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Photovoltaik: Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Mertens, Konrad 1963- (VerfasserIn)
Format:	Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	München Hanser [2022]
Ausgabe:	6., aktualisierte und erweiterte Auflage
Schlagworte:	Fotovoltaikanlage Fotovoltaik erneuerbare Energien Halbleiter Ökologie Photovoltaikanlage solar Solarenergie Solarzelle ELEK2020 Lehrbuch
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	409 Seiten Illustrationen, Diagramme (farbig) 24 cm
ISBN:	9783446471948 3446471944

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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 ............................... 31 1.5 PHOTOVOLTAIK - DAS WICHTIGSTE IN KUERZE .............................................................. 32 1.5.1 WAS BEDEUTET YYPHOTOVOLTAIK ? .................................................................. 32 1.5.2 WAS SIND SOLARZELLEN UND SOLARMODULE? ................................................. 32 1.5.3 WIE IST EINE TYPISCHE PHOTOVOLTAIKANLAGE AUFGEBAUT? ............................. 33 1.5.4 WAS YYBRINGT 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 ................................................................................. 38 1.6.4 VOM SPIELZEUG ZUR ENERGIEQUELLE ............................................................ 39 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 INHALT 9 3.4 DOTIERUNG VON HALBLEITERN ................................................................................. 74 3.4.1 N-DOTIERUNG .............................................................................................. 74 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 4 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 T) ....................................................................................... 102 4.4.6 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER SOLARZELLE .................................................. 103 10 INHALT 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 4.5.4 BESTIMMUNG DER PARAMETER DES ERSATZSCHALTBILDES ................................ 107 4.6 BETRACHTUNGEN ZUM WIRKUNGSGRAD ..................................................................... HO 4.6.1 SPEKTRALER WIRKUNGSGRAD ........................................................................... 110 4.6.2 THEORETISCHERWIRKUNGSGRAD .................................................................... 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-, PERC-UND TOPCON-ZELLE ............................................................. 121 5 ZELLENTECHNOLOGIEN 124 5.1 HERSTELLUNG KRISTALLINER SILIZIUM-ZELLEN ............................................................. 124 5.1.1 VOM SAND ZUM SILIZIUM ............................................................................ 124 5.1.1.1 HERSTELLUNG VON POLYSILIZIUM ...................................................... 124 5.1.1.2 HERSTELLUNG VON MONOKRISTALLINEM SILIZIUM ............................... 126 5.1.1.3 HERSTELLUNG VON MULTIKRISTALLINEM SILIZIUM ............................... 127 5.1.1.4 HERSTELLUNG VON QUASIMONOKRISTALLINEM SILIZUM ...................... 128 5.1.2 VOM SILIZIUM ZUM WAFER .......................................................................... 128 5.1.2.1 WAFERHERSTELLUNG .......................................................................... 128 5.1.2.2 WAFER AUS FOLIENSILIZIUM ............................................................. 129 5.1.3 HERSTELLUNG VON STANDARD-SOLARZELLEN .................................................... 130 5.1.4 HERSTELLUNG VON SOLARMODULEN ............................................................... 132 5.2 ZELLEN AUS AMORPHEM SILIZIUM ........................................................................... 134 5.2.1 EIGENSCHAFTEN VON AMORPHEM SILIZIUM ................................................... 134 5.2.2 HERSTELLUNGSVERFAHREN .............................................................................. 135 5.2.3 AUFBAU DER PIN-ZELLE ................................................................................. 136 5.2.4 STAEBLER-WRONSKI-EFFEKT ............................................................................ 137 5.2.5 STAPELZELLEN ............................................................................................... 139 5.2.6 KOMBIZELLEN AUS MIKROMORPHEM MATERIAL ............................................. 140 5.2.7 INTEGRIERTE SERIENVERSCHALTUNG ................................................................ 141 INHALT 11 5.3 WEITERE DUENNSCHICHTZELLEN ................................................................................. 143 5.3.1 CIS-ZELLEN .................................................................................................. 143 5.3.2 ZELLEN AUS CADMIUM-TELLURID ................................................................. 146 5.4 HYBRIDE WAFERZELLEN ............................................................................................ 148 5.4.1 KOMBINATION VON C-SI UND A-SI (HIT-ZELLE) ............................................. 149 5.4.2 NEUE ZELL UND MODULHERSTELLER ............................................................. 150 5.4.2.1 MEYER BURGER ................................................................................ 150 5.4.2.2 NEXWAFE ......................................................................................... 151 5.4.2.3 HECKERT SOLAR ................................................................................ 151 5.4.3 STAPELZELLEN AUS III/V-HALBLEITERN ........................................................... 