Photovoltaik / Fotovoltaik Geschichte
der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik |
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In einer Photovoltaikanlage wird die Sonnenenergie durch den photoelektrischen Effekt (Gleichstrom) in Solarzellen (Photovoltaik-Module) mit Hilfe eines Wechselrichters in nutzbaren Strom (Wechselstrom) umgewandelt. Durch die staatlich Förderung in Form einer garantierten Einspeisevergütung (Einspeisung ins Stromnetz) und der Möglichkeit zum Eigenverbrauch des erzeugten Solarstroms (z. B. mit einer Wärmepumpe) hat die Investition in Photovoltaikanlagen einen Hype ausgelöst. Diese Anlagen sind nicht nur nachhaltig, sondern in den meisten Fällen auch wirtschaftlich. Auf welchem Niveau sich diese Anlagen im Markt einpegeln, muss abgewartet werden.
Erstes Solarkraftwerk in Deutschland (1983) auf Pellworm
Funktionsweise einer Photovoltaikanlage
(Bild
durch Anklicken vergrößer)
Quelle: Agentur für Erneuerbare
Energien - DAA Deutsche Auftragsagentur GmbH
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Bauteile
einer PV-Anlage
Eine Photovoltaik-Anlage
besteht aus mehreren Solarmodulen, einer Gleichstrom-Hauptschaltung,
einem Wechselrichter (Netzeinspeisegerät
[NEG]) und Einspeisezähler. Der Stromerzeugungsprozess
wird durch das Einfallen des Sonnenlichts in Gang gesetzt.
Bei diesem Strom, der aus mehreren in Reihe geschalteteten Solarzellen
kommt, handelt es sich um Gleichstrom, der in der Hauptschaltung
zusammengefasst bzw. aufsummiert wird. Danach wird aus
dem hochspannigen Gleichstrom in einem Wechselrichter
gebrauchsfähiger Wechselstrom (230 V 50 Hz) hergestellt.
Dieses Gerät regelt den Strom und die Spannung so, dass die PV-Anlage
besonders leistungsfähig arbeitet. Der erzeugte bzw. in das öffentliche
Stromnetz einspeiste Strom wird im Einspeisezähler
angezeigt.
- Solarmodule / Solarzelle
- Solargenerator (Gleichstrom-Hauptschaltung)
- Wechselrichter
- Stromspeicher - Sonnenbatterie
- Einspeisezähler
- Bezugszähler
- Zweirichtungszähler
- Ertragszähler
- Nachführung - Solar Tracking System
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Ein Solarmodul (Photovoltaikmodul [PV-Modul]) bzw. eine Solarzelle wandelt das Licht der Sonne in elektrische Energie um. Die Module können in Serie (Reihe) oder parallel geschaltet werden. Die Solarmodule werden in starrer und inzwischen auch flexibler Ausführung angeboten. Solarmodularten
mit
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Die Anzahl
der Solarmodule wird durch den gewählte Typ
und wieviel Leistung die Anlage haben
soll. Die Größe der Fläche kann vorab
nach einer Faustformel berechnet werden. Dabei
ergeben ca. 10 m2 Fläche auf einem Schrägdach eine
Leistung von 1 Kilowatt Peak (6 - 9 m2 bei
monokristallinen Modulen; 7 - 10 m2 bei polykristallinen Modulen;
15 - 20 m2 bei Dünnschichtmodulen). Je nach Region
in Deutschland erzeugt 1 Kilowatt
Peak (kWp)*
Leistung zwischen 900 und 1.200 Kilowattstunden
(kWh) Strom.
Die Solarzellen bestehen immer aus mehreren
Schichten. Neben der stromproduzierenden Schicht
durch zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten
müssen die Solarmodule stabil und korrosionsbeständig
sein.
Die Halbleitermaterialien
sind
- monokristallines Silizium
- polykristallines Silizium (Si)
- amorphes Silizium (a-Si)
- Kadmium-Tellurid (CdTe)
- Kupfer-Indium-(Gallium-)Diselenid (CIS/CIGS)
Am häufigsten wird Silizium
eingesetzt. Die Silizium-Solarzellen bestehen aus (n- und p-dotiertem)
Silizium und bei CdTe- oder CIS/CIGS-Solarzellen
werden verschiedene Halbleiter in einer Zelle eingesetzt.
