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Photovoltaik: Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Mertens, Konrad 1963- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	München Hanser [2020]
Ausgabe:	5., aktualisierte Auflage
Schlagworte:	Fotovoltaikanlage Fotovoltaik erneuerbare Energien Halbleiter Ökologie Photovoltaikanlage solar Solarenergie Solarzelle ELEK2020 Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	383 Seiten Illustrationen, Diagramme
ISBN:	9783446464049

Internformat

MARC


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adam_text	INHALT EINFUEHRUNG .............................................................................................. 19 1.1 EINLEITUNG ............................................................................................................. 19 1.1.1 WOZU PHOTOVOLTAIK? ................................................................................... 19 1.1.2 FUER WEN IST DIESES BUCH GEDACHT? ............................................................. 20 1.1.3 AUFBAU DES BUCHES .................................................................................... 20 1.2 WAS IST ENERGIE? .................................................................................................. 21 1.2.1 DEFINITION DER ENERGIE ............................................................................... 21 1.2.2 EINHEITEN DER ENERGIE ............................................................................... 23 1.2.3 PRIMAER-, SEKUNDAER- UND ENDENERGIE ....................................................... 23 1.2.4 ENERGIEINHALTE VERSCHIEDENER STOFFE......................................................... 24 1.3 PROBLEME DER HEUTIGEN ENERGIEVERSORGUNG ....................................................... 25 1.3.1 WACHSENDER ENERGIEBEDARF ...................................................................... 25 1.3.2 VERKNAPPUNG DER RESSOURCEN .................................................................. 26 1.3.3 KLIMAWANDEL .............................................................................................. 27 1.3.4 GEFAEHRDUNG UND ENTSORGUNG ................................................................... 29 1.4 ERNEUERBARE ENERGIEN .......................................................................................... 30 1.4.1 DIE FAMILIE DER ERNEUERBAREN ENERGIEN .................................................. 30 1.4.2 VOR- UND NACHTEILE VON ERNEUERBAREN ENERGIEN ..................................... 31 1.4.3 BISHERIGE ENTWICKLUNG DER ERNEUERBAREN ENERGIEN ............................... 32 1.5 PHOTOVOLTAIK - DAS WICHTIGSTE IN KUERZE .............................................................. 32 1.5.1 WAS BEDEUTET PHOTOVOLTAIK ? .................................................................. 32 1.5.2 WAS SIND SOLARZELLEN UND SOLARMODULE? .................................................. 33 1.5.3 WIE IST EINE TYPISCHE PHOTOVOLTAIKANLAGE AUFGEBAUT? ............................. 33 1.5.4 WAS BRINGT EINE PHOTOVOLTAIKANLAGE? ................................................... 34 1.6 GESCHICHTE DER PHOTOVOLTAIK ............................................................................... 35 1.6.1 WIE ALLES BEGANN ....................................................................................... 35 1.6.2 DIE ERSTEN ECHTEN SOLARZELLEN .................................................................. 36 1.6.3 FROM SPACE TO EARTH ................................................................................. 36 1.6.4 VOM SPIELZEUG ZUR ENERGIEQUELLE ............................................................. 38 8 INHALT 2 STRAHLUNGSANGEBOT DER SONNE ........................................................... 41 2.1 EIGENSCHAFTEN DER SOLARSTRAHLUNG ....................................................................... 41 2.1.1 SOLARKONSTANTE .......................................................................................... 41 2.1.2 SPEKTRUM DER SONNE .................................................................................. 42 2.1.3 AIR MASS ..................................................................................................... 43 2.2 GLOBALSTRAHLUNG .................................................................................................... 44 2.2.1 ENTSTEHUNG DER GLOBALSTRAHLUNG .............................................................. 44 2.2.2 BEITRAEGE VON DIFFUS- UND DIREKTSTRAHLUNG ............................................... 45 2.2.3 GLOBALSTRAHLUNGSKARTEN ............................................................................ 47 2.3 BERECHNUNG DES SONNENSTANDES ......................................................................... 48 2.3.1 SONNENDEKLINATION ................................................................................... 48 2.3.2 BERECHNUNG DER BAHN DER SONNE ............................................................. 51 2.4 STRAHLUNG AUF GENEIGTE FLAECHEN ........................................................................... 53 2.4.1 STRAHLUNGSBERECHNUNG MIT DEM DREIKOMPONENTENMODELL .................. 53 2.4.1.1 DIREKTSTRAHLUNG ............................................................................ 54 2.4.1.2 DIFFUSSTRAHLUNG ............................................................................ 55 2.4.1.3 REFLEKTIERTE STRAHLUNG ................................................................... 56 2.4.2 STRAHLUNGSABSCHAETZUNG MIT DIAGRAMMEN UND TABELLEN ........................ 57 2.4.3 ERTRAGSGEWINN DURCH NACHFUEHRUNG ......................................................... 59 2.5 STRAHLUNGSANGEBOT UND WELTENERGIEVERBRAUCH .................................................. 60 2.5.1 DER SOLARSTRAHLUNGS-ENERGIEWUERFEL .......................................................... 60 2.5.2 DAS SAHARA-WUNDER .................................................................................. 61 3 GRUNDLAGEN DER HALBLEITERPHYSIK ...................................................... 64 3.1 AUFBAU VON HALBLEITERN ....................................................................................... 64 3.1.1 BOHRSCHES ATOMMODELL ............................................................................ 64 3.1.2 PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE ................................................................. 66 3.1.3 AUFBAU DES SILIZIUMKRISTALLS ..................................................................... 67 3.1.4 VERBINDUNGSHALBLEITER ............................................................................... 67 3.2 BAENDERMODELL DES HALBLEITERS ............................................................................ 68 3.2.1 ENTSTEHUNG VON ENERGIEBAENDERN ............................................................. 68 3.2.2 UNTERSCHEIDUNG IN ISOLATOREN, HALBLEITER UND LEITER ............................. 