Integrated Design: Photovoltaik

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

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

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

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

5. B Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si P + + - - Halbleiter Zur Schaffung einer internen Barriere, die eine Trennung positiver und negativer Ladungsträger ermöglicht und die Rekombination verhindert, greift man auf das Prinzip der Dotierung von Halbleitern zurück: p-leitendes Silizium n-leitendes Silizium Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

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

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

12. Technologische Bewertungskriterien • Ein gutes Potenzial für einen hohen Wirkungsgrad • Verfügbarkeit der benötigten Materialien • Akzeptable Preise für die Materialien • Potential für kostengünstige Herstellungsverfahren • Stabilität der Eigenschaften über Jahrzehnte • Umweltverträglichkeit der Materialien und Herstellungsverfahren Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

13. Bewertung Monokristallines Silizium: • Produktionswirkungsgrad 15 - 18% (>23% im Labor) • großer Materialeinsatz nötig • Preis für Rohsilizium schwankend • ausgereifte Herstellungsverfahren,aber energieintensiv, Verbilligung durch EFG und Bänder-Technologie • Hohe Langzeitstabilität • Material umweltverträglich • z.Zt. zweitgrößter Marktanteil Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

14. Bewertung Multikristallines Silizium: • Produktionswirkungsgrad 12 - 14% • großer Materialeinsatz nötig • Preis für Rohsilizium schwankend • ausgereifte Herstellungsverfahren,weniger energieintensiv als mono-Si • Hohe Langzeitstabilität • Material umweltverträglich • z.Zt. größter Marktanteil Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

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

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

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

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

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

24. PV Module Serienschaltung einzelner Zellen zur Erzielung höherer Spannungen: PV-Modul Typische Leerlaufspannung bei 36 Zellen: 36 * 0,7V = 25V Problem: Ausfall einzelner Zellen durch Verschattung oder Defekt beeinträchtigt alle Zellen der Serie! Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

25. Wechsel- Strom Netz Ver- brau- cher Schutz- Diode Wechsel- richter Solar- Generator DC Grid AC Aufbau eines netzgekoppelten PV-Systems Das Netz übernimmt die Funktion des Energiespeichers Bei Ausfall des Netzes (Grid) muss der Wechselrichter den Solargenerator automatisch vom Netz nehmen (Automatische Netzfreischaltung ENS) Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

30. Ertragsparameter Abhängig von: • Standort / Klima Mitteleuropa: 700 – 900 kWh pro kWp installierter Leistung • Ausrichtung (Neigung, Azimut)± 20° ± 5% Ertragseinbuße • PV-Technologiebestimmt u.a. Flächenbedarf/Wirkungsgrad • Aktueller Vergütung(EEG) 2004: 45,7 bis 62,4 Cent, 2005: 43,42 bis 59,53 Cent • Zusatznutzen bzw. Einspareffektennetzferne Stromversorgung, weitere vgl. Abschnitt 4 • ÖkobilanzCO2 Einsparung etc. Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

31. Baurechtliche Aspekte Regelung durch Landesbauordnungen: • In der Regel sind Solaranlagen genehmigungsfrei, sofern sie an der Fassade, auf Flachdächern oder in der Dachfläche errichtet werden. • Ausnahmen: Denkmalschutz, ggf. hervorspringende Objekte, Bebauungsplan • Für eine Freiflächenanlagen wird auf jeden Fall eine Baugenehmigung benötigt. Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

32. Statische Anforderungen Dachintegration • Zusätzliche Dachlast durch PV-Anlage: ca. 0,25 kN/m², in der Regel weniger als 15 % der Gesamt-last, für die der Dachstuhl ausgelegt ist (Wohngeb.). • Ggf. individuelle Prüfung bei Industriebau, Steildach oder windexponierten Standorten Fassadenintegration: • Jeweils Gesamtbetrachtung der Fassadenkonstruktion erforderlich Integrated Design (PV) Dr. Karl Molter

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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