151 5.5 SONSTIGE ZELLENKONZEPTE ..................................................................................... 153 5.5.1 FARBSTOFFSOLARZELLE .................................................................................... 153 5.5.2 ORGANISCHE SOLARZELLE .............................................................................. 153 5.5.3 PEROWSKIT-SOLARZELLE ................................................................................. 153 5.6 KONZENTRATORSYSTEME ........................................................................................... 155 5.6.1 PRINZIP DER STRAHLUNGSBUENDELUNG ........................................................... 155 5.6.2 WAS BRINGT DIE KONZENTRATION? ................................................................ 155 5.6.3 BEISPIELE VON KONZENTRATORSYSTEMEN ..................................................... 156 5.6.4 VOR UND NACHTEILE VON KONZENTRATORSYSTEMEN .................................... 157 5.7 OEKOLOGISCHE FRAGESTELLUNGEN ZUR ZELLEN UND MODULHERSTELLUNG .................... 158 5.7.1 UMWELTAUSWIRKUNGEN BEI HERSTELLUNG UND BETRIEB ............................... 158 5.7.1.1 BEISPIEL CADMIUM-TELLURID ......................................................... 158 5.7.1.2 BEISPIEL SILIZIUM ........................................................................... 158 5.7.2 VERFUEGBARKEIT DER MATERIALIEN .................................................................. 161 5.7.2.1 SILIZIUM ......................................................................................... 162 5.7.2.2 CADMIUM-TELLURID ....................................................................... 162 5.7.2.3 CIS ................................................................................................. 162 5.7.2.4 III/V-HALBLEITER ............................................................................ 163 5.7.3 ENERGIERUECKLAUFZEIT UND ERNTEFAKTOR ...................................................... 163 5.8 ZUSAMMENFASSUNG ............................................................................................. 166 6 SOLARMODULE UND SOLARGENERATOREN 169 6.1 EIGENSCHAFTEN VON SOLARMODULEN ...................................................................... 169 6.1.1 SOLARZELLENKENNLINIE IN ALLEN VIER QUADRANTEN ........................................ 169 6.1.2 PARALLELSCHALTUNG VON ZELLEN .................................................................... 170 6.1.3 REIHENSCHALTUNG VON ZELLEN ..................................................................... 171 12 INHALT 6.1.4 EINSATZ VON BYPASSDIODEN ....................................................................... 172 6.1.4.1 REDUZIERUNG VON VERSCHATTUNGSVERLUSTEN ................................. 172 6.1.4.2 VERMEIDUNG VON HOTSPOTS .......................................................... 174 6.1.5 TYPISCHE KENNLINIEN VON SOLARMODULEN ................................................. 177 6.1.5.1 VARIATION DER BESTRAHLUNGSSTAERKE ............................................... 177 6.1.5.2 TEMPERATURVERHALTEN ................................................................... 178 6.1.6 HALBZELLENMODULE ................................................................................... 179 6.1.6.1 BETRACHTUNG DER VERLUSTLEISTUNG .................................................. 180 6.1.6.2 AUFBAU VON HALBZELLENMODULEN ................................................. 181 6.1.6.3 VERHALTEN BEI TEILVERSCHATTUNGEN ............................................... 182 6.1.7 SONDERFALL DUENNSCHICHTMODULE ............................................................. 184 6.1.8 BEISPIELE VON DATENBLATTANGABEN .......................................................... 186 6.2 VERSCHALTUNG VON SOLARMODULEN ......................................................................... 186 6.2.1 PARALLELSCHALTUNG VON STRINGS ................................................................... 186 6.2.2 WAS PASSIERT BEI VERKABELUNGSFEHLERN? .................................................. 188 6.2.3 VERLUSTE DURCH MISMATCHING ................................................................... 189 6.2.4 SCHLAUE VERSCHALTUNG BEI VERSCHATTUNG .................................................. 189 6.3 GLEICHSTROM-KOMPONENTEN ................................................................................ 192 6.3.1 PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU .................................................................... 192 6.3.2 GLEICHSTROMVERKABELUNG .......................................................................... 193 6.4 ANLAGENTYPEN ....................................................................................................... 195 6.4.1 FREILANDANLAGEN ........................................................................................ 195 6.4.2 FLACHDACHANLAGEN ................................................................................... 197 6.4.3 SCHRAEGDACHANLAGEN .................................................................................. 199 6.4.4 FASSADENANLAGEN ...................................................................................... 200 6.4.5 SCHWIMMENDE ANLAGEN ........................................................................... 202 6.4.6 AGRI-PHOTOVOLTAIK ..................................................................................... 204 6.4.6.1 KULTURENSCHUTZSYSTEME ................................................................ 204 6.4.6.2 WEITERE PROJEKTE UND TECHNOLOGIEN ............................................. 206 6.4.6.3 NUTZUNG VERTIKALER BIFACIALER AGRI-PV-SYSTEME ......................... 207 6.4.6.4 INSTALLATION EINER GROSSANLAGE ...................................................... 