69 3.2.3 EIGENLEITUNGSDICHTE ......................................... 70 3.3 LADUNGSTRANSPORT IN HALBLEITERN ........................................................... 71 3.3.1 FELDSTROEME ................................................................................................. 71 3.3.2 DIFFUSIONSSTROEME ....................................................................................... 73 3.4 DOTIERUNG VON HALBLEITERN .................................................................................. 74 3.4.1 N-DOTIERUNG .......................................................... 74 INHALT 9 3.4.2 P-DOTIERUNG ............................................................................................. 75 3.5 DER PN-UEBERGANG ................................................................................................. 75 3.5.1 PRINZIPIELLE WIRKUNGSWEISE ...................................................................... 76 3.5.2 BAENDERDIAGRAMM DES PN-UEBERGANGS ...................................................... 77 3.5.3 VERHALTEN BEI ANGELEGTER SPANNUNG ......................................................... 79 3.5.4 DIODEN-KENNLINIE ...................................................................................... 80 3.6 WECHSELWIRKUNG VON LICHT MIT HALBLEITERN ............................... 81 3.6.1 PHAENOMEN DER LICHTABSORPTION .............................................................. 81 3.6.1.1 ABSORPTIONSKOEFFIZIENT ................................................................ 82 3.6.1.2 DIREKTE UND INDIREKTE HALBLEITER ................................................ 83 3.6.2 LICHTREFLEXION AN OBERFLAECHEN ................................................................. 85 3.6.2.1 REFLEXIONSFAKTOR ........................................................................... 85 3.6.2.2 ANTIREFLEXBESCHICHTUNG ................................................................ 86 AUFBAU UND WIRKUNGSWEISE DER SOLARZELLE ..................................... 90 4.1 BETRACHTUNG DER PHOTODIODE .............................................................................. 90 4.1.1 AUFBAU UND KENNLINIE ............................... 90 4.1.2 ERSATZSCHALTBILD ....................................................................................... 91 4.2 FUNKTIONSWEISE DER SOLARZELLE ........................................................................... 92 4.2.1 PRINZIPIELLER AUFBAU ................................................................................. 92 4.2.2 REKOMBINATION UND DIFFUSIONSLAENGE ...................................................... 93 4.2.3 WAS PASSIERT IN DEN EINZELNEN ZELLBEREICHEN? ........................................ 94 4.2.4 BACK-SURFACE-FIELD .................................................................................... 96 4.3 PHOTOSTROM .......................................................................................................... 96 4.3.1 ABSORPTIONSWIRKUNGSGRAD ........................................................................ 97 4.3.2 QUANTENWIRKUNGSGRAD ............................................................................. 98 4.3.3 SPEKTRALE EMPFINDLICHKEIT ........................................................................ 98 4.4 KENNLINIE UND KENNGROESSEN ................................................................................. 99 4.4.1 KURZSCHLUSSSTROM / K ................................................................................. 101 4.4.2 LEERLAUFSPANNUNG U L .............................................................................. 101 4.4.3 MAXIMUM POWER POINT (MPP) .................................................................. 101 4.4.4 FUELLFAKTOR FF .............................................................................................. 102 4.4.5 WIRKUNGSGRAD TJ ........................................................................................ 102 4.4.6 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER SOLARZELLE ................................................... 103 4.5 ELEKTRISCHE BESCHREIBUNG REALER SOLARZELLEN ...................................................... 105 4.5.1 VEREINFACHTES MODELL ................................................................................ 105 4.5.2 STANDARD-MODELL (EIN-DIODEN-MODELL) ......................... 105 4.5.3 ZWEI-DIODEN-MODELL ................................................................................ 106 10 INHALT 4.5.4 BESTIMMUNG DER PARAMETER DES ERSATZSCHALTBILDES ............................... 107 4.6 BETRACHTUNGEN ZUM WIRKUNGSGRAD ..................................................................... HO 4.6.1 SPEKTRALER WIRKUNGSGRAD .......................................................................... HO 4.6.2 THEORETISCHER WIRKUNGSGRAD .................................................................... 114 4.6.3 VERLUSTE IN DER REALEN SOLARZELLE ................................................................ 115 4.6.3.1 OPTISCHE VERLUSTE ......................................................................... 115 4.6.3.2 ELEKTRISCHE VERLUSTE ..................................................................... 118 4.7 HOCHEFFIZIENZZELLEN ............................................................................................. 119 4.7.1 BURIED-CONTACT-ZELLE ................................................................................ 119 4.7.2 PUNKTKONTAKT-ZELLE (IBC-ZELLE) ................................................................ 120 4.7.3 PERL-UND PERC-ZELLE ............................................................................. 121 5 ZELLENTECHNOLOGIEN 123 5.1 HERSTELLUNG KRISTALLINER SILIZIUM-ZELLEN ............................................................. 123 5.1.1 VOM SAND ZUM SILIZIUM ............................................................................ 123 5.1.1.1 HERSTELLUNG VON POLYSILIZIUM ...................................................... 123 5.1.1.2 HERSTELLUNG VON MONOKRISTALLINEM SILIZIUM ............................... 125 5.1.1.3 HERSTELLUNG VON MULTIKRISTALLINEM SILIZIUM .............................. 126 5.1.1.4 HERSTELLUNG VON QUASIMONOKRISTALLINEM SILIZUM ...................... 127 5.1.2 VOM SILIZIUM ZUM WAFER ........................................................................... 127 5.1.2.1 WAFERHERSTELLUNG ......................................................................... 127 5.1.2.2 WAFER AUS FOLIENSILIZIUM ............................................................. 128 5.1.3 HERSTELLUNG VON STANDARD-SOLARZELLEN ..................................................... 129 5.1.4 HERSTELLUNG VON SOLARMODULEN ................................................................ 131 5.2 ZELLEN AUS AMORPHEM SILIZIUM ........................................................................... 