Die verschiedenen Schichten
eines Photovoltaik-Solarmoduls
Aufbau Solarmodul
Quelle: RENEWABLE ENERGY CONCEPTS
Frontglas (ESG)
Die erste Schicht bildet eine in der Regel 4mm starke ESG Glasscheibe
(Einscheiben Sicherheitsglas), die Beständig gegen Temperaturwechsel
sowie schlag-, stoß- und druckfest ist. Für Flächenlasten
in Schnee- und Windlastzone 3 sollten hier Werte von 5400 N/m2 eingehalten
werden.
Obere Einbettfolie (EVA)
Eine Kunststoffschicht aus EVA (Ethylenvinylacetat) bzw. eine Gießharzschicht
wird als obere Feuchtigkeitssperre eingezogen. Die Kunststofffolien
werden bei Temperaturen um 150°C mit den Solarzellen verschweißt
(laminiert) und bilden so einen wasserdichten Korrosionsschutz.
Solarzellen
Einzelne Solarzellen, über Lötbänder miteinander verschaltet,
wandeln Sonnenlicht in Strom um.
Untere Einbettfolie (EVA)
Eine Kunststoffschicht aus EVA (Ethylenvinylacetat) bzw. eine Gießharzschicht
wird als untere Feuchtigkeitssperre eingezogen. Die Kunststofffolien
werden bei Temperaturen um 150°C mit den Solarzellen verschweißt
(laminiert) und bilden so einen wasserdichten Korrosionsschutz.
Tedlar Verbundfolie
Den rückseitigen Abschluss bildet eine Kunststofffolie aus Polyvinylfluorid,
besser bekannt unter den Handelsnamen Tedlar und ICOSOLAR bekannt, oder
aber eine Glasplatte.
Rahmen
Um den verschiedenen Schichten weiteren Halt zu geben und die Einbausituation
zu erleichtern, wird das Modul in einem Aluminiumrahmen gefasst. Quelle:
RENEWABLE ENERGY CONCEPTS
Die typischen Nennleistungen solcher Solarmodule liegen zwischen 10 Watt Peak* (Wp) und 100 Watt Peak* (Wp).
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Solarzelle
Die Solarzellen bestehen immer aus mehreren
Schichten. Die stromproduzierenden Schichten
haben zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten.
Die Halbleitermaterialien
sind
- monokristallines Silizium
- polykristallines Silizium (Si)
- amorphes Silizium (a-Si)
- Kadmium-Tellurid (CdTe)
- Kupfer-Indium-(Gallium-)Diselenid (CIS/CIGS)
Am häufigsten wird Silizium
eingesetzt. Die Silizium-Solarzellen bestehen aus (n- und p-dotiertem)
Silizium und bei CdTe- oder CIS/CIGS-Solarzellen
werden verschiedene Halbleiter in einer Zelle eingesetzt.
| Ein
Solarmodul besteht aus mehreren einzelnen
verschalteten Solarzellen, um für die unterschiedlichen
Anwendungsbereiche geeignete Spannungen
bzw. Leistungen bereitzustellen. Dabei ergibt eine
Reihenschaltung (Serienschaltung)
der Zellen eine höhere Spannung
(Volt) und eine Parallelschaltung einen höheren
Strom (Ampere). |
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Es ist also egal, ob es eine Reihenschaltung oder Parallelschaltung ist, beide Schaltmöglichkeiten führen bei gleichartigen Solarzellen zu der gleichen elektrischen Leistung. Bei der Herstellung von Solarmodulen ist es üblich zwischen 36 und 144 Solarzellen in Reihe zu schalten, um die Gesamtspannung des Solarmoduls zu erhöhen. Ein solches Solarmodul erzeugt eine Gesamtspannung von 20 bis 80 V. Die Leistung eines solchen Solarmoduls beträgt zwischen 100 W und 300 W.
Verschiedene
Solarzellenarten - Achmed A. W. Khammas
Solarzellen
Aufbau und Herstellung - Michael Römer technische-
und Sachillustration
Monokristalline
Zelle
Monokristalline Solarzellen
werden aus geschmolzenem Silicium hergestellt. Das geschmolzene
Silicium wird gereinigt und zu einem Stab gezogen, der
ein einheitliches Kristallgitter (Einkristall, Monokristall)
bildet. Diese Ingots werden anschließend in nur
wenige Mikrometer dicke Scheiben (Wafer)
gesägt und mit Bor dotiert. Danach wird die Waferoberfläche
durch eine chemische Behandlung gereinigt und die andere
Hälfte der Wafer mit Phosphor dotiert.