209 6.4.6.5 EINSATZ VON BIFACIALEN SOLARZAEUNEN ............................................. 209 6.4.7 PHOTOVOLTAIK-KRAFTWERKE AUSSERHALB DES ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZES ....................................................... 210 6.4.8 VEREINBARKEIT VON OEKONOMIE UND OEKOLOGIE ........................................... 210 INHALT 13 SYSTEMTECHNIK NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 213 7.1 SOLARGENERATOR UND LAST ...................................................................................... 213 7.1.1 WIDERSTANDSLAST ........................................................................................ 213 7.1.2 DC/DC-WANDLER ....................................................................................... 214 7.1.2.1 IDEE ................................................................................................ 214 7.1.2.2 TIEFSETZSTELLER ............................................................................... 215 7.1.2.3 HOCHSETZSTELLER ............................................................................ 217 7.1.3 MPP-TRACKER ............................................................................................. 219 7.2 AUFBAU NETZGEKOPPELTER ANLAGEN ....................................................................... 220 7.2.1 EINSPEISEVARIANTEN ................................................................................... 220 7.2.2 ANLAGENKONZEPTE ...................................................................................... 221 7.3 AUFBAU VON WECHSELRICHTERN .............................................................................. 223 7.3.1 AUFGABEN DES WECHSELRICHTERS ................................................................. 223 7.3.2 NETZGEFUEHRTE UND SELBSTGEFUEHRTE WECHSELRICHTER .................................... 224 7.3.3 TRAFOLOSER WECHSELRICHTER .......................................................................... 224 7.3.4 WECHSELRICHTER MIT NETZTRAFO .................................................................... 226 7.3.5 WECHSELRICHTER MIT HF-TRAFO .................................................................... 227 7.3.6 DREIPHASIGE EINSPEISUNG ........................................................................... 228 7.3.7 WEITERE SCHLAUE KONZEPTE ........................................................................ 229 7.4 WIRKUNGSGRAD VON WECHSELRICHTERN ................................................................... 230 7.4.1 UMWANDLUNGSWIRKUNGSGRAD .................................................................... 231 7.4.2 EUROPAEISCHER WIRKUNGSGRAD ..................................................................... 232 7.4.3 GESAMTWIRKUNGSGRAD ................................................................................ 234 7.4.4 SCHLAUES MPP-TRACKING ............................................................................ 234 7.5 DIMENSIONIERUNG VON WECHSELRICHTERN ............................................................ 235 7.5.1 LEISTUNGSDIMENSIONIERUNG ....................................................................... 235 7.5.2 SPANNUNGSDIMENSIONIERUNG .................................................................... 236 7.5.3 STROMDIMENSIONIERUNG ............................................................................ 237 7.6 ANFORDERUNGEN DER NETZBETREIBER ...................................................................... 237 7.6.1 VERMEIDUNG VON INSELBETRIEB .................................................................. 238 7.6.2 MAXIMALE EINSPEISELEISTUNG ..................................................................... 239 7.6.3 BLINDLEISTUNGSBEREITSTELLUNG ..................................................................... 240 7.7 SICHERHEITSASPEKTE ............................................................................................... 243 7.7.1 ERDUNG DES GENERATORS UND BLITZSCHUTZ .................................................. 243 7.7.2 BRANDSCHUTZ .............................................................................................. 244 14 INHALT 8 SPEICHERUNG VON SOLARSTROM 245 8.1 PRINZIP DER SOLARSTROMSPEICHERUNG .................................................................... 245 8.2 AKKUMULATOREN ..................................................................................................... 246 8.2.1 BLEI-SAEURE-BATTERIE .................................................................................. 247 8.2.1.1 PRINZIP UND AUFBAU ..................................................................... 247 8.2.1.2 TYPEN VON BLEIAKKUS .................................................................... 249 8.2.1.3 AKKUKAPAZITAET ............................................................................... 251 8.2.1.4 SPANNUNGSVERLAUF ........................................................................ 252 8.2.1.5 FAZIT .............................................................................................. 252 8.2.2 LADEREGLER .................................................................................................. 252 8.2.2.1 SERIENREGLER .................................................................................. 253 8.2.2.2 SHUNTREGLER ................................................................................... 253 8.2.2.3 MPP-LADEREGLER ........................................................................... 254 8.2.2.4 PRODUKTBEISPIELE .......................................................................... 254 8.2.3 LITHIUM-IONEN-BATTERIE ............................................................................ 