133 5.2.1 EIGENSCHAFTEN VON AMORPHEM SILIZIUM ................................................... 133 5.2.2 HERSTELLUNGSVERFAHREN ............................................................................... 134 5.2.3 AUFBAU DER PIN-ZELLE .................................................................................. 135 5.2.4 STAEBLER-WRONSKI-EFFEKT ............................................................................ 136 5.2.5 STAPELZELLEN ................................................................................................ 138 5.2.6 KOMBIZELLEN AUS MIKROMORPHEM MATERIAL .............................................. 139 5.2.7 INTEGRIERTE SERIENVERSCHALTUNG ................................................................. 140 5.3 WEITERE DUENNSCHICHTZELLEN .................................................................................. 142 5.3.1 CIS-ZELLEN ..................................................................................... 142 5.3.2 ZELLEN AUS CADMIUM-TELLURID .................................................................. 145 5.4 HYBRIDE WAFERZELLEN ............................................................................................. 147 5.4.1 KOMBINATION VON C-SI UND A-SI (HIT-ZELLE) ........................................... 148 5.4.2 STAPELZELLEN AUS III/V-HALBLEITERN ........................................................... 149 INHALT 11 5.5 SONSTIGE ZELLENKONZEPTE ...................................................................................... 149 5.5.1 FARBSTOFFSOLARZELLE .................................................................................... 150 5.5.2 ORGANISCHE SOLARZELLE ............................................................................... 150 5.5.3 PEROWSKIT-SOLARZELLE ................................................................................. 151 5.6 KONZENTRATORSYSTEME ........................................................................................... 151 5.6.1 PRINZIP DER STRAHLUNGSBUENDELUNG ........................................................... 151 5.6.2 WAS BRINGT DIE KONZENTRATION? .......................................... 152 5.6.3 BEISPIELE VON KONZENTRATORSYSTEMEN ...................................................... 153 5.6.4 VOR- UND NACHTEILE VON KONZENTRATORSYSTEMEN ..................................... 154 5.7 OEKOLOGISCHE FRAGESTELLUNGEN ZUR ZELLEN- UND MODULHERSTELLUNG ..................... 154 5.7.1 UMWELTAUSWIRKUNGEN BEI HERSTELLUNG UND BETRIEB ................................ 154 5.7.1.1 BEISPIEL CADMIUM-TELLURID ......................................................... 155 5.7.1.2 BEISPIEL SILIZIUM ........................................................................... 155 5.7.2 VERFUEGBARKEIT DER MATERIALIEN .................................................................. 156 5.7.2.1 SILIZIUM ........................................................................................ 156 5.7.2.2 CADMIUM-TELLURID ...................................................................... 156 5.7.2.3 CIS ................................................... : ............................................ 157 5.7.2.4 III/V-HALBLEITER ............................................................................ 158 5.7.3 ENERGIERUECKLAUFZEIT UND ERNTEFAKTOR ....................................................... 158 5.8 ZUSAMMENFASSUNG .............................................................................................. 161 6 SOLARMODULE UND SOLARGENERATOREN 164 6.1 EIGENSCHAFTEN VON SOLARMODULEN ...................................................................... 164 6.1.1 SOLARZELLENKENNLINIE IN ALLEN VIER QUADRANTEN ........................................ 164 6.1.2 PARALLELSCHALTUNG VON ZELLEN .................................................................... 165 6.1.3 REIHENSCHALTUNG VON ZELLEN ..................................................................... 166 6.1.4 EINSATZ VON BYPASSDIODEN ........................................................................ 167 6.1.4.1 REDUZIERUNG VON VERSCHATTUNGSVERLUSTEN ................................. 167 6.1.4.2 VERMEIDUNG VON HOTSPOTS .......................................................... 169 6.1.5 TYPISCHE KENNLINIEN VON SOLARMODULEN ................................................. 172 6.1.5.1 VARIATION DER BESTRAHLUNGSSTAERKE ............................................... 172 6.1.5.2 TEMPERATURVERHALTEN .................................................................. 173 6.1.6 SONDERFALL DUENNSCHICHTMODULE .............................................................. 174 6.1.7 BEISPIELE VON DATENBLATTANGABEN ........................................................... 176 6.2 VERSCHALTUNG VON SOLARMODULEN ......................................................................... 177 6.2.1 PARALLELSCHALTUNG VON STRINGS .................................................................... 177 6.2.2 WAS PASSIERT BEI VERKABELUNGSFEHLERN? .......................... 177 6.2.3 VERLUSTE DURCH MISMATCHING .................................................................... 178 12 INHALT 6.2.4 SCHLAUE VERSCHALTUNG BEI VERSCHATTUNG ................................................... 179 6.3 GLEICHSTROM-KOMPONENTEN ................................................................................ 181 6.3.1 PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU ..................................................................... 181 6.3.2 GLEICHSTROMVERKABELUNG ........................................................................... 182 6.4 ANLAGENTYPEN ........................................................................................................ 184 6.4.1 FREILANDANLAGEN ......................................................................................... 185 6.4.2 FLACHDACHANLAGEN .................................................................................... 187 6.4.3 SCHRAEGDACHANLAGEN ................................................................................... 188 6.4.4 FASSADENANLAGEN ....................................................................................... 190 6.4.5 SCHWIMMENDE ANLAGEN ............................................................................ 191 SYSTEMTECHNIK NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 193 7.1 SOLARGENERATOR UND LAST ...................................................................................... 193 7.1.1 WIDERSTANDSLAST ......................................................................................... 193 7.1.2 DC/DC-WANDLER ....................................................................................... 194 7.1.2.1 IDEE ................................................................................................ 194 7.1.2.2 TIEFSETZSTELLER ............................................................................... 