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Mit
den p- und n-dotierten Wafern
wird eine Solarzelle
aufgebaut, die wegen der geringen Verunreinigungen einen hohen
Wirkungsgrad aufweist. Die Ingots werden in Durchmessern
von 150, 200 und 300 mm hergestellt. Ein Erkennungsmerkmal
ist die gleichmäßige einheitlich dunkel Kristallstruktur
(dunkelblaue bis schwärzliche Färbung). Außerdem
sind sie nicht ganz quadratisch, weil sie aus runden Ingots gesägt
werden und dadurch abgerundete Ecken haben. |
Polykristalline
Zelle
Polykristalline Solarzellen bestehen aus gereinigtem
mit Bor dotierten Silizium,
das mit einer Induktionsheizung geschmolzen
und weiterverarbeitet wird. Hierbei unterscheidet man
zwischen dem Blockguss-Verfahren und Bridgeman-Verfahren.
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Bei dem Gießverfahren
wird das geschmolzene Silizium in Tiegel
gegossen. Danach muss das Silizium von unten nach oben abkühlen
und erstarren, um dann die Ingots zu erzeugen.
Dabei wachsen die Siliziumkristalle nach oben. Bei dem Bridgeman-Verfahren findet die gezielte Abkühlung in dem gleichen Tiegel statt, um größere Kantenlängen der Blöcke für polykristallinen Solarmodule zu ermöglichen. Die Siliziumblöcke werden erst in Ingots gesägt und dann in waagerechte Scheiben (Wafer) gesägt. Die Wafer werden gereinigt und anschließend zu polykristallinen Modulen weiterverarbeitet. Die Solarmodule sind polykristallin, weil während des Gieß- oder Bridgeman-Verfahrens mehrere Kristalle (hellen, bläulich glitzernden Oberfläche) entstehen. Die Fertigungsverfahren ergeben deutlich preisgünstigere Zellen gegenüber den monokristallinen Zellen. Hier liegt wohl auch der Grund, dass der Marktanteil von polykristallinen Solarmodulen bei weit über 80 % der in Deutschland ist. Polykristalline Module haben einen geringeren Wirkungsgrad gegenüber monokristalline Module und sind schwerer gegenüber Dünnschichtmodule. |
Dünnschichtzelle
Dünnschichtmodule bestehen
aus einem Trägermaterial (z. B. Metall, Glas flexible
Werkstoffe [Kunststoff]), das mit einem photoaktiven Halbleiterwerkstoff
(amorphes Silizium, Cadmiumtellurid, CdTe, Galliumarsenid, GaAs, Kupfer-Indium-Selenid,
CuInSe2) beschichtet (bedampft) wird.
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Die
Schichtdicken betragen weniger als 1 µm,
wodurch die Materialkosten verringert werden. Es gibt auch Dünnschichtmodule
mit mikrokristallinem Silizium oder organische
Solarzellen, bei denen die Absorberschicht
aus einem Polymer besteht. |
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Watt Peak (Kilowatt Peak - kWp)
Die Maßeinheit "Watt Peak" (Wp)
bzw. ("Kilowatt Peak" - kWp) wird speziell in der Photovoltaik zur Kennzeichnung
der genormten elektrischen Leistung (Nennleistung)
einer Solarzelle oder eines Solarmoduls
eingesetzt. Sie gibt maximal mögliche Leistung
bei Standardbedingungen an und wird deshalb als Peak-Leistung
(Spitzen-Leistung) benannt. Diese wird in
Watt bzw. Kilowatt gemessen und als Wp (Watt, Peak)
bzw. kWp (Kilowatt, Peak) angegeben. Zum Vergleich verschiedener Solarzellen
oder Solarmodule ist eine Normierung notwendig.