255 8.2.3.1 PRINZIP UND AUFBAU ..................................................................... 256 8.2.3.2 REAKTIONEN BEIM LADE UND ENTLADEVORGANG ............................ 257 8.2.3.3 MATERIALKOMBINATIONEN UND ZELLSPANNUNG ............................... 258 8.2.3.4 SICHERHEITSASPEKTE ....................................................................... 259 8.2.3.5 LADEVERFAHREN .............................................................................. 259 8.2.3.6 BAUFORMEN ................................................................................... 260 8.2.3.7 LEBENSDAUER ................................................................................. 261 8.2.3.8 EINSATZBEREICHE ............................................................................ 262 8.2.3.9 FAZIT .............................................................................................. 262 8.2.4 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIE ...................................................................... 262 8.2.4.1 PRINZIP UND AUFBAU .................................................................... 262 8.2.4.2 BESONDERHEITEN DER HOCHTEMPERATUR-BATTERIE ........................ 263 8.2.4.3 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN IN DER PRAXIS ................................ 264 8.2.4.4 FAZIT ............................................................................................. 265 8.2.5 REDOX-FLOW-BATTERIE ................................................................................. 265 8.2.5.1 PRINZIP UND AUFBAU .................................................................... 265 8.2.5.2 VERHALTEN IM PRAKTISCHEN EINSATZ .............................................. 268 8.2.5.3 FORTSCHRITTE BEI REDOX-FLOW-BATTERIEN ...................................... 269 8.2.5.4 KONKRETE ANWENDUNGEN ............................................................. 269 8.2.5.5 FAZIT ............................................................................................. 270 8.2.6 VERGLEICH DER VERSCHIEDENEN BATTERIETYPEN ............................................ 270 INHALT 15 8.3 SPEICHEREINSATZ ZUR ERHOEHUNG DES EIGENVERBRAUCHS ........................................ 270 8.3.1 EIGENVERBRAUCH IN PRIVATHAUSHALTEN ........................................................ 271 8.3.1.1 LOESUNG OHNE SPEICHER ................................................................. 272 8.3.1.2 LOESUNG MIT SPEICHER .................................................................... 273 8.3.1.3 BEISPIELE VON SPEICHERSYSTEMEN ................................................. 274 8.3.1.4 WAS KOSTET DIE SPEICHERUNG EINER KILOWATTSTUNDE? .................... 274 8.3.1.5 DAS SMART HOME ......................................................................... 277 8.3.2 EIGENVERBRAUCH IN GEWERBEBETRIEBEN ................................................... 277 8.3.2.1 BEISPIEL PRODUKTIONSBETRIEB ........................................................ 277 8.3.2.2 BEISPIEL KRANKENHAUS ................................................................... 278 8.4 SPEICHEREINSATZ AUS SICHT DES NETZES ................................................................ 280 8.4.1 PEAK-SHAVING DURCH SPEICHER ................................................................. 280 8.4.2 MARKTANREIZPROGRAMM FUER SOLARSPEICHER ................................................ 280 8.5 DAS DREAM-TEAM PHOTOVOLTAIK UND ELEKTROAUTO .............................................. 284 8.5.1 VERGLEICH DER WIRKUNGSGRADE ................................................................... 284 8.5.2 AKTUELLE SITUATION .................................................................................... 284 8.5.3 DIE TUECKEN DER LADETECHNIK .................................................................. 285 8.5.4 VISUALISIERUNG DES LADEZUSTANDS ........................................................... 286 8.5.5 ELEKTROAUTO ALS STROMSPEICHER? ............................................................... 287 8.6 INSELSYSTEME ........................................................................................................ 287 8.6.1 PRINZIPIELLER AUFBAU ................................................................................ 287 8.6.2 BEISPIELE VON INSELSYSTEMEN ................................................................... 288 8.6.2.1 SOLAR HOME SYSTEMS .................................................................... 288 8.6.2.2 HYBRIDSYSTEME .............................................................................. 289 8.6.3 DIMENSIONIERUNG VON INSELANLAGEN ........................................................ 291 8.6.3.1 ERFASSUNG DES STROMVERBRAUCHS .................................................. 291 8.6.3.2 DIMENSIONIERUNG DES PV-GENERATORS ........................................ 292 8.6.3.3 AUSWAHL DES AKKUS ....................................................................... 294 9 PHOTOVOLTAISCHE MESSTECHNIK 296 9.1 MESSUNG SOLARER STRAHLUNG .................................................................................. 296 9.1.1 GLOBALSTRAHLUNGSSENSOREN ....................................................................... 296 9.1.1.1 PYRANOMETER ................................................................................ 296 9.1.1.2 STRAHLUNGSSENSOREN AUS SOLARZELLEN ............................................ 298 9.1.2 MESSUNG VON DIREKT-UND DIFFUSSTRAHLUNG ............................................. 299 16 INHALT 9.2 LEISTUNGSMESSUNG VON SOLARMODULEN ............................................................... 