 772
Performance Ratio PR:
Verhältnis der realen
Energieproduktion zur
idealen Energie, die dan
erzeugt worden wäre,
wenn der PV-Generator
immer unter optimalen
Bedingungen (=STC)
gearbeitet hätte -
Spitzenwerte: 80 %.

…..
Was zeigt Sonne in der Schule?
zeigt dass der langjährige Betrieb von Photovoltaikanlagen
(Start 1996) möglich ist
lässt erkennen, dass eine gewisse Betreuung bei aller
Wartungsfreiheit nötig ist. Abschattung oder versehentlich
ausgeschaltete Wechselrichter mindern den Ertrag.
demonstriert, dass die Wechselrichter oft das kritische
Betriebsmittel sind.
belegt, dass die meisten Erträge in Deutschland zwischen 700 –
800 kWh/kWP liegen, Spitzenwerte bis zu 1100 kWh/kWP sind
möglich.

Simulation - Stand der Technik
Ziel der Simulation ist eine möglichst genaue Vorhersage des Ertrages.
Zahlreiche Simulationsprogramme sind am Markt: PVSOL, PVS,
PVSYST, SOLEM. Sie arbeiten in Stundenschritten.
Wetterdatengeneratoren stellen die Globalstrahlung und Temperatur
am Standort bereit.
Umfangreiche Datenbanken für Komponenten werden bereitgestellt.
Verschiedene Modelle für Solargenerator und Wechselrichter
(netzgekoppeltes System) sowie Batterien und Steuerung (zusätzlich
bei Inselsystemen) sind vorgegeben.
Lösung des beschreibenden Gleichungssystems für alle 8760 h des
Jahres.

Modellbildung von PV-Anlagen
Beispiel: Eindioden -Modell
Mathematisch anspruchsvoll!
I
=
I
Ph
− I
0
* (
e
q(
V +
I * RS
)
n*
k*
T
PV
V + I * R
− 1)
−
R
P
S

3 D Visualisierung der Anlage vor der Montage
Berücksichtigung des Schattenwurfes
Für bessere Auslegung und höhere Genauigkeit ist mit 5-Minuten-
Mittelwerten der Globalstrahlung zu arbeiten
Horizontal Irradiation [W/m²]
Ausblick - Simulation
1000
800
600
400
200
0
5-minutes-mean-value
hourly-mean-value
0 250 500 750 1000 1250 1500
Minute of the day

Ausblick: 3 D Solarwelt

Zusammenfassung
1. Einführung
Photovoltaik ist ein beachtlicher Nischenmarkt. Die Preise gehen nach unten.
Systemaufbau - Solare Strahlung - Physikalische Grundlagen
2. Technologie
Es gibt eine Vielzahl von Technologien für Solarzellen
In näherer Zukunft wird wahrscheinlich die Dünnschichttechnologie an Bedeutun
gewinnen
In fernerer Zukunft werden neue Techniken wie die Farbstoffzelle hinzukommen
Wechselrichter müssen zuverlässiger werden
3. Gebäudeintegrierte Photovoltaik GIPV
Die Wettbewerbe „Strom aus der Gebäudehülle“ zeigen, dass Photovoltaik
ansprechend sein kann
4. Breitenprogramme
Sonne in der Schule liefert den Beweis, dass eine große Anzahl von Anlagen übe
viele Jahre funktioniert, aber eine gewisse Betreuung ist nötig!
5. Simulation
Der Trend geht zur genaueren Simulation (bessere Modelle, Minutenmittelwerte)
und zur 3-D-Darstellung

Ausblick
Um die Kosten weiter zu reduzieren, sind erforderlich:
Erhöhung des Zell-/Modulwirkungsgrades
Reduktion des Zell-/Modulmaterialaufwandes, die Anzahl der Prozessschritt
und der Prozessenergie
Einführung von praktikablen Recyclingverfahren
Verbesserte und vermehrte Massenfertigung in der Systemtechnik bei den
Wechselrichtern
Mehrfachanwendungen (GIPV) müssen häufiger genutzt werden
Die Photovoltaik ist auf dem Weg dahin!