Die Standardbedingungen (Test- bzw. Laborbedingungen)
für die Normierung sind eine optimale
Sonneneinstrahlung von 1.000 W/m2
bei einer Modultemperatur von 25 °C
und einem Air Mass
(AM)* 1,5
(Luftmasse bzw. Sonnenlichtspektrum). Die tatsächliche
abgegebene Leistung ist aber ca. 15 bis 20
% niedriger, weil sie in der Praxis eine wesentlich
höhere Betriebstemperatur haben und der Einfallswinkel
der Zellen meistens nicht genau senkrecht
zum einfallenden Licht ausgerichtet ist.
kWp - Kilowatt Peak
*
Air Mass (Luftmasse
bzw. Sonnenlichtspektrum)
Die Länge des Weges, den das Sonnenlicht
durch die Erdatmosphäre bis zum Erdboden zurücklegt wird mit
dem relativen Maß Luftmasse (Air Mass
[AM]) bezeichnet. Der Einfallswinkel des Sonnenlichts
ändert sich durch die Drehung der Erde um die Sonne und damit ändert
sich auch die Länge des Weges durch die Atmosphäre. Dadurch
ergibt sich die Minderung der Sonnenstrahlung durch Streuung, Reflexion,
Absorption und die Veränderung seiner spektralen Zusammensetzung.
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Die verschiedenen Spektren sind
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Das
Referenzspektrum für die Vermessung
von Solarmodulen in Photovoltaikanlagen
in Mitteleuropa ist AM 1.5. Air Mass |
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Solargenerator
Ein Solargenerator (Gleichstrom-Hauptschaltung)
bei Photovoltaikanlagen besteht aus vielen Solarmodulen,
die im Verbund parallel oder in Reihe
miteinander verschaltet sind. Der Solargenerator ist mit dem Netzeinspeisegerät
im Keller verbunden. Der sogenannte Strang eines Solargenerators
wird aus einem Verbund von reihengeschalteten Solarmodulen gebildet. Die
Summe der Spannung von Einzelmodulen ergibt die Gesamtspannung,
die Gesamtstromstärke eines Moduls ist von dem Modul
abhängig, welches die geringste Strommenge erzeugt.
Die Stromstärken bei den Solarmodulen
sollten identisch sein. Bei der Parallelschaltung von
mehreren Modulsträngen ergibt sich die Gesamtstromstärke eines
Solargenerators aus der Summe der ursprünglichen Stromstärken
eines jeden Stranges.
Solarmodule bestehend aus
36 Solarzellen (Betriebsspannung: ca. 15 V - 20 V, Leistung:
50 Watt Peak [Wp] bis 225 Watt
Peak [Wp]), die zu einem Solargenerator zusammengefasst
werden, ist die Regel.
Werden höhere Ströme
benötigt oder um auch (teil)verschattete Bereiche
zu nutzen, aber ihren Einfluss auf die Gesamtanlage zu minimieren, werden
Solarmodule als eigenständiger parallel geschalteter Modulstrang
(String) mit einem eigenen Wechselrichter ausgeführt.
Wichtig ist, dass nur Solarzellen gleicher
Technologie, des gleichen Herstellers und des
gleichen Typs parallel geschaltet werden,
da z. B. die Verdrahtung unterschiedlich
ist.
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| Ein Wechselrichter
(Inverter) ist notwendig, um den von den in den Photovoltaikmodulen
erzeugten Gleichstrom in den für das öffentliche
Stromnetz notwendigen Wechselstrom umzuwandelt.
Dabei wird die Spannung und Frequenz
(230 V - 50 Hz) des eingesepeisten Stroms an das jeweilige Netz
angepasst. |
 Einbindung eines Wechselrichters Quelle: SMA Solar Technology AG |
Die Leistungsstärke
des Wechselrichter (Inverter) hängt von der Anzahl
der Photovoltaikmodule und der Leistung
der Photovoltaikanlage ab. Bei einer optimalen Auslastung
des Wechselrichters reduziert sich der Kostenanteil vom Wechselrichter
an den Kosten für Photovoltaik.
Je nach Leistungsbereich stehen Modulwechselrichter
(Micro-Inverter), Strangwechselrichter (String
Inverter) und Zentralwechselrichter zur Verfügung.
Die Wechselrichter sollten nach der IEC 77
genormt sein und einen Spannungsrückgangsschutz
haben, um zu verhindern, dass die Photovoltaikanlage ausfällt.
Positioniert man den Wechselrichter möglichst
nah an den Photovoltaik-Modulen vermindert man Leistungsverluste
durch lange Kabelstrecken. In den meisten Fällen
wird der Inverter an einer Kellerwand installiert; bei einer Photovoltaikanlage
auf einem Flachdach wird dieser manchmal sogar auf dem Boden aufgestellt.