195 7.1.2.3 HOCHSETZSTELLER ............................................................................ 197 7.1.3 MPP-TRACKER .............................................................................................. 199 7.2 AUFBAU NETZGEKOPPELTER ANLAGEN ........................................................................ 200 7.2.1 EINSPEISEVARIANTEN ................................................................................... 200 7.2.2 ANLAGENKONZEPTE ...................................................................................... 201 7.3 AUFBAU VON WECHSELRICHTERN ............................................................................... 203 7.3.1 AUFGABEN DES WECHSELRICHTERS ................................................................. 203 7.3.2 NETZGEFUEHRTE UND SELBSTGEFUEHRTE WECHSELRICHTER .................................... 204 7.3.3 TRAFOLOSER WECHSELRICHTER ......................................................................... 204 7.3.4 WECHSELRICHTER MIT NETZTRAFO .................................................................... 206 7.3.5 WECHSELRICHTER MIT HF-TRAFO .................................................................... 207 7.3.6 DREIPHASIGE EINSPEISUNG ........................................................................... 208 7.3.7 WEITERE SCHLAUE KONZEPTE ........................................................................ 209 7.4 WIRKUNGSGRAD VON WECHSELRICHTERN .................................................................... 210 7.4.1 UMWANDLUNGSWIRKUNGSGRAD .................................................................... 211 7.4.2 EUROPAEISCHER WIRKUNGSGRAD ............................. 212 7.4.3 GESAMTWIRKUNGSGRAD ................................................................................ 214 7.4.4 SCHLAUES MPP-TRACKING ............................................................................ 214 7.5 DIMENSIONIERUNG VON WECHSELRICHTERN ............................................................. 215 7.5.1 LEISTUNGSDIMENSIONIERUNG ....................................................................... 215 7.5.2 SPANNUNGSDIMENSIONIERUNG .................................................................... 216 INHALT 13 7.5.3 STROMDIMENSIONIERUNG ........................................................................... 217 7.6 ANFORDERUNGEN DER NETZBETREIBER ...................................................................... 217 7.6.1 VERMEIDUNG VON INSELBETRIEB .................................................................. 218 7.6.2 MAXIMALE EINSPEISELEISTUNG ..................................................................... 219 7.6.3 BLINDLEISTUNGSBEREITSTELLUNG ..................................................................... 220 7.7 SICHERHEITSASPEKTE ............................................................................................... 223 7.7.1 ERDUNG DES GENERATORS UND BLITZSCHUTZ ............................ 223 7.7.2 BRANDSCHUTZ .............................................................................................. 224 8 SPEICHERUNG VON SOLARSTROM 225 8.1 PRINZIP DER SOLARSTROMSPEICHERUNG .................................................................... 225 8.2 AKKUMULATOREN ..................................................................................................... 226 8.2.1 BLEI-SAEURE-BATTERIE ................................................................................... 227 8.2.1.1 PRINZIP UND AUFBAU ..................................................................... 227 8.2.1.2 TYPEN VON BLEIAKKUS ................... 229 8.2.1.3 AKKUKAPAZITAET ............................................................................... 231 8.2.1.4 SPANNUNGSVERLAUF ............................ 232 8.2.1.5 FAZIT .............................................................................................. 232 8.2.2 LADEREGLER .................................................................................................. 232 8.2.2.1 SERIENREGLER ................................................................................. 233 5.2.2.2 SHUNTREGLER ................................................................................... 233 5.2.2.3 MPP-LADEREGLER ........................................................................... 234 8.2.2.4 PRODUKTBEISPIELE ......................................................................... 234 8.2.3 LITHIUM-IONEN-BATTERIE ............................................................................ 235 8.2.3.1 PRINZIP UND AUFBAU ..................................................................... 236 8.2.3.2 REAKTIONEN BEIM LADE- UND ENTLADEVORGANG ............................ 237 5.2.3.3 MATERIALKOMBINATIONEN UND ZELLSPANNUNG .............................. 238 8.2.3.4 SICHERHEITSASPEKTE ...................................................................... 239 5.2.3.5 LADEVERFAHREN ............................................................................. 239 8.2.3.6 BAUFORMEN .................................................................................. 240 8.2.3.7 LEBENSDAUER ................................................................................ 241 5.2.3.8 EINSATZBEREICHE ............................................................................ 242 5.2.3.9 FAZIT .............................................................................................. 242 8.2.4 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIE ...................................................................... 242 8.2.4.1 PRINZIP UND AUFBAU ..................................................................... 242 5.2.4.2 BESONDERHEITEN DER HOCHTEMPERATUR-BATTERIE ......................... 243 5.2.4.3 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN IN DER PRAXIS ................................ 244 5.2.4.4 FAZIT .............................................................................................. 245 14 INHALT 8.2.5 REDOX-FLOW-BATTERIE .................................................................................. 245 8.2.5.1 PRINZIP UND AUFBAU .................................................................... 245 5.2.5.2 VERHALTEN IM PRAKTISCHEN EINSATZ ............................................... 248 5.2.5.3 KONKRETE ANWENDUNGEN .............................................................. 249 8.2.5.4 FAZIT ............................................................................................. 249 8.2.6 VERGLEICH DER VERSCHIEDENEN BATTERIETYPEN ............................................ 250 8.3 SPEICHEREINSATZ ZUR ERHOEHUNG DES EIGENVERBRAUCHS ........................................ 251 8.3.1 EIGENVERBRAUCH IN PRIVATHAUSHALTEN ....................................................... 251 8.3.1.1 LOESUNG OHNE SPEICHER ................................................................. 251 8.3.1.2 LOESUNG MIT SPEICHER .................................................................... 