300 9.2.1 AUFBAU EINES SOLARMODUL-LEISTUNGSPRUEFSTANDS .................................... 300 9.2.2 GUETEKLASSEN VON MODULFLASHERN .............................................................. 301 9.2.3 BESTIMMUNG DER MODULPARAMETER .......................................................... 302 9.3 PEAKLEISTUNGSMESSUNG VOR ORT ........................................................................... 303 9.3.1 PRINZIP DER PEAKLEISTUNGSMESSUNG ......................................................... 303 9.3.2 MOEGLICHKEITEN UND GRENZEN DES MESSPRINZIPS ...................................... 304 9.4 THERMOGRAPHIE-MESSTECHNIK ............................................................................. 305 9.4.1 PRINZIP DER INFRAROT-TEMPERATURMESSUNG .............................................. 305 9.4.2 HELL-THERMOGRAPHIE VON SOLARMODULEN ................................................. 306 9.4.3 DUNKEL-THERMOGRAPHIE ............................................................................ 308 9.5 ELEKTROLUMINESZENZ-MESSTECHNIK ...................................................................... 309 9.5.1 MESSPRINZIP ............................................................................................... 309 9.5.2 BEISPIELE VON AUFNAHMEN ......................................................................... 310 9.5.3 LOWCOST-OUTDOOR-ELEKTROLUMINESZENZ-UNTERSUCHUNGEN .................... 313 9.6 UNTERSUCHUNGEN ZUR SPANNUNGSINDUZIERTEN DEGRADATION (PID) .................... 315 9.6.1 ERKLAERUNG DES PID-EFFEKTES ...................................................................... 316 9.6.2 PRUEFUNG VON MODULEN AUF PID ................................................................ 317 9.6.3 EL-UNTERSUCHUNGEN ZU PID ..................................................................... 319 9.7 STRING-DUNKELKENNLINIEN-TECHNIK ...................................................................... 320 9.7.1 MOTIVATION ................................................................................................ 320 9.7.2 MESSMETHODE ............................................................................................ 321 9.7.3 DETEKTION VON PID .................................................................................... 321 9.7.4 DETEKTION VON DEFEKTEN BYPASSDIODEN UND ZELLVERBINDERN ................. 322 9.7.5 FAZIT ........................................................................................................... 325 10 PLANUNG UND BETRIEB NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 326 10.1 PLANUNG UND DIMENSIONIERUNG ........................................................................... 326 10.1.1 STANDORTWAHL ............................................................................................. 326 10.1.2 VERSCHATTUNGEN .......................................................................................... 327 10.1.2.1 VERSCHATTUNGSANALYSE ................................................................... 327 10.1.2.2 NAHVERSCHATTUNGEN .................................................................. 328 10.1.2.3 EIGENVERSCHATTUNGEN ................................................................... 330 10.1.2.4 OPTIMIERTE STRINGVERSCHALTUNG ................................................... 331 10.1.3 ANLAGENDIMENSIONIERUNG MIT SIMULATIONSPROGRAMMEN ........................ 331 10.1.3.1 WECHSELRICHTER-AUSLEGUNGSTOOLS ................................................. 331 10.1.3.2 SIMULATIONSPROGRAMME FUER PHOTOVOLTAIKANLAGEN ..................... 331 INHALT 17 10.2 WIRTSCHAFTLICHKEIT VON PHOTOVOLTAIKANLAGEN ...................................................... 334 10.2.1 DAS ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZ .......................................................... 334 10.2.2 RENDITEBERECHNUNG ................................................................................... 334 10.2.2.1 EINGANGSGROESSEN ........................................................................... 334 10.2.2.2 AMORTISATIONSZEIT .................................................. 335 10.2.2.3 OBJEKTRENDITE ............................................................................... 336 10.2.2.4 RENDITEERHOEHUNG DURCH EIGENVERBRAUCH DES SOLARSTROMS ....... 337 10.2.2.5 WEITERE EINFLUSSGROESSEN ................................................................ 338 10.3 UEBERWACHUNG, MONITORING UND VISUALISIERUNG .................................................. 338 10.3.1 METHODEN ZUR ANLAGENUEBERWACHUNG ...................................................... 339 10.3.2 MONITORING VON PV-ANLAGEN ..................................................................... 339 10.3.2.1 SPEZIFISCHE ERTRAEGE ....................................................................... 339 10.3.2.2 VERLUSTE .................................................................. 340 10.3.2.3 PERFORMANCE RATIO ....................................................................... 341 10.3.2.4 KONKRETE MASSNAHMEN ZUM MONITORING ............. 341 10.3.3 VISUALISIERUNG ........................................................................................... 342 10.4 BETRIEBSERGEBNISSE VON KONKRETEN ANLAGEN ....................................................... 343 10.4.1 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 1996 ................................................... 343 10.4.2 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2002 ................................................... 345 10.4.3 FLACHDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2008 ...................................................... 346 11 ZUKUENFTIGE ENTWICKLUNG 348 11.1 POTENTIAL DER PHOTOVOLTAIK ................................................................................... 