In jedem Fall sollte der Wechselrichter leicht erreichbar
sein und nicht in einem Wohnraum montiert
werden, da der Inverter beim Betrieb relativ laut sein
kann.
Ein kühler und trockener
Standort mit guter Lüftung und wenig
Staub schützt den Wechselrichter vor Leistungsabfall und
sichert den effizienten Betrieb der Photovoltaikanlage.
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PV-Wechselrichter
unterscheiden sich hauptsächliche in der Menge an zugeordneten
PV-Modulen. Modul- und Strangwechselrichter
findet man in klassischen Hausdachanlagen sowie
kleinen und mittelgroßen gewerblichen Anwendungen. Dagegen
werden Zentral-Wechselrichter in großen
gewerblichen Anlagen und Solarkraftwerken
eingesetzt. Modul-Wechselrichter sind die kleinste
Wechselrichter-Einheit. Sie wandeln den Gleichstrom aus
jedem einzelnen Modul in Wechselstrom um. Sie können durch
ihre Modularität also optimal an spezielle lokale Bedingungen
angepasst werden.
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MPPT-Funktion
Die MPPT-Funktion (Maximum Power Point Tracking >
Maximal-Leistungspunkt-Suche) eines Reglers ermöglicht
einen maximalen Ertrag einer Photovoltaikanlage.
Das System wird für alle Systeme eingesetzt, deren Leistungs-Ausgang
nicht konstant bleibt. Ein MPPT-System funktioniert folgendermaßen:
1. Speichern der aktuellen Leistung.
2. Ändern der Steuergröße.
3. Einen Moment warten.
4. Vergleich der aktuellen Leistung mit der vorhergehenden Leistung. Wenn
sie größer ist, Speicherung der Leistung.
5. Korrektur oder Änderung der Steuergröße.
6. Wiederholung von Punkt 3 an.
Das MPPT-Verfahren erlaubt Energie zu sparen
und Zeit zu gewinnen. Energie zu sparen,
weil die Verluste verringert werden. Und Zeit, weil die Aufladung schneller
abläuft. Quelle: Diplomarbeit
2010 - Lucien Roten - Stromversorgung für einen drathlosen Sensor
Der Maximal-Leistungspunkt (Maximum Power Point) ändert
sich somit ständig, da er von der Sonneneinstrahlung
(und Beschattung), der Temperatur und den Moduleigenschaften
abhängig ist. Ein MPP-Tracker im Wechselrichter
sorgt ständig dafür, dass die Leistung der zu Strings zusammengefassten
Module, immer optimal auf den jeweiligen Strahlungs- und Temperaturzustand
abgestimmt ist. Es gibt auch Wechselrichter für
Photovoltaikanlagen, die teilweise verschattet sind,
bei denen die MPP-Tracker auf Verschattungssituationen
hin optimiert sind.
Funktion der MPP Regelung eines Photovoltaikwechselrichters - Matthias Diehl
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Zunehmend werden Stromspeicher in eine Photovoltaikanlage integriert. Dadurch kann der erzeugten Solarstrom in größeren Mengen selbst verbraucht werden. Die eingesetzte Speichertechnologie kann durch die Materialien Blei oder Lithium erfolgen. Die Stromspeicher laden grundsätzlich nur Gleichstrom und kann zwischen den Modulen und Wechselrichter im Gleichstromkreis angeschlossen werden. Bei einer Nachrüstung wird der Speicher auch hinter dem Wechselrichter im Wechselstromkreis eingesetzt. Dann hat der Speicher einen eigenen Batteriewechselrichter, der den Strom zum Laden noch einmal umwandelt.
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Wenn die Energiewende gelingen soll, dann werden kostengünstige, leistungsfähige Stromspeicher benötigt, die den aus erneuerbaren Energiequellen gewonnenen Strom dezentral speichern können und bei Bedarf wieder abgeben. Eine Möglichkeit, neben den zentralen Speichern (z. B. Pumpspeicherwerk), sind neuentwickelte Sonnenbatterien (Akkus). Mit diesen können der selbst erzeugte Strom aus Photovoltaik- oder Kleinwindkraftanlagen, BHKW's, Mini-Wasserkraft- oder Biogasanlagen gespeichert werden.
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Die Anlage kann
in jedes Hausnetz mit 3-Phasen
und 230 V Wechselspannung integrieren werden. Die
Sonnenbatterie - Sonnenbatterie GmbH |
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Die vom Netzbetreiber
abgekaufte elektrische Energie (kWh) wird vom
Bezugszähler gemessen.