252 8.3.1.3 BEISPIELE VON SPEICHERSYSTEMEN ................................................ 253 8.3.1.4 WAS KOSTET DIE SPEICHERUNG EINER KILOWATTSTUNDE? .................... 255 8.3.1.5 DAS SMART HOME ......................................................................... 256 8.3.2 EIGENVERBRAUCH IN GEWERBEBETRIEBEN ..................................................... 257 8.3.2.1 BEISPIEL PRODUKTIONSBETRIEB ....................................................... 257 5.3.2.2 BEISPIEL KRANKENHAUS ................................................................... 258 8.4 SPEICHEREINSATZ AUS SICHT DES NETZES ................................................................. 258 8.4.1 PEAK-SHAVING DURCH SPEICHER .................................................................. 259 8.4.2 MARKTANREIZPROGRAMM FUER SOLARSPEICHER ................................................. 259 8.5 INSELSYSTEME ......................................................................................................... 262 8.5.1 PRINZIPIELLER AUFBAU .................................................................................. 262 8.5.2 BEISPIELE VON INSELSYSTEMEN .................................................................... 263 8.5.2.1 SOLAR HOME SYSTEMS .................................................................... 263 5.5.2.2 HYBRIDSYSTEME ............................................................................. 264 8.5.3 DIMENSIONIERUNG VON INSELANLAGEN ......................................................... 266 8.5.3.1 ERFASSUNG DES STROMVERBRAUCHS .................................................. 266 8.5.3.2 DIMENSIONIERUNG DES PV-GENERATORS ........................................ 267 5.5.3.3 AUSWAHL DES AKKUS ....................................................................... 269 9 PHOTOVOLTAISCHE MESSTECHNIK 271 9.1 MESSUNG SOLARER STRAHLUNG .................................................................................. 271 9.1.1 GLOBALSTRAHLUNGSSENSOREN ........................................................................ 271 9.1.1.1 PYRANOMETER ........................................ 271 9.1.1.2 STRAHLUNGSSENSOREN AUS SOLARZELLEN ........................................... 273 9.1.2 MESSUNG VON DIREKT- UND DIFFUSSTRAHLUNG .............................................. 274 9.2 LEISTUNGSMESSUNG VON SOLARMODULEN ................................................................ 275 9.2.1 AUFBAU EINES SOLARMODUL-LEISTUNGSPRUEFSTANDS ..................................... 275 9.2.2 GUETEKLASSEN VON MODULFLASHERN .............................................................. 276 INHALT 15 9.2.3 BESTIMMUNG DER MODULPARAMETER ......................................................... 277 9.3 PEAKLEISTUNGSMESSUNG VOR ORT ............................................................................ 278 9.3.1 PRINZIP DER PEAKLEISTUNGSMESSUNG .......................................................... 278 9.3.2 MOEGLICHKEITEN UND GRENZEN DES MESSPRINZIPS ....................................... 279 9.4 THERMOGRAPHIE-MESSTECHNIK ............................................................................. 280 9.4.1 PRINZIP DER INFRAROT-TEMPERATURMESSUNG ............................................... 280 9.4.2 HELL-THERMOGRAPHIE VON SOLARMODULEN ............................. 281 9.4.3 DUNKEL-THERMOGRAPHIE ............................................................................ 283 9.5 ELEKTROLUMINESZENZ-MESSTECHNIK ....................................................................... 284 9.5.1 MESSPRINZIP ............................................................................................... 284 9.5.2 BEISPIELE VON AUFNAHMEN ......................................................................... 285 9.5.3 LOWCOST-OUTDOOR-ELEKTROLUMINESZENZ-UNTERSUCHUNGEN ..................... 288 9.6 UNTERSUCHUNGEN ZUR SPANNUNGSINDUZIERTEN DEGRADATION (PID) ..................... 290 9.6.1 ERKLAERUNG DES PID-EFFEKTES ..................................................................... 291 9.6.2 PRUEFUNG VON MODULEN AUF PID ................. 292 9.6.3 EL-UNTERSUCHUNGEN ZU PID ..................................................................... 294 9.7 STRING-DUNKELKENNLINIEN-TECHNIK ........................... 295 9.7.1 MOTIVATION ................................................................................................. 295 9.7.2 MESSMETHODE ............................................................................................ 296 9.7.3 DETEKTION VON PID .................................................................................... 296 9.7.4 DETEKTION VON DEFEKTEN BYPASSDIODEN UND ZELLVERBINDERN .................. 297 9.7.5 FAZIT ............................................................................................................ 300 10 PLANUNG UND BETRIEB NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 301 10.1 PLANUNG UND DIMENSIONIERUNG ........................................................................ 301 10.1.1 STANDORTWAHL ......................................................................................... 301 10.1.2 VERSCHATTUNGEN .......................................................................................... 302 10.1.2.1 VERSCHATTUNGSANALYSE .................................................................. 302 10.1.2.2 NAHVERSCHATTUNGEN ..................................................................... 303 10.1.2.3 EIGENVERSCHATTUNGEN .................................................................. 305 10.1.2.4 OPTIMIERTE STRINGVERSCHALTUNG ................................................... 306 10.1.3 ANLAGENDIMENSIONIERUNG MIT SIMULATIONSPROGRAMMEN ........................ 306 10.1.3.1 WECHSELRICHTER-AUSLEGUNGSTOOLS ................................................ 306 10.1.3.2 SIMULATIONSPROGRAMME FUER PHOTOVOLTAIKANLAGEN ..................... 306 10.2 WIRTSCHAFTLICHKEIT VON PHOTOVOLTAIKANLAGEN ................................................... 309 10.2.1 DAS ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZ .......................................................... 309 10.2.2 RENDITEBERECHNUNG ......................................................... 309 10.2.2.1 EINGANGSGROESSEN ....................................................................... 310 16 INHALT 10.2.2.2 AMORTISATIONSZEIT ......................................................................... 310 10.2.2.3 OBJEKTRENDITE ............................................................................... 311 10.2.2.4 RENDITEERHOEHUNG DURCH EIGENVERBRAUCH DES SOLARSTROMS ....... 313 10.2.2.5 WEITERE EINFLUSSGROESSEN ................................................................ 313 10.3 UEBERWACHUNG, MONITORING UND VISUALISIERUNG .................................................. 314 10.3.1 METHODEN ZUR ANLAGENUEBERWACHUNG ...................................................... 