348 11.1.1 THEORETISCHES POTENTIAL ............................................................................ 348 11.1.2 TECHNISCH NUTZBARE STRAHLUNGSENERGIE ................................................... 348 11.1.3 TECHNISCHES STROMERZEUGUNGSPOTENTIAL .................................................. 350 11.1.4 PHOTOVOLTAIK VERSUS BIOMASSE .................................................................. 351 11.2 EFFIZIENTE FOERDERINSTRUMENTE ............................................................................. 352 11.3 PREIS-UND VERGUETUNGSENTWICKLUNG ..................................................................... 354 11.3.1 PREISENTWICKLUNG VON SOLARMODULEN ........................................................ 354 11.3.2 ENTWICKLUNG DER EINSPEISEVERGUETUNG ...................................................... 355 11.4 ERNEUERBARE ENERGIEN IM HEUTIGEN STROMVERSORGUNGSSYSTEM ......................... 356 11.4.1 STRUKTUR DER STROMERZEUGUNG .................................................................. 357 11.4.2 KRAFTWERKSARTEN UND REGELENERGIE .......................................................... 358 11.4.3 ZUSAMMENSPIEL AUS SONNE UND WIND ..................................................... 359 11.4.4 EXEMPLARISCHE STROMPRODUKTIONSVERLAEUFE .............................................. 361 18 INHALT 11.5 UEBERLEGUNGEN ZUR ZUKUENFTIGEN ENERGIEVERSORGUNG ........................................... 362 11.5.1 BETRACHTUNG UNTERSCHIEDLICHER ZUKUNFTSSZENARIEN ................................ 362 11.5.2 OPTIONEN ZUR SPEICHERUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE ............................... 367 11.5.2.1 PUMPSPEICHERWERKE .................................................................... 367 11.5.2.2 DRUCKLUFTSPEICHER ........................................................................ 368 11.5.2.3 BATTERIESPEICHERUNG .................................................................... 368 11.5.2.4 NUTZUNG DER ELEKTROMOBILITAET FUER DAS STROMNETZ ...................... 369 11.5.2.5 WASSERSTOFF ALS SPEICHER ............................................................... 369 11.5.2.6 POWER-TO-GAS: METHANISIERUNG ................................................ 370 11.5.3 ALTERNATIVEN ZUR SPEICHERUNG ................................................................... 371 11.5.3.1 AKTIVES LASTMANAGEMENT DURCH SMART GRIDS .......................... 371 11.5.3.2 AUSBAU DES STROMNETZES ............................................................. 372 11.5.3.3 BEGRENZUNG DER EINSPEISELEISTUNG .............................................. 372 11.5.3.4 EINSATZ FLEXIBLER KRAFTWERKE ..................................................... 372 11.6 FAZIT ....................................................................................................................... 372 374 ANHANG ............................................................................................ 385 13.1 EINFLUSS VON AUSRICHTUNG UND NEIGUNG AUF DIE JAHRESSTRAHLUNGSSUMME AN VERSCHIEDENEN STANDORTEN ........................................................................... 385 13.1.1 STANDORT HAMBURG ..................................................................................... 386 13.1.2 STANDORT MUENCHEN ..................................................................................... 387 13.1.3 STANDORT BERN ............................................................................................. 388 13.1.4 STANDORT MARSEILLE ..................................................................................... 389 13.1.5 STANDORT KAIRO ............................................................................................ 390 13.2 CHECKLISTE ZU PLANUNG, INSTALLATION UND BETRIEB EINER PHOTOVOLTAIKANLAGE ...... 391 13.3 IM BUCH VERWENDETE ABKUERZUNGEN .................................................................... 393 13.4 PHYSIKALISCHE KONSTANTEN/MATERIALPARAMETER .................................................. 394 LITERATUR ................................................................................................... 395 INDEX ........................................................................................................ 405
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 . 31 1.5 PHOTOVOLTAIK - DAS WICHTIGSTE IN KUERZE . 32 1.5.1 WAS BEDEUTET YYPHOTOVOLTAIK " ? . 32 1.5.2 WAS SIND SOLARZELLEN UND SOLARMODULE? . 32 1.5.3 WIE IST EINE TYPISCHE PHOTOVOLTAIKANLAGE AUFGEBAUT? . 33 1.5.4 WAS YYBRINGT " 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 . 38 1.6.4 VOM SPIELZEUG ZUR ENERGIEQUELLE . 39 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 INHALT 9 3.4 DOTIERUNG VON HALBLEITERN . 74 3.4.1 N-DOTIERUNG . 74 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 4 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 T) . 102 4.4.6 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER SOLARZELLE . 103 10 INHALT 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 4.5.4 BESTIMMUNG DER PARAMETER DES ERSATZSCHALTBILDES . 107 4.6 BETRACHTUNGEN ZUM WIRKUNGSGRAD . HO 4.6.1 SPEKTRALER WIRKUNGSGRAD . 110 4.6.2 THEORETISCHERWIRKUNGSGRAD . 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-, PERC-UND TOPCON-ZELLE . 121 5 ZELLENTECHNOLOGIEN 124 5.1 HERSTELLUNG KRISTALLINER SILIZIUM-ZELLEN . 124 5.1.1 VOM SAND ZUM SILIZIUM . 124 5.1.1.1 HERSTELLUNG VON POLYSILIZIUM . 124 5.1.1.2 HERSTELLUNG VON MONOKRISTALLINEM SILIZIUM . 126 5.1.1.3 HERSTELLUNG VON MULTIKRISTALLINEM SILIZIUM . 127 5.1.1.4 HERSTELLUNG VON QUASIMONOKRISTALLINEM SILIZUM . 128 5.1.2 VOM SILIZIUM ZUM WAFER . 