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Die durch den Netzbetreiber
eingekaufte bzw. die in das öffentliche Stromnetz eingespeiste
Energie (kWh) wird durch einen Einspeisezähler
gemessen. |
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Ein Zweirichtungszähler
erfasst die aus dem Netz bezogene und in
das Netz eingespeiste Energiemengen getrennt
und ersetzt den Bezugszähler und den Einspeisezähler.
Dies ist z. B. nötig, wenn von einer eigenen Photovoltaikanlage
des Betreibers Einspeisungen erfolgen und die
Einspeisevergütung anders ist (für
neue Anlagen in der Regel geringer) als der Preis für bezogenen
Strom.
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Die von einer Photovoltaikanlage
erzeugte Energie wird mit einem Ertragszähler
(Produktionszähler, Solarzähler)
gemessen und ist bei der Eigenverbrauchsvergütung
notwendig. Im Gegensatz zum Einspeisezähler misst der Ertragszähler
den gesamten von der Photovoltaikanlage produzierten Strom und
nicht nur den Anteil misst, der in das öffentliche Netz gespeist
wird. Dadurch kann der Anteil an selbst verbrauchtem Solarstrom
nachwiesen werden. Er hat normalerweise eine Rücklaufsperre,
um den (geringen) Eigenverbrauch des
Wechselrichters in Zeiten ohne Produktion nicht zu berücksichtigen.
Der Ertragszähler verbleibt immer im Eigentum
des Anlagenbetreibers. |
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Die elektrische
Energie kann in das öffentliche
oder/und häusliche Netz eingespeist werden.
Die Wärme aus der Solarflüssigkeit
kann direkt in die Trinkwassererwärmung
oder über einen Pufferspeicher für die jeweilige Verwendung
(Trinkwassererwärmung, Heizung ) zwischengespeichert werden. |
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Photovoltaikmodule (PV) oder thermische Solarkollektoren erzielen den besten Ertrag, wenn sie die optimale Stellung zur Sonne haben. Ein Tracking System (Nachführsystem) richtet die Solaranlage automatisch zur Sonne aus, damit die Sonneneinstrahlung optimal aufgefangen und die Effektivität der Anlage steigt. Die Ertragssteigerung kann bis zu 40 % gegenüber der starren Anordnung betragen. Bisher werden diese Systeme bei einer thermischen Solaranlage nicht bzw. selten eingesetzt, da sich eine Nachführung nicht "lohnt".
Vergleich starre Anordnung vs. Nachführsystem
Quelle: DEGERenergie GmbH& Co.
KG
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Ein überschüssiger Ertrag einer thermischen Solaranlage kann nicht über lange Zeit gespeichert werden, weil der Speicher meistens nicht groß genug ist bzw. die Wärme nicht verbraucht werden kann. Im Gegensatz dazu kann der überschüssige Ertrag einer Photovoltaikanlage direkt ins Stromnetz eingespeist werden und mit der Einspeisevergütung kann ein Gewinn erzielt werden. Ein Nachführsystem
ist ein Metallgestell, welches mithilfe eines
Elektromotors und einer Steuerung
über ein oder zwei Achsen
schwenkbar ist. Solar
Tracking - DEGERenergie
GmbH& Co. KG
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Komponenten im Ecochamp-Tracker-System
Quelle: TSS Solar GmbH
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Die von den Solarmodulen gewonnene Energie
wird bis zu 99 % über eine Regelung direkt mit dem Heizstab
in nutzbare Wärme umgewandelt. Die MPPT-Funktion
des Reglers (Maximum Power Point Tracking > Maximal-Leistungspunkt-Suche)
sorgt dabei für einen maximalen Solarertrag. Die Energieübertragung
von den Photovoltaikmodulen erfolgt über zwei normale 4 mm²
Solarkabel mit wenigen Millimetern Durchmesser. Photovoltaik Trinkwasser Regelung PVH C-1.05 - Nectar Sun |
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Die Stromerzeugung durch die Sonne unterscheidet zwischen der direkten (Photovoltaik-Technologie) und der indirekten (thermische bzw. solarthermisches Kraftwerk) Nutzung der Sonnenenergie. Bei der Photovoltaik-Technologie wird das Sonnenlicht direkt in den Solarzellen in Strom umgesetzt. In den solarthermischen Kraftwerken wird die Wärme der Sonne über Absorber als primäre Energiequelle verwendet.