314 10.3.2 MONITORING VON PV-ANLAGEN ..................................................................... 314 10.3.2.1 SPEZIFISCHE ERTRAEGE ................................................................... 314 10.3.2.2 VERLUSTE ......................................................................................... 316 10.3.2.3 PERFORMANCE RATIO ....................................................................... 316 10.3.2.4 KONKRETE MASSNAHMEN ZUM MONITORING .................................... 317 10.3.3 VISUALISIERUNG ........................................................................................... 317 10.4 BETRIEBSERGEBNISSE VON KONKRETEN ANLAGEN ....................................................... 318 10.4.1 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 1996 ................................................... 318 10.4.2 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2002 ................................................... 320 10.4.3 FLACHDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2008 ...................................................... 321 11 ZUKUENFTIGE ENTWICKLUNG 323 11.1 POTENTIAL DER PHOTOVOLTAIK ................................................................................. 323 11.1.1 THEORETISCHES POTENTIAL ............................................................................ 323 11.1.2 TECHNISCH NUTZBARE STRAHLUNGSENERGIE ................................................... 323 11.1.3 TECHNISCHES STROMERZEUGUNGSPOTENTIAL .................................................. 325 11.1.4 PHOTOVOLTAIK VERSUS BIOMASSE .................................................................. 326 11.2 EFFIZIENTE FOERDERINSTRUMENTE ............................................................................. 327 11.3 PREIS- UND VERGUETUNGSENTWICKLUNG ..................................................................... 328 11.3.1 PREISENTWICKLUNG VON SOLARMODULEN ....................................................... 328 11.3.2 ENTWICKLUNG DER EINSPEISEVERGUETUNG ...................................................... 330 11.4 ERNEUERBARE ENERGIEN IM HEUTIGEN STROMVERSORGUNGSSYSTEM ......................... 331 11.4.1 STRUKTUR DER STROMERZEUGUNG .................................................................. 332 11.4.2 KRAFTWERKSARTEN UND REGELENERGIE ....................... 333 11.4.3 ZUSAMMENSPIEL AUS SONNE UND WIND ..................................................... 334 11.4.4 EXEMPLARISCHE STROMPRODUKTIONSVERLAEUFE .............................................. 335 11.5 UEBERLEGUNGEN ZUR ZUKUENFTIGEN ENERGIEVERSORGUNG ........................................... 337 11.5.1 BETRACHTUNG UNTERSCHIEDLICHER ZUKUNFTSSZENARIEN ................................ 338 11.5.2 OPTIONEN ZUR SPEICHERUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE .............................. 341 11.5.2.1 PUMPSPEICHERWERKE .................................................................... 342 11.5.2.2 DRUCKLUFTSPEICHER ........................................................................ 342 11.5.2.3 BATTERIESPEICHERUNG ................................................................... 342 INHALT 17 11.5.2.4 ELEKTROMOBILITAET ........................................................................... 343 11.5.2.5 WASSERSTOFF ALS SPEICHER .............................................................. 343 11.5.2.6 POWER-TO-GAS: METHANISIERUNG ................................................... 343 11.5.3 ALTERNATIVEN ZUR SPEICHERUNG ............................................................... 345 11.5.3.1 AKTIVES LASTMANAGEMENT DURCH SMART GRIDS ............................. 345 11.5.3.2 AUSBAU DES STROMNETZES ............................................................. 345 11.5.3.3 BEGRENZUNG DER EINSPEISELEISTUNG .............................................. 345 11.5.3.4 EINSATZ FLEXIBLER KRAFTWERKE ......................................................... 346 11.6 FAZIT .................................................................................................................... 346 12 UEBUNGSAUFGABEN 347 13 ANHANG 358 13.1 EINFLUSS VON AUSRICHTUNG UND NEIGUNG AUF DIE JAHRESSTRAHLUNGSSUMME AN VERSCHIEDENEN STANDORTEN ..................................... 353 13.1.1 STANDORT HAMBURG .................................................................................... 359 13.1.2 STANDORT MUENCHEN .......................................... 360 13.1.3 STANDORT BERN ............................................................................................ 361 13.1.4 STANDORT WIEN ........................................................................................... 362 13.1.5 STANDORT MARSEILLE .................................................................................... 363 13.1.6 STANDORT KAIRO ........................................................................................... 364 13.2 CHECKLISTE ZU PLANUNG, INSTALLATION UND BETRIEB EINER PHOTOVOLTAIKANLAGE ...... 365 13.3 IM BUCH VERWENDETE ABKUERZUNGEN .................................................................... 367 13.4 PHYSIKALISCHE KONSTANTEN/MATERIALPARAMETER .................................................. 368 LITERATUR .............................................................................................................. 369 INDEX 379
adam_txt	INHALT EINFUEHRUNG . 19 1.1 EINLEITUNG . 19 1.1.1 WOZU PHOTOVOLTAIK? . 19 1.1.2 FUER WEN IST DIESES BUCH GEDACHT? . 20 1.1.3 AUFBAU DES BUCHES . 20 1.2 WAS IST ENERGIE? . 21 1.2.1 DEFINITION DER ENERGIE . 21 1.2.2 EINHEITEN DER ENERGIE . 23 1.2.3 PRIMAER-, SEKUNDAER- UND ENDENERGIE . 23 1.2.4 ENERGIEINHALTE VERSCHIEDENER STOFFE. 24 1.3 PROBLEME DER HEUTIGEN ENERGIEVERSORGUNG . 25 1.3.1 WACHSENDER ENERGIEBEDARF . 25 1.3.2 VERKNAPPUNG DER RESSOURCEN . 26 1.3.3 KLIMAWANDEL . 27 1.3.4 GEFAEHRDUNG UND ENTSORGUNG . 29 1.4 ERNEUERBARE ENERGIEN . 30 1.4.1 DIE FAMILIE DER ERNEUERBAREN ENERGIEN . 30 1.4.2 VOR- UND NACHTEILE VON ERNEUERBAREN ENERGIEN . 31 1.4.3 BISHERIGE ENTWICKLUNG DER ERNEUERBAREN ENERGIEN . 32 1.5 PHOTOVOLTAIK - DAS WICHTIGSTE IN KUERZE . 32 1.5.1 WAS BEDEUTET PHOTOVOLTAIK ? . 32 1.5.2 WAS SIND SOLARZELLEN UND SOLARMODULE? . 33 1.5.3 WIE IST EINE TYPISCHE PHOTOVOLTAIKANLAGE AUFGEBAUT? . 33 1.5.4 WAS BRINGT EINE PHOTOVOLTAIKANLAGE? . 34 1.6 GESCHICHTE DER PHOTOVOLTAIK . 35 1.6.1 WIE ALLES BEGANN . 35 1.6.2 DIE ERSTEN ECHTEN SOLARZELLEN . 36 1.6.3 FROM SPACE TO EARTH . 36 1.6.4 VOM SPIELZEUG ZUR ENERGIEQUELLE . 38 8 INHALT 2 STRAHLUNGSANGEBOT DER SONNE . 41 2.1 EIGENSCHAFTEN DER SOLARSTRAHLUNG . 41 2.1.1 SOLARKONSTANTE . 41 2.1.2 SPEKTRUM DER SONNE . 42 2.1.3 AIR MASS . 43 2.2 GLOBALSTRAHLUNG . 44 2.2.1 ENTSTEHUNG DER GLOBALSTRAHLUNG . 44 2.2.2 BEITRAEGE VON DIFFUS- UND DIREKTSTRAHLUNG . 45 2.2.3 GLOBALSTRAHLUNGSKARTEN . 47 2.3 BERECHNUNG DES SONNENSTANDES . 48 2.3.1 SONNENDEKLINATION . 48 2.3.2 BERECHNUNG DER BAHN DER SONNE . 