128 5.1.2.1 WAFERHERSTELLUNG . 128 5.1.2.2 WAFER AUS FOLIENSILIZIUM . 129 5.1.3 HERSTELLUNG VON STANDARD-SOLARZELLEN . 130 5.1.4 HERSTELLUNG VON SOLARMODULEN . 132 5.2 ZELLEN AUS AMORPHEM SILIZIUM . 134 5.2.1 EIGENSCHAFTEN VON AMORPHEM SILIZIUM . 134 5.2.2 HERSTELLUNGSVERFAHREN . 135 5.2.3 AUFBAU DER PIN-ZELLE . 136 5.2.4 STAEBLER-WRONSKI-EFFEKT . 137 5.2.5 STAPELZELLEN . 139 5.2.6 KOMBIZELLEN AUS MIKROMORPHEM MATERIAL . 140 5.2.7 INTEGRIERTE SERIENVERSCHALTUNG . 141 INHALT 11 5.3 WEITERE DUENNSCHICHTZELLEN . 143 5.3.1 CIS-ZELLEN . 143 5.3.2 ZELLEN AUS CADMIUM-TELLURID . 146 5.4 HYBRIDE WAFERZELLEN . 148 5.4.1 KOMBINATION VON C-SI UND A-SI (HIT-ZELLE) . 149 5.4.2 NEUE ZELL UND MODULHERSTELLER . 150 5.4.2.1 MEYER BURGER . 150 5.4.2.2 NEXWAFE . 151 5.4.2.3 HECKERT SOLAR . 151 5.4.3 STAPELZELLEN AUS III/V-HALBLEITERN . 151 5.5 SONSTIGE ZELLENKONZEPTE . 153 5.5.1 FARBSTOFFSOLARZELLE . 153 5.5.2 ORGANISCHE SOLARZELLE . 153 5.5.3 PEROWSKIT-SOLARZELLE . 153 5.6 KONZENTRATORSYSTEME . 155 5.6.1 PRINZIP DER STRAHLUNGSBUENDELUNG . 155 5.6.2 WAS BRINGT DIE KONZENTRATION? . 155 5.6.3 BEISPIELE VON KONZENTRATORSYSTEMEN . 156 5.6.4 VOR UND NACHTEILE VON KONZENTRATORSYSTEMEN . 157 5.7 OEKOLOGISCHE FRAGESTELLUNGEN ZUR ZELLEN UND MODULHERSTELLUNG . 158 5.7.1 UMWELTAUSWIRKUNGEN BEI HERSTELLUNG UND BETRIEB . 158 5.7.1.1 BEISPIEL CADMIUM-TELLURID . 158 5.7.1.2 BEISPIEL SILIZIUM . 158 5.7.2 VERFUEGBARKEIT DER MATERIALIEN . 161 5.7.2.1 SILIZIUM . 162 5.7.2.2 CADMIUM-TELLURID . 162 5.7.2.3 CIS . 162 5.7.2.4 III/V-HALBLEITER . 163 5.7.3 ENERGIERUECKLAUFZEIT UND ERNTEFAKTOR . 163 5.8 ZUSAMMENFASSUNG . 166 6 SOLARMODULE UND SOLARGENERATOREN 169 6.1 EIGENSCHAFTEN VON SOLARMODULEN . 169 6.1.1 SOLARZELLENKENNLINIE IN ALLEN VIER QUADRANTEN . 169 6.1.2 PARALLELSCHALTUNG VON ZELLEN . 170 6.1.3 REIHENSCHALTUNG VON ZELLEN . 171 12 INHALT 6.1.4 EINSATZ VON BYPASSDIODEN . 172 6.1.4.1 REDUZIERUNG VON VERSCHATTUNGSVERLUSTEN . 172 6.1.4.2 VERMEIDUNG VON HOTSPOTS . 174 6.1.5 TYPISCHE KENNLINIEN VON SOLARMODULEN . 177 6.1.5.1 VARIATION DER BESTRAHLUNGSSTAERKE . 177 6.1.5.2 TEMPERATURVERHALTEN . 178 6.1.6 HALBZELLENMODULE . 179 6.1.6.1 BETRACHTUNG DER VERLUSTLEISTUNG . 180 6.1.6.2 AUFBAU VON HALBZELLENMODULEN . 181 6.1.6.3 VERHALTEN BEI TEILVERSCHATTUNGEN . 182 6.1.7 SONDERFALL DUENNSCHICHTMODULE . 184 6.1.8 BEISPIELE VON DATENBLATTANGABEN . 186 6.2 VERSCHALTUNG VON SOLARMODULEN . 186 6.2.1 PARALLELSCHALTUNG VON STRINGS . 186 6.2.2 WAS PASSIERT BEI VERKABELUNGSFEHLERN? . 188 6.2.3 VERLUSTE DURCH MISMATCHING . 189 6.2.4 SCHLAUE VERSCHALTUNG BEI VERSCHATTUNG . 189 6.3 GLEICHSTROM-KOMPONENTEN . 192 6.3.1 PRINZIPIELLER ANLAGENAUFBAU . 192 6.3.2 GLEICHSTROMVERKABELUNG . 193 6.4 ANLAGENTYPEN . 195 6.4.1 FREILANDANLAGEN . 195 6.4.2 FLACHDACHANLAGEN . 197 6.4.3 SCHRAEGDACHANLAGEN . 199 6.4.4 FASSADENANLAGEN . 200 6.4.5 SCHWIMMENDE ANLAGEN . 202 6.4.6 AGRI-PHOTOVOLTAIK . 204 6.4.6.1 KULTURENSCHUTZSYSTEME . 204 6.4.6.2 WEITERE PROJEKTE UND TECHNOLOGIEN . 206 6.4.6.3 NUTZUNG VERTIKALER BIFACIALER AGRI-PV-SYSTEME . 207 6.4.6.4 INSTALLATION EINER GROSSANLAGE . 209 6.4.6.5 EINSATZ VON BIFACIALEN SOLARZAEUNEN . 209 6.4.7 PHOTOVOLTAIK-KRAFTWERKE AUSSERHALB DES ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZES . 210 6.4.8 VEREINBARKEIT VON OEKONOMIE UND OEKOLOGIE . 210 INHALT 13 SYSTEMTECHNIK NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 213 7.1 SOLARGENERATOR UND LAST . 213 7.1.1 WIDERSTANDSLAST . 213 7.1.2 DC/DC-WANDLER . 214 7.1.2.1 IDEE . 214 7.1.2.2 TIEFSETZSTELLER . 215 7.1.2.3 HOCHSETZSTELLER . 217 7.1.3 MPP-TRACKER . 219 7.2 AUFBAU NETZGEKOPPELTER ANLAGEN . 220 7.2.1 EINSPEISEVARIANTEN . 220 7.2.2 ANLAGENKONZEPTE . 221 7.3 AUFBAU VON WECHSELRICHTERN . 223 7.3.1 AUFGABEN DES WECHSELRICHTERS . 223 7.3.2 NETZGEFUEHRTE UND SELBSTGEFUEHRTE WECHSELRICHTER . 224 7.3.3 TRAFOLOSER WECHSELRICHTER . 224 7.3.4 WECHSELRICHTER MIT NETZTRAFO . 226 7.3.5 WECHSELRICHTER MIT HF-TRAFO . 227 7.3.6 DREIPHASIGE EINSPEISUNG . 228 7.3.7 WEITERE SCHLAUE KONZEPTE . 229 7.4 WIRKUNGSGRAD VON WECHSELRICHTERN . 230 7.4.1 UMWANDLUNGSWIRKUNGSGRAD . 231 7.4.2 EUROPAEISCHER WIRKUNGSGRAD . 232 7.4.3 GESAMTWIRKUNGSGRAD . 234 7.4.4 SCHLAUES MPP-TRACKING . 234 7.5 DIMENSIONIERUNG VON WECHSELRICHTERN . 235 7.5.1 LEISTUNGSDIMENSIONIERUNG . 235 7.5.2 SPANNUNGSDIMENSIONIERUNG . 236 7.5.3 STROMDIMENSIONIERUNG . 237 7.6 ANFORDERUNGEN DER NETZBETREIBER . 237 7.6.1 VERMEIDUNG VON INSELBETRIEB . 238 7.6.2 MAXIMALE EINSPEISELEISTUNG . 239 7.6.3 BLINDLEISTUNGSBEREITSTELLUNG . 240 7.7 SICHERHEITSASPEKTE . 243 7.7.1 ERDUNG DES GENERATORS UND BLITZSCHUTZ . 243 7.7.2 BRANDSCHUTZ . 244 14 INHALT 8 SPEICHERUNG VON SOLARSTROM 245 8.1 PRINZIP DER SOLARSTROMSPEICHERUNG . 245 8.2 AKKUMULATOREN . 246 8.2.1 BLEI-SAEURE-BATTERIE . 247 8.2.1.1 PRINZIP UND AUFBAU . 247 8.2.1.2 TYPEN VON BLEIAKKUS . 249 8.2.1.3 AKKUKAPAZITAET . 251 8.2.1.4 SPANNUNGSVERLAUF . 252 8.2.1.5 FAZIT . 252 8.2.2 LADEREGLER . 252 8.2.2.1 SERIENREGLER . 253 8.2.2.2 SHUNTREGLER . 253 8.2.2.3 MPP-LADEREGLER . 254 8.2.2.4 PRODUKTBEISPIELE . 254 8.2.3 LITHIUM-IONEN-BATTERIE . 255 8.2.3.1 PRINZIP UND AUFBAU . 256 8.2.3.2 REAKTIONEN BEIM LADE UND ENTLADEVORGANG . 257 8.2.3.3 MATERIALKOMBINATIONEN UND ZELLSPANNUNG . 258 8.2.3.4 SICHERHEITSASPEKTE . 259 8.2.3.5 LADEVERFAHREN . 259 8.2.3.6 BAUFORMEN . 260 8.2.3.7 LEBENSDAUER . 261 8.2.3.8 EINSATZBEREICHE . 262 8.2.3.9 FAZIT . 262 8.2.4 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIE . 262 8.2.4.1 PRINZIP UND AUFBAU . 262 8.2.4.2 BESONDERHEITEN DER HOCHTEMPERATUR-BATTERIE . 263 8.2.4.3 NATRIUM-SCHWEFEL-BATTERIEN IN DER PRAXIS . 264 8.2.4.4 FAZIT . 265 8.2.5 REDOX-FLOW-BATTERIE . 265 8.2.5.1 PRINZIP UND AUFBAU . 265 8.2.5.2 VERHALTEN IM PRAKTISCHEN EINSATZ . 268 8.2.5.3 FORTSCHRITTE BEI REDOX-FLOW-BATTERIEN . 