Photovoltaik-Technologie
Eine Photovoltaikanlage
besteht aus vielen miteinander verkoppelten Solarzellen.
Über Halbleiterschichten wird in den Solarzellen
Sonnenlicht in elektrischen Strom umgewandelt. Eine Neuheit
ist die CPV-Technologie
(Concentrated Photovoltaics).
Ein Bürgersolarpark (Solarkraftwerk) fördert die Akzeptanz für Photovoltaikanlagen. Warum muss man auf jedes Haus eine eigene Anlage packen? Sinnvoller ist es, in einer Gemeinde bzw. Stadt eine große Solaranlage (Solarkraftwerk) zu bauen. Hier kann sich jeder Bürger beteiligen, vor allen Dingen dann, wenn er kein geeignetes Dach zur Verfügung hat oder sich das Dach nicht verschandeln oder den Anblick den Nachbarn die spiegelnden Flächen nicht zumuten will. Die Nachteile einer PV-Anlage bezüglich des Brandschutzes (Blitzschutzanlage) oder bei einem Feuer (Brandlöschung) sind zunehmend in der Diskussion.
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Bei der CPV-Technologie (konzentrierte Photovoltaik) wird das Sonnenlicht mittels optischer Linsen oder gebogenen Spiegeln konzentriert bzw. gebündelt, ehe es auf den Halbleiter in der Solarzelle trifft. So kann der Wirkungsgrad eines Photovoltaikmoduls auf ca. 44 % gesteigert werden.
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Ein Sonnenkollektor
fängt Sonnenlicht auf einer relativ großen
Fläche ein und konzentriert es auf
eine deutlich kleinere Fläche. Die Heizleistung
auf der kleinen Fläche wächst proportional zum Größenverhältnis
dieser beiden Flächen. Bei der konzentrierten Photovoltaik
wächst die erzeugte Strommenge hingegen überproportional
zur Intensität des eingestrahlten Sonnenlichts. Wird also beispielsweise
das auf einen Quadratmeter einfallende Licht auf eine Solarzelle
mit deutlich kleinerer Fläche konzentriert, wird mehr Strom
erzeugt als durch eine herkömmliche Solarzelle von einem Quadratmeter
Größe. |
Nachteile
sind die hohe Abhängigkeit von der Lichtbündelung,
dass eine direkte Sonneneinstrahlung erforderlich macht,
mit diffusem Streulicht bei bewölktem Himmel
arbeitet die konzentrierte Photovoltaik sehr schlecht.
Hier schneiden die Hochleistungsmodule schlechter ab als herkömmliche
Solarzellen. Außerdem müssen CPV-Module permanent
und exakt der Sonne
nachgeführt werden.
Durch die starke Aufheizung der Module
ist diese Technologie für kleine Photovoltaikanlagen auf dem Dach
ist diese Technologie zur Zeit nicht geeignet, da ein ständiges
Abführen der Wärme, oft mit einer
aktive Kühlung, notwendig ist. Deswegen ist die
konzentrierte Photovoltaik nur für großflächige
Freilandanlagen in Regionen ("Sonnengürtel"
der Erde; z. B. Südspanien, Südfrankreich,
Griechenland, Süditalien, MENA-Region [Middle East & North Africa])
mit vielen Sonnenstunden umzusetzen.
Die Turbozelle - Heise Medien
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Solarthermische
Kraftwerke - Thermische Solarkraftwerke
Alle Kraftwerkstypen werden auf Freiflächen
installiert und benötigen einen sehr großen Platzbedarf
(Ausnahme; Parabolspiegel-Kraftwerke). Ein solarthermisches Kraftwerk
(thermisches Solarkraftwerk) erzeugt mit Sonnenenergie
zunächst Wärme, dann mit einer Dampfturbinenanlage
mechanische Energie und schließlich in einem Generator
elektrische Energie.
Daneben gibt es eine Krafwerksart (Aufwindkraftwerk),
das mit Hilfe eines Luftstroms eine Turbine
mit Generator antreibt.
Viele Organisationen bzw.