51 2.4 STRAHLUNG AUF GENEIGTE FLAECHEN . 53 2.4.1 STRAHLUNGSBERECHNUNG MIT DEM DREIKOMPONENTENMODELL . 53 2.4.1.1 DIREKTSTRAHLUNG . 54 2.4.1.2 DIFFUSSTRAHLUNG . 55 2.4.1.3 REFLEKTIERTE STRAHLUNG . 56 2.4.2 STRAHLUNGSABSCHAETZUNG MIT DIAGRAMMEN UND TABELLEN . 57 2.4.3 ERTRAGSGEWINN DURCH NACHFUEHRUNG . 59 2.5 STRAHLUNGSANGEBOT UND WELTENERGIEVERBRAUCH . 60 2.5.1 DER SOLARSTRAHLUNGS-ENERGIEWUERFEL . 60 2.5.2 DAS SAHARA-WUNDER . 61 3 GRUNDLAGEN DER HALBLEITERPHYSIK . 64 3.1 AUFBAU VON HALBLEITERN . 64 3.1.1 BOHRSCHES ATOMMODELL . 64 3.1.2 PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE . 66 3.1.3 AUFBAU DES SILIZIUMKRISTALLS . 67 3.1.4 VERBINDUNGSHALBLEITER . 67 3.2 BAENDERMODELL DES HALBLEITERS . 68 3.2.1 ENTSTEHUNG VON ENERGIEBAENDERN . 68 3.2.2 UNTERSCHEIDUNG IN ISOLATOREN, HALBLEITER UND LEITER . 69 3.2.3 EIGENLEITUNGSDICHTE . 70 3.3 LADUNGSTRANSPORT IN HALBLEITERN . 71 3.3.1 FELDSTROEME . 71 3.3.2 DIFFUSIONSSTROEME . 73 3.4 DOTIERUNG VON HALBLEITERN . 74 3.4.1 N-DOTIERUNG . 74 INHALT 9 3.4.2 P-DOTIERUNG . 75 3.5 DER PN-UEBERGANG . 75 3.5.1 PRINZIPIELLE WIRKUNGSWEISE . 76 3.5.2 BAENDERDIAGRAMM DES PN-UEBERGANGS . 77 3.5.3 VERHALTEN BEI ANGELEGTER SPANNUNG . 79 3.5.4 DIODEN-KENNLINIE . 80 3.6 WECHSELWIRKUNG VON LICHT MIT HALBLEITERN . 81 3.6.1 PHAENOMEN DER LICHTABSORPTION . 81 3.6.1.1 ABSORPTIONSKOEFFIZIENT . 82 3.6.1.2 DIREKTE UND INDIREKTE HALBLEITER . 83 3.6.2 LICHTREFLEXION AN OBERFLAECHEN . 85 3.6.2.1 REFLEXIONSFAKTOR . 85 3.6.2.2 ANTIREFLEXBESCHICHTUNG . 86 AUFBAU UND WIRKUNGSWEISE DER SOLARZELLE . 90 4.1 BETRACHTUNG DER PHOTODIODE . 90 4.1.1 AUFBAU UND KENNLINIE . 90 4.1.2 ERSATZSCHALTBILD . 91 4.2 FUNKTIONSWEISE DER SOLARZELLE . 92 4.2.1 PRINZIPIELLER AUFBAU . 92 4.2.2 REKOMBINATION UND DIFFUSIONSLAENGE . 93 4.2.3 WAS PASSIERT IN DEN EINZELNEN ZELLBEREICHEN? . 94 4.2.4 BACK-SURFACE-FIELD . 96 4.3 PHOTOSTROM . 96 4.3.1 ABSORPTIONSWIRKUNGSGRAD . 97 4.3.2 QUANTENWIRKUNGSGRAD . 98 4.3.3 SPEKTRALE EMPFINDLICHKEIT . 98 4.4 KENNLINIE UND KENNGROESSEN . 99 4.4.1 KURZSCHLUSSSTROM / K . 101 4.4.2 LEERLAUFSPANNUNG U L . 101 4.4.3 MAXIMUM POWER POINT (MPP) . 101 4.4.4 FUELLFAKTOR FF . 102 4.4.5 WIRKUNGSGRAD TJ . 102 4.4.6 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER SOLARZELLE . 103 4.5 ELEKTRISCHE BESCHREIBUNG REALER SOLARZELLEN . 105 4.5.1 VEREINFACHTES MODELL . 105 4.5.2 STANDARD-MODELL (EIN-DIODEN-MODELL) . 105 4.5.3 ZWEI-DIODEN-MODELL . 106 10 INHALT 4.5.4 BESTIMMUNG DER PARAMETER DES ERSATZSCHALTBILDES . 107 4.6 BETRACHTUNGEN ZUM WIRKUNGSGRAD . HO 4.6.1 SPEKTRALER WIRKUNGSGRAD . HO 4.6.2 THEORETISCHER WIRKUNGSGRAD . 114 4.6.3 VERLUSTE IN DER REALEN SOLARZELLE . 115 4.6.3.1 OPTISCHE VERLUSTE . 115 4.6.3.2 ELEKTRISCHE VERLUSTE . 118 4.7 HOCHEFFIZIENZZELLEN . 119 4.7.1 BURIED-CONTACT-ZELLE . 119 4.7.2 PUNKTKONTAKT-ZELLE (IBC-ZELLE) . 120 4.7.3 PERL-UND PERC-ZELLE . 121 5 ZELLENTECHNOLOGIEN 123 5.1 HERSTELLUNG KRISTALLINER SILIZIUM-ZELLEN . 123 5.1.1 VOM SAND ZUM SILIZIUM . 123 5.1.1.1 HERSTELLUNG VON POLYSILIZIUM . 123 5.1.1.2 HERSTELLUNG VON MONOKRISTALLINEM SILIZIUM . 125 5.1.1.3 HERSTELLUNG VON MULTIKRISTALLINEM SILIZIUM . 126 5.1.1.4 HERSTELLUNG VON QUASIMONOKRISTALLINEM SILIZUM . 127 5.1.2 VOM SILIZIUM ZUM WAFER . 127 5.1.2.1 WAFERHERSTELLUNG . 127 5.1.2.2 WAFER AUS FOLIENSILIZIUM . 128 5.1.3 HERSTELLUNG VON STANDARD-SOLARZELLEN . 129 5.1.4 HERSTELLUNG VON SOLARMODULEN . 131 5.2 ZELLEN AUS AMORPHEM SILIZIUM . 133 5.2.1 EIGENSCHAFTEN VON AMORPHEM SILIZIUM . 133 5.2.2 HERSTELLUNGSVERFAHREN . 134 5.2.3 AUFBAU DER PIN-ZELLE . 135 5.2.4 STAEBLER-WRONSKI-EFFEKT . 136 5.2.5 STAPELZELLEN . 138 5.2.6 KOMBIZELLEN AUS MIKROMORPHEM MATERIAL . 139 5.2.7 INTEGRIERTE SERIENVERSCHALTUNG . 140 5.3 WEITERE DUENNSCHICHTZELLEN . 142 5.3.1 CIS-ZELLEN . 142 5.3.2 ZELLEN AUS CADMIUM-TELLURID . 145 5.4 HYBRIDE WAFERZELLEN . 147 5.4.1 KOMBINATION VON C-SI UND A-SI (HIT-ZELLE) . 148 5.4.2 STAPELZELLEN AUS III/V-HALBLEITERN . 149 INHALT 11 5.5 SONSTIGE ZELLENKONZEPTE . 149 5.5.1 FARBSTOFFSOLARZELLE . 150 5.5.2 ORGANISCHE SOLARZELLE . 150 5.5.3 PEROWSKIT-SOLARZELLE . 151 5.6 KONZENTRATORSYSTEME . 151 5.6.1 PRINZIP DER STRAHLUNGSBUENDELUNG . 151 5.6.2 WAS BRINGT DIE KONZENTRATION? . 152 5.6.3 BEISPIELE VON KONZENTRATORSYSTEMEN . 153 5.6.4 VOR- UND NACHTEILE VON KONZENTRATORSYSTEMEN . 154 5.7 OEKOLOGISCHE FRAGESTELLUNGEN ZUR ZELLEN- UND MODULHERSTELLUNG . 154 5.7.1 UMWELTAUSWIRKUNGEN BEI HERSTELLUNG UND BETRIEB . 154 5.7.1.1 BEISPIEL CADMIUM-TELLURID . 155 5.7.1.2 BEISPIEL SILIZIUM . 155 5.7.2 VERFUEGBARKEIT DER MATERIALIEN . 156 5.7.2.1 SILIZIUM . 156 5.7.2.2 CADMIUM-TELLURID . 156 5.7.2.3 CIS . : . 157 5.7.2.4 III/V-HALBLEITER . 158 5.7.3 ENERGIERUECKLAUFZEIT UND ERNTEFAKTOR . 158 5.8 ZUSAMMENFASSUNG . 161 6 SOLARMODULE UND SOLARGENERATOREN 164 6.1 EIGENSCHAFTEN VON SOLARMODULEN . 164 6.1.1 SOLARZELLENKENNLINIE IN ALLEN VIER QUADRANTEN . 164 6.1.2 PARALLELSCHALTUNG VON ZELLEN . 165 6.1.3 REIHENSCHALTUNG VON ZELLEN . 166 6.1.4 EINSATZ VON BYPASSDIODEN . 167 6.1.4.1 REDUZIERUNG VON VERSCHATTUNGSVERLUSTEN . 167 6.1.4.2 VERMEIDUNG VON HOTSPOTS . 169 6.1.5 TYPISCHE KENNLINIEN VON SOLARMODULEN . 172 6.1.5.1 VARIATION DER BESTRAHLUNGSSTAERKE . 172 6.1.5.2 TEMPERATURVERHALTEN . 173 6.1.6 SONDERFALL DUENNSCHICHTMODULE . 174 6.1.7 BEISPIELE VON DATENBLATTANGABEN . 176 6.2 VERSCHALTUNG VON SOLARMODULEN . 177 6.2.1 PARALLELSCHALTUNG VON STRINGS . 177 6.2.2 WAS PASSIERT BEI VERKABELUNGSFEHLERN? . 177 6.2.3 VERLUSTE DURCH MISMATCHING . 178 12 INHALT 6.2.4 SCHLAUE VERSCHALTUNG BEI VERSCHATTUNG . 179 6.3 GLEICHSTROM-KOMPONENTEN . 181 6.3.1 PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU . 181 6.3.2 GLEICHSTROMVERKABELUNG . 182 6.4 ANLAGENTYPEN . 184 6.4.1 FREILANDANLAGEN . 185 6.4.2 FLACHDACHANLAGEN . 187 6.4.3 SCHRAEGDACHANLAGEN . 188 6.4.4 FASSADENANLAGEN . 190 6.4.5 SCHWIMMENDE ANLAGEN . 191 SYSTEMTECHNIK NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 193 7.1 SOLARGENERATOR UND LAST . 193 7.1.1 WIDERSTANDSLAST . 193 7.1.2 DC/DC-WANDLER . 194 7.1.2.1 IDEE . 194 7.1.2.2 TIEFSETZSTELLER . 195 7.1.2.3 HOCHSETZSTELLER . 197 7.1.3 MPP-TRACKER . 199 7.2 AUFBAU NETZGEKOPPELTER ANLAGEN . 200 7.2.1 EINSPEISEVARIANTEN . 200 7.2.2 ANLAGENKONZEPTE . 201 7.3 AUFBAU VON WECHSELRICHTERN . 203 7.3.1 AUFGABEN DES WECHSELRICHTERS . 203 7.3.2 NETZGEFUEHRTE UND SELBSTGEFUEHRTE WECHSELRICHTER . 204 7.3.3 TRAFOLOSER WECHSELRICHTER . 204 7.3.4 WECHSELRICHTER MIT NETZTRAFO . 206 7.3.5 WECHSELRICHTER MIT HF-TRAFO . 207 7.3.6 DREIPHASIGE EINSPEISUNG . 208 7.3.7 WEITERE SCHLAUE KONZEPTE . 209 7.4 WIRKUNGSGRAD VON WECHSELRICHTERN . 210 7.4.1 UMWANDLUNGSWIRKUNGSGRAD . 211 7.4.2 EUROPAEISCHER WIRKUNGSGRAD . 212 7.4.3 GESAMTWIRKUNGSGRAD . 214 7.4.4 SCHLAUES MPP-TRACKING . 214 7.5 DIMENSIONIERUNG VON WECHSELRICHTERN . 215 7.5.1 LEISTUNGSDIMENSIONIERUNG . 215 7.5.2 SPANNUNGSDIMENSIONIERUNG . 216 INHALT 13 7.5.3 STROMDIMENSIONIERUNG . 217 7.6 ANFORDERUNGEN DER NETZBETREIBER . 217 7.6.1 VERMEIDUNG VON INSELBETRIEB . 218 7.6.2 MAXIMALE EINSPEISELEISTUNG . 