269 8.2.5.4 KONKRETE ANWENDUNGEN . 269 8.2.5.5 FAZIT . 270 8.2.6 VERGLEICH DER VERSCHIEDENEN BATTERIETYPEN . 270 INHALT 15 8.3 SPEICHEREINSATZ ZUR ERHOEHUNG DES EIGENVERBRAUCHS . 270 8.3.1 EIGENVERBRAUCH IN PRIVATHAUSHALTEN . 271 8.3.1.1 LOESUNG OHNE SPEICHER . 272 8.3.1.2 LOESUNG MIT SPEICHER . 273 8.3.1.3 BEISPIELE VON SPEICHERSYSTEMEN . 274 8.3.1.4 WAS KOSTET DIE SPEICHERUNG EINER KILOWATTSTUNDE? . 274 8.3.1.5 DAS SMART HOME . 277 8.3.2 EIGENVERBRAUCH IN GEWERBEBETRIEBEN . 277 8.3.2.1 BEISPIEL PRODUKTIONSBETRIEB . 277 8.3.2.2 BEISPIEL KRANKENHAUS . 278 8.4 SPEICHEREINSATZ AUS SICHT DES NETZES . 280 8.4.1 PEAK-SHAVING DURCH SPEICHER . 280 8.4.2 MARKTANREIZPROGRAMM FUER SOLARSPEICHER . 280 8.5 DAS DREAM-TEAM PHOTOVOLTAIK UND ELEKTROAUTO . 284 8.5.1 VERGLEICH DER WIRKUNGSGRADE . 284 8.5.2 AKTUELLE SITUATION . 284 8.5.3 DIE TUECKEN DER LADETECHNIK . 285 8.5.4 VISUALISIERUNG DES LADEZUSTANDS . 286 8.5.5 ELEKTROAUTO ALS STROMSPEICHER? . 287 8.6 INSELSYSTEME . 287 8.6.1 PRINZIPIELLER AUFBAU . 287 8.6.2 BEISPIELE VON INSELSYSTEMEN . 288 8.6.2.1 SOLAR HOME SYSTEMS . 288 8.6.2.2 HYBRIDSYSTEME . 289 8.6.3 DIMENSIONIERUNG VON INSELANLAGEN . 291 8.6.3.1 ERFASSUNG DES STROMVERBRAUCHS . 291 8.6.3.2 DIMENSIONIERUNG DES PV-GENERATORS . 292 8.6.3.3 AUSWAHL DES AKKUS . 294 9 PHOTOVOLTAISCHE MESSTECHNIK 296 9.1 MESSUNG SOLARER STRAHLUNG . 296 9.1.1 GLOBALSTRAHLUNGSSENSOREN . 296 9.1.1.1 PYRANOMETER . 296 9.1.1.2 STRAHLUNGSSENSOREN AUS SOLARZELLEN . 298 9.1.2 MESSUNG VON DIREKT-UND DIFFUSSTRAHLUNG . 299 16 INHALT 9.2 LEISTUNGSMESSUNG VON SOLARMODULEN . 300 9.2.1 AUFBAU EINES SOLARMODUL-LEISTUNGSPRUEFSTANDS . 300 9.2.2 GUETEKLASSEN VON MODULFLASHERN . 301 9.2.3 BESTIMMUNG DER MODULPARAMETER . 302 9.3 PEAKLEISTUNGSMESSUNG VOR ORT . 303 9.3.1 PRINZIP DER PEAKLEISTUNGSMESSUNG . 303 9.3.2 MOEGLICHKEITEN UND GRENZEN DES MESSPRINZIPS . 304 9.4 THERMOGRAPHIE-MESSTECHNIK . 305 9.4.1 PRINZIP DER INFRAROT-TEMPERATURMESSUNG . 305 9.4.2 HELL-THERMOGRAPHIE VON SOLARMODULEN . 306 9.4.3 DUNKEL-THERMOGRAPHIE . 308 9.5 ELEKTROLUMINESZENZ-MESSTECHNIK . 309 9.5.1 MESSPRINZIP . 309 9.5.2 BEISPIELE VON AUFNAHMEN . 310 9.5.3 LOWCOST-OUTDOOR-ELEKTROLUMINESZENZ-UNTERSUCHUNGEN . 313 9.6 UNTERSUCHUNGEN ZUR SPANNUNGSINDUZIERTEN DEGRADATION (PID) . 315 9.6.1 ERKLAERUNG DES PID-EFFEKTES . 316 9.6.2 PRUEFUNG VON MODULEN AUF PID . 317 9.6.3 EL-UNTERSUCHUNGEN ZU PID . 319 9.7 STRING-DUNKELKENNLINIEN-TECHNIK . 320 9.7.1 MOTIVATION . 320 9.7.2 MESSMETHODE . 321 9.7.3 DETEKTION VON PID . 321 9.7.4 DETEKTION VON DEFEKTEN BYPASSDIODEN UND ZELLVERBINDERN . 322 9.7.5 FAZIT . 325 10 PLANUNG UND BETRIEB NETZGEKOPPELTER ANLAGEN 326 10.1 PLANUNG UND DIMENSIONIERUNG . 326 10.1.1 STANDORTWAHL . 326 10.1.2 VERSCHATTUNGEN . 327 10.1.2.1 VERSCHATTUNGSANALYSE . 327 10.1.2.2 NAHVERSCHATTUNGEN . 328 10.1.2.3 EIGENVERSCHATTUNGEN . 330 10.1.2.4 OPTIMIERTE STRINGVERSCHALTUNG . 331 10.1.3 ANLAGENDIMENSIONIERUNG MIT SIMULATIONSPROGRAMMEN . 331 10.1.3.1 WECHSELRICHTER-AUSLEGUNGSTOOLS . 331 10.1.3.2 SIMULATIONSPROGRAMME FUER PHOTOVOLTAIKANLAGEN . 331 INHALT 17 10.2 WIRTSCHAFTLICHKEIT VON PHOTOVOLTAIKANLAGEN . 334 10.2.1 DAS ERNEUERBARE-ENERGIEN-GESETZ . 334 10.2.2 RENDITEBERECHNUNG . 334 10.2.2.1 EINGANGSGROESSEN . 334 10.2.2.2 AMORTISATIONSZEIT . 335 10.2.2.3 OBJEKTRENDITE . 336 10.2.2.4 RENDITEERHOEHUNG DURCH EIGENVERBRAUCH DES SOLARSTROMS . 337 10.2.2.5 WEITERE EINFLUSSGROESSEN . 338 10.3 UEBERWACHUNG, MONITORING UND VISUALISIERUNG . 338 10.3.1 METHODEN ZUR ANLAGENUEBERWACHUNG . 339 10.3.2 MONITORING VON PV-ANLAGEN . 339 10.3.2.1 SPEZIFISCHE ERTRAEGE . 339 10.3.2.2 VERLUSTE . 340 10.3.2.3 PERFORMANCE RATIO . 341 10.3.2.4 KONKRETE MASSNAHMEN ZUM MONITORING . 341 10.3.3 VISUALISIERUNG . 342 10.4 BETRIEBSERGEBNISSE VON KONKRETEN ANLAGEN . 343 10.4.1 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 1996 . 343 10.4.2 SCHRAEGDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2002 . 345 10.4.3 FLACHDACHANLAGE AUS DEM JAHRE 2008 . 346 11 ZUKUENFTIGE ENTWICKLUNG 348 11.1 POTENTIAL DER PHOTOVOLTAIK . 348 11.1.1 THEORETISCHES POTENTIAL . 348 11.1.2 TECHNISCH NUTZBARE STRAHLUNGSENERGIE . 348 11.1.3 TECHNISCHES STROMERZEUGUNGSPOTENTIAL . 350 11.1.4 PHOTOVOLTAIK VERSUS BIOMASSE . 351 11.2 EFFIZIENTE FOERDERINSTRUMENTE . 352 11.3 PREIS-UND VERGUETUNGSENTWICKLUNG . 354 11.3.1 PREISENTWICKLUNG VON SOLARMODULEN . 354 11.3.2 ENTWICKLUNG DER EINSPEISEVERGUETUNG . 355 11.4 ERNEUERBARE ENERGIEN IM HEUTIGEN STROMVERSORGUNGSSYSTEM . 356 11.4.1 STRUKTUR DER STROMERZEUGUNG . 357 11.4.2 KRAFTWERKSARTEN UND REGELENERGIE . 358 11.4.3 ZUSAMMENSPIEL AUS SONNE UND WIND . 359 11.4.4 EXEMPLARISCHE STROMPRODUKTIONSVERLAEUFE . 361 18 INHALT 11.5 UEBERLEGUNGEN ZUR ZUKUENFTIGEN ENERGIEVERSORGUNG . 362 11.5.1 BETRACHTUNG UNTERSCHIEDLICHER ZUKUNFTSSZENARIEN . 362 11.5.2 OPTIONEN ZUR SPEICHERUNG VON ELEKTRISCHER ENERGIE . 367 11.5.2.1 PUMPSPEICHERWERKE . 367 11.5.2.2 DRUCKLUFTSPEICHER . 368 11.5.2.3 BATTERIESPEICHERUNG . 368 11.5.2.4 NUTZUNG DER ELEKTROMOBILITAET FUER DAS STROMNETZ . 369 11.5.2.5 WASSERSTOFF ALS SPEICHER . 369 11.5.2.6 POWER-TO-GAS: METHANISIERUNG . 370 11.5.3 ALTERNATIVEN ZUR SPEICHERUNG . 371 11.5.3.1 AKTIVES LASTMANAGEMENT DURCH SMART GRIDS . 371 11.5.3.2 AUSBAU DES STROMNETZES . 372 11.5.3.3 BEGRENZUNG DER EINSPEISELEISTUNG . 372 11.5.3.4 EINSATZ FLEXIBLER KRAFTWERKE . 372 11.6 FAZIT . 372 374 ANHANG . 385 13.1 EINFLUSS VON AUSRICHTUNG UND NEIGUNG AUF DIE JAHRESSTRAHLUNGSSUMME AN VERSCHIEDENEN STANDORTEN . 385 13.1.1 STANDORT HAMBURG . 386 13.1.2 STANDORT MUENCHEN . 387 13.1.3 STANDORT BERN . 388 13.1.4 STANDORT MARSEILLE . 389 13.1.5 STANDORT KAIRO . 390 13.2 CHECKLISTE ZU PLANUNG, INSTALLATION UND BETRIEB EINER PHOTOVOLTAIKANLAGE . 391 13.3 IM BUCH VERWENDETE 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