Institute (FVEE
- ForschungsVerbund Erneuerbare Energien) befassen sich mit der Förderung
und Erstellung von solarthermischen Kraftwerken. So hat
sich z. B. die Initiative
Desertec bislang auf Europa und der
MENA-Region (Middle East & North
Africa) konzentriert und plant eine globale Kampagne zum Bau von solarthermischen
Anlagen. Aufgrund der politisch unsicheren Situation
in der MENA-Region bestehen hier nur Planungen und die
Ausführungen sind auch Eis gelegt. Ein Fünftel
des weltweit benötigten Stroms könnte bis 2050
aus großen Sonnenkraftwerken stammen.
Die solarthermischen
Kraftwerke werden in 2 Gruppen untergliedert.
• CSP-Technologie
(Concentrated Solar Power)
- Parabolrinnen-Kraftwerk
- Parabolspiegel-Kraftwerk (Dish-Stirling-Kraftwerk)
- Solarturm-Kraftwerk
- Sonnenöfen
• Aufwindkraftwerk
In
der CSP-Technologie (Concentrated
Solar Power) wird über
Parabolrinnen, Parabolspiegel oder Heliostate
die Lichteinstrahlung auf einen Absorber gebündelt,
in dem extrem hohe Temperaturen entstehen. Die Wärme
wird in einem nachgeschalteten Wärmekraftwerk in
elektrischen Strom umgewandelt. Hier ist die Stromerzeugung
von der Intensität des eingestrahlten Sonnenlichts
bzw. der direkten Sonnenstrahlung abhängig. Im Gegensatz
zur "normalen" Photovoltaik, die auch an Wolken
gestreute Sonnenlicht direkt in Strom umgewandeln kann,
benötigt die CSP-Technologie einen Himmel,
der die meiste Zeit wolkenlos ist. Deswegen sollte der
Standort eine hohe direkte Sonneneinstrahlung von über
2.000 kWh/m²a anbieten, was durch eine äquatornahe
Lage und einen ständig geringen Bewölkungsgrad
erreicht wird. Dies ist in Europa nur in Südspanien,
Süditalien und Griechenland ökonomisch möglich.
Ideale Standorte wären
die Wüstenregionen z. B. in der MENA-Region
(Middle East & North Africa). Der erzeugte Strom müsste über
mehrere tausende Kilometer mit Hochspannungs-Gleichstromleitungen
(HVDC) transportiert werden, was technisch möglich
wäre, aber aufgrund der politisch unsicheren Situation
bestehen hier nur Planungen und die Ausführungen sind auch Eis gelegt.
Konzentrierte
Solarthermie (CSP) - Christoph Schünemann / regenerative-zukunft.de
Konzentrierte
solarthermische Energie: enorme Potenziale in der MENA-Region
- Heindl Server GmbH
Konzentriertes
Sonnenlicht zur Energieerzeugung nutzen
- BINE Informationsdiens
CSP-Anlagen:
Hoffnungsträger mit Schattenseiten - VDI Verlag
GmbH
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Prototyp
für ein Aufwindkraftwerk in |
Das Aufwindkraftwerk ist ein solarthermisches Kraftwerk, das für einen Standort mit hoher direkter Sonneneinstrahlung geeignet ist. Ideal sind eine äquatornahe Lagen (Wüstenregionen z. B. in der MENA-Region (Middle East & North Africa) und/oder Gegenden mit einem ständig geringen Bewölkungsgrad. Diese sind in Europa in Südspanien, Süditalien und Griechenland vorhanden. Aufwindkraftwerke - Jörg Schlaich - SBP Sonne GmbH
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Die Luft
unter einem großen transluzenten Kollektordach
durch die Sonne erwärmt. Durch den Dichteunterschied
zwischen der warmen Luft im Kollektor
und der kälteren Luft im Außenbereich
strömt die Luft radial einer in der Mitte des Kollektors angeordneten,
vertikalen, unten offenen Röhre zu und steigt in
dieser auf. Eine am Fuß der Röhre eingebaute Turbine
mit Generator wird durch die Luftströmung
angetrieben und dadurch Strom erzeugt.
Ein kontinuierlicher 24-Stunden-Betrieb
wird durch im Kollektor ausgelegte geschlossene Wasserschläuche
garantiert. Sie geben ihre tagsüber gespeicherte Wärme
in der Nacht wieder ab. Hier gibt es außer der
einmaligen Befüllung der Schläuche keinen Wasserbedarf.
Prinzip eines Aufwindkraftwerkes
Quelle: Schlaich Bergermann und Partner, SBP Sonne GmbH
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