219 7.6.3 BLINDLEISTUNGSBEREITSTELLUNG . 220 7.7 SICHERHEITSASPEKTE . 223 7.7.1 ERDUNG DES GENERATORS UND BLITZSCHUTZ . 223 7.7.2 BRANDSCHUTZ . 224 8 SPEICHERUNG VON SOLARSTROM 225 8.1 PRINZIP DER SOLARSTROMSPEICHERUNG . 225 8.2 AKKUMULATOREN . 226 8.2.1 BLEI-SAEURE-BATTERIE . 227 8.2.1.1 PRINZIP UND AUFBAU . 227 8.2.1.2 TYPEN VON BLEIAKKUS . 229 8.2.1.3 AKKUKAPAZITAET . 231 8.2.1.4 SPANNUNGSVERLAUF . 232 8.2.1.5 FAZIT . 232 8.2.2 LADEREGLER . 232 8.2.2.1 SERIENREGLER . 233 5.2.2.2 SHUNTREGLER . 233 5.2.2.3 MPP-LADEREGLER . 234 8.2.2.4 PRODUKTBEISPIELE . 234 8.2.3 LITHIUM-IONEN-BATTERIE . 235 8.2.3.1 PRINZIP UND AUFBAU . 236 8.2.3.2 REAKTIONEN BEIM LADE- UND ENTLADEVORGANG . 237 5.2.3.3 MATERIALKOMBINATIONEN UND ZELLSPANNUNG . 238 8.2.3.4 SICHERHEITSASPEKTE . 239 5.2.3.5 LADEVERFAHREN . 239 8.2.3.6 BAUFORMEN . 240 8.2.3.7 LEBENSDAUER . 241 5.2.3.8 EINSATZBEREICHE . 242 5.2.3.9 FAZIT . 242 8.2.4 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIE . 242 8.2.4.1 PRINZIP UND AUFBAU . 242 5.2.4.2 BESONDERHEITEN DER HOCHTEMPERATUR-BATTERIE . 243 5.2.4.3 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN IN DER PRAXIS . 244 5.2.4.4 FAZIT . 245 14 INHALT 8.2.5 REDOX-FLOW-BATTERIE . 245 8.2.5.1 PRINZIP UND AUFBAU . 245 5.2.5.2 VERHALTEN IM PRAKTISCHEN EINSATZ . 248 5.2.5.3 KONKRETE ANWENDUNGEN . 249 8.2.5.4 FAZIT . 249 8.2.6 VERGLEICH DER VERSCHIEDENEN BATTERIETYPEN . 250 8.3 SPEICHEREINSATZ ZUR ERHOEHUNG DES EIGENVERBRAUCHS . 251 8.3.1 EIGENVERBRAUCH IN PRIVATHAUSHALTEN . 251 8.3.1.1 LOESUNG OHNE SPEICHER . 251 8.3.1.2 LOESUNG MIT SPEICHER . 252 8.3.1.3 BEISPIELE VON SPEICHERSYSTEMEN . 253 8.3.1.4 WAS KOSTET DIE SPEICHERUNG EINER KILOWATTSTUNDE? . 255 8.3.1.5 DAS SMART HOME . 256 8.3.2 EIGENVERBRAUCH IN GEWERBEBETRIEBEN . 257 8.3.2.1 BEISPIEL PRODUKTIONSBETRIEB . 257 5.3.2.2 BEISPIEL KRANKENHAUS . 258 8.4 SPEICHEREINSATZ AUS SICHT DES NETZES . 258 8.4.1 PEAK-SHAVING DURCH SPEICHER . 259 8.4.2 MARKTANREIZPROGRAMM FUER SOLARSPEICHER . 259 8.5 INSELSYSTEME . 262 8.5.1 PRINZIPIELLER AUFBAU . 262 8.5.2 BEISPIELE VON INSELSYSTEMEN . 263 8.5.2.1 SOLAR HOME SYSTEMS . 263 5.5.2.2 HYBRIDSYSTEME . 264 8.5.3 DIMENSIONIERUNG VON INSELANLAGEN . 266 8.5.3.1 ERFASSUNG DES STROMVERBRAUCHS . 266 8.5.3.2 DIMENSIONIERUNG DES PV-GENERATORS . 267 5.5.3.3 AUSWAHL DES AKKUS . 269 9 PHOTOVOLTAISCHE MESSTECHNIK 271 9.1 MESSUNG SOLARER STRAHLUNG . 271 9.1.1 GLOBALSTRAHLUNGSSENSOREN . 271 9.1.1.1 PYRANOMETER . 271 9.1.1.2 STRAHLUNGSSENSOREN AUS SOLARZELLEN . 273 9.1.2 MESSUNG VON DIREKT- UND DIFFUSSTRAHLUNG . 274 9.2 LEISTUNGSMESSUNG VON SOLARMODULEN . 275 9.2.1 AUFBAU EINES SOLARMODUL-LEISTUNGSPRUEFSTANDS . 275 9.2.2 GUETEKLASSEN VON MODULFLASHERN . 276 INHALT 15 9.2.3 BESTIMMUNG DER MODULPARAMETER . 277 9.3 PEAKLEISTUNGSMESSUNG VOR ORT . 278 9.3.1 PRINZIP DER PEAKLEISTUNGSMESSUNG . 278 9.3.2 MOEGLICHKEITEN UND GRENZEN DES MESSPRINZIPS . 279 9.4 THERMOGRAPHIE-MESSTECHNIK . 280 9.4.1 PRINZIP DER INFRAROT-TEMPERATURMESSUNG . 280 9.4.2 HELL-THERMOGRAPHIE VON SOLARMODULEN . 281 9.4.3 DUNKEL-THERMOGRAPHIE . 283 9.5 ELEKTROLUMINESZENZ-MESSTECHNIK . 284 9.5.1 MESSPRINZIP . 284 9.5.2 BEISPIELE VON AUFNAHMEN . 285 9.5.3 LOWCOST-OUTDOOR-ELEKTROLUMINESZENZ-UNTERSUCHUNGEN . 288 9.6 UNTERSUCHUNGEN ZUR SPANNUNGSINDUZIERTEN DEGRADATION (PID) . 290 9.6.1 ERKLAERUNG DES PID-EFFEKTES . 291 9.6.2 PRUEFUNG VON MODULEN AUF PID . 292 9.6.3 EL-UNTERSUCHUNGEN ZU PID . 294 9.7 STRING-DUNKELKENNLINIEN-TECHNIK . 295 9.7.1 MOTIVATION . 295 9.7.2 MESSMETHODE . 296 9.7.3 DETEKTION VON PID . 296 9.7.4 DETEKTION VON DEFEKTEN BYPASSDIODEN UND ZELLVERBINDERN . 297 9.7.5 FAZIT . 300 10 PLANUNG UND BETRIEB NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 301 10.1 PLANUNG UND DIMENSIONIERUNG . 301 10.1.1 STANDORTWAHL . 301 10.1.2 VERSCHATTUNGEN . 302 10.1.2.1 VERSCHATTUNGSANALYSE . 302 10.1.2.2 NAHVERSCHATTUNGEN . 303 10.1.2.3 EIGENVERSCHATTUNGEN . 305 10.1.2.4 OPTIMIERTE STRINGVERSCHALTUNG . 306 10.1.3 ANLAGENDIMENSIONIERUNG MIT SIMULATIONSPROGRAMMEN . 306 10.1.3.1 WECHSELRICHTER-AUSLEGUNGSTOOLS . 306 10.1.3.2 SIMULATIONSPROGRAMME FUER PHOTOVOLTAIKANLAGEN . 306 10.2 WIRTSCHAFTLICHKEIT VON PHOTOVOLTAIKANLAGEN . 309 10.2.1 DAS ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZ . 309 10.2.2 RENDITEBERECHNUNG . 309 10.2.2.1 EINGANGSGROESSEN . 310 16 INHALT 10.2.2.2 AMORTISATIONSZEIT . 310 10.2.2.3 OBJEKTRENDITE . 311 10.2.2.4 RENDITEERHOEHUNG DURCH EIGENVERBRAUCH DES SOLARSTROMS . 313 10.2.2.5 WEITERE EINFLUSSGROESSEN . 313 10.3 UEBERWACHUNG, MONITORING UND VISUALISIERUNG . 314 10.3.1 METHODEN ZUR ANLAGENUEBERWACHUNG . 314 10.3.2 MONITORING VON PV-ANLAGEN . 314 10.3.2.1 SPEZIFISCHE ERTRAEGE . 314 10.3.2.2 VERLUSTE . 316 10.3.2.3 PERFORMANCE RATIO . 316 10.3.2.4 KONKRETE MASSNAHMEN ZUM MONITORING . 317 10.3.3 VISUALISIERUNG . 317 10.4 BETRIEBSERGEBNISSE VON KONKRETEN ANLAGEN . 318 10.4.1 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 1996 . 318 10.4.2 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2002 . 320 10.4.3 FLACHDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2008 . 321 11 ZUKUENFTIGE ENTWICKLUNG 323 11.1 POTENTIAL DER PHOTOVOLTAIK . 323 11.1.1 THEORETISCHES POTENTIAL . 323 11.1.2 TECHNISCH NUTZBARE STRAHLUNGSENERGIE . 323 11.1.3 TECHNISCHES STROMERZEUGUNGSPOTENTIAL . 325 11.1.4 PHOTOVOLTAIK VERSUS BIOMASSE . 326 11.2 EFFIZIENTE FOERDERINSTRUMENTE . 327 11.3 PREIS- UND VERGUETUNGSENTWICKLUNG . 328 11.3.1 PREISENTWICKLUNG VON SOLARMODULEN . 328 11.3.2 ENTWICKLUNG DER EINSPEISEVERGUETUNG . 330 11.4 ERNEUERBARE ENERGIEN IM HEUTIGEN STROMVERSORGUNGSSYSTEM . 331 11.4.1 STRUKTUR DER STROMERZEUGUNG . 332 11.4.2 KRAFTWERKSARTEN UND REGELENERGIE . 333 11.4.3 ZUSAMMENSPIEL AUS SONNE UND WIND . 334 11.4.4 EXEMPLARISCHE STROMPRODUKTIONSVERLAEUFE . 335 11.5 UEBERLEGUNGEN ZUR ZUKUENFTIGEN ENERGIEVERSORGUNG . 337 11.5.1 BETRACHTUNG UNTERSCHIEDLICHER ZUKUNFTSSZENARIEN . 338 11.5.2 OPTIONEN ZUR SPEICHERUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE . 341 11.5.2.1 PUMPSPEICHERWERKE . 342 11.5.2.2 DRUCKLUFTSPEICHER . 342 11.5.2.3 BATTERIESPEICHERUNG . 342 INHALT 17 11.5.2.4 ELEKTROMOBILITAET . 343 11.5.2.5 WASSERSTOFF ALS SPEICHER . 343 11.5.2.6 POWER-TO-GAS: METHANISIERUNG . 343 11.5.3 ALTERNATIVEN ZUR SPEICHERUNG . 345 11.5.3.1 AKTIVES LASTMANAGEMENT DURCH SMART GRIDS . 345 11.5.3.2 AUSBAU DES STROMNETZES . 345 11.5.3.3 BEGRENZUNG DER EINSPEISELEISTUNG . 345 11.5.3.4 EINSATZ FLEXIBLER KRAFTWERKE . 346 11.6 FAZIT . 346 12 UEBUNGSAUFGABEN 347 13 ANHANG 358 13.1 EINFLUSS VON AUSRICHTUNG UND NEIGUNG AUF DIE JAHRESSTRAHLUNGSSUMME AN VERSCHIEDENEN STANDORTEN . 353 13.1.1 STANDORT HAMBURG . 359 13.1.2 STANDORT MUENCHEN . 360 13.1.3 STANDORT BERN . 361 13.1.4 STANDORT WIEN . 362 13.1.5 STANDORT MARSEILLE . 363 13.1.6 STANDORT KAIRO . 364 13.2 CHECKLISTE ZU PLANUNG, INSTALLATION UND BETRIEB EINER PHOTOVOLTAIKANLAGE . 365 13.3 IM BUCH VERWENDETE ABKUERZUNGEN . 367 13.4 PHYSIKALISCHE KONSTANTEN/MATERIALPARAMETER . 368 LITERATUR . 369 INDEX 379
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