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1. Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise photovoltaischer Energieversorgungssysteme
a) Aufbau einer Solarzelle
Für die Nutzung des photovoltaischen Effekts eignen sich Halbleiter am besten. Halbleiter sind eine Mischung aus einem leitenden (Metall) und nicht leitenden (Isolatoren) Material. In der Photovoltaik wird meist Silizium als Halbleiter verwendet.
Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen (z.B. Bor oder Phosphor) in das Kristallgitter des Silizium-Kristalls, werden in der Silizium-Scheibe zwei Schichten mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften geschaffen. Die sogenannte n- (Donator) bzw. Die p- (Akzeptor) Schicht. Dieser Vorgang nennt sich Dotierung.
Die Dotierung ist notwendig da Halbleiter nur schwach leiten. Durch die Dotierung bekommen die Halbleiter ein großes Potential an freien Ladungsträgern und somit sind sie gute Leiter.
Während der Donator der Elektronenspender ist, ist der Akzeptor der Elektronenempfänger.
Die Kontaktierung der Solarzelle ist für Vorder- und Rückseite unterschiedlich. Während der metallische Kontakt auf der Rückseite flächendeckend angebracht werden kann, muß der Kontakt auf der dem Licht zugewandten Seite so gestaltet sein, daß möglichst viel Licht auf das Silizium trifft.
Monokristalline Solarzellen haben daher auf der Vorderseite zur Spannungsableitung sehr schmale Metalleiterbahnen, meist Kontaktfinger genannt.
Es gibt noch andere Solarzellentypen (z.B. polykristalline und amorphe Solarzellen), zur Vereinfachung wurde jedoch nur die monokristalline Solarzelle beschrieben. Sie wird in der Praxis am häufigsten verwendet, und ist für den Leser auf Grund der Komplexität der Halbleiterphysik am leichtesten verständlich.
b) Grundsätzliche Wirkungsweise
Durch die wie unter a) bereits genannte Dotierung, erhält man eine "p-dotierte" Schicht mit einem Überschuß an freien positiven Ladungsträgern und eine "n-dotierte" Schicht mit negativen Ladungsträgern. Im Silizium-Plättchen entsteht eine n-/p-Grenzschicht. Um die n-/p-Grenzschicht hat sich schon im dunklen Zustand auf Grund der entgegengesetzten Dotierung eine Verschiebung (Diffusion) von Elektronen in die p-Schicht bzw. von Löchern in die n-Schicht vollzogen. Diese diffundierten Elektronen und Löcher werden auf beiden Seiten der Trennschicht zum Stoppen gebracht und bilden somit ein elektrisches Feld, daß vom n- zum p-Halbleiter gerichtet ist.
In dem Kristallgitter gibt es eine Fehlstelle, ein sogenanntes Loch. Dieses hat eine positive Ladung, die der Größe nach der Ladung eines Elektrons entspricht. Damit wirkt es auf ein Elektron ein, was dazu führt, dass sich nun dieses aus seiner Bindung löst und das Loch besetzt. Aber dadurch entsteht natürlich wieder ein Loch, welches seinerseits auf ein Elektron wirkt. Es verläßt seinen alten Platz, besetzt das Loch und hinterläßt eine Fehlstelle. Im Prinzip ein Kreislauf ohne Ende. So entsteht an der Trennschicht ein elektrisches Feld.
Treffen nun Photonen (Lichtquanten -> massenlose Elementarteilchen) auf die dotierte Silizium-Schicht, werden durch die Energie der Photonen, aus dem Atomverband des Kristalls, Elektronen gelöst.
Diese werden durch das elektrische Feld sortiert. Es entsteht eine Potentialdifferenz und damit an den äußeren Anschlußkontakten auch eine Spannung, so dass bei Anschluß eines Verbrauchers ein Strom fließen kann.
c) Der Aufbau des Solarmoduls
Die derzeit üblichen kristallinen Solarzellen von 100 x 100 mm Größe geben bei voller Einstrahlung eine Leistung von ca. 1,5 Watt bei einem Strom von etwa 2,5A ab. Um unter diesen Bedingungen zu technisch nutzbaren Leistungen zu gelangen und um das hochempfindliche Silizium-Plättchen zu schützen, ist es notwendig mehrere Solarzellen zu einem Solarmodul zu verschalten.
Die Leistung einer Solarzelle reicht für kaum mehr als einen Taschenrechner. Zur Stromerzeugung werden deshalb Solarzellen in Solarmodulen miteinander verkettet und dort schützt sie eine Vorderabdeckung aus Glas, eine Rückseitenabdeckung und ein Rahmen vor extremer Witterung und Beschädigung. (Staatsministerium 26)
Durch das Verschalten von einzelnen Solarzellen zu festen Einheiten von 10....40 Zellen werden die sogenannten "Module" hergestellt. Je nach Spannungs- und Strombedarf lassen sich die Zellen des Moduls in Reihe (Spannungen addieren sich; Stromstärke = konstant) oder parallel (Stromstärken addieren sich; Spannung = konstant) schalten. So ergibt sich für ein solches Modul eine Leerlaufspannung von ca. 15 bis 24V.
Die maximale Leistung oder auch Spitzenleistung (Pmax) von Solarzellen und -modulen, wird in Wattpeak (Wp) angegeben.
Voraussetzung für die Messung der maximalen Leistung sind Normbedingungen wie Einstrahlung (1000W/m²), Zellentemperatur (25C°) und das Lichtspektrum (AM 1,5). Diese normierten Leistungsangaben erlauben vergleiche von Modulen verschiedener Hersteller. (Die Spitzenleistung ist stark abhängig von der Zelltemperatur, mit steigender Bestrahlungstärke und Temperatur nimmt diese rapide ab.)
Die Ausgangsleistung von Solarzellen ist stark abhängig von der Temperatur der Zelle: Pro Grad Temperaturerhöhung sinkt die Spannung um mehr als 0,5%, der Strom steigt um ca. 0,05%. Für die Leistung wirkt sich gerade die Spannungsabhängigkeit stark aus, die Leistung sinkt also um ca. 0,5%, wenn die Zelle um 1 Grad wärmer wird.
Technische Realisation und Problematik einer Photovoltaikanlage im Haushalt
a) System- und Anlagentechnik
Ein aus mehreren zusammengeschalteten Solarmodulen bestehender Solargenerator erzeugt aus der Sonnenenergie Gleichstrom. Dieser wird in netzkonformen Wechselstrom umgewandelt und direkt in das mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz verbundene Hausnetz eingespeist
Mündlich:
-Stromnetzwerk
-man kann sie wie Lego zusammenbauen
b) Anwendungsbereiche
Mündlich:
-man kann Photovoltaik- Anlagen in allen Bereichen anwenden, in denen man mit Strom Arbeitet!
c) Probleme aus der Praxis
Neben den "normalen" Problemen wie z.B. der Ausrichtung der Module oder den Bauordungsnormen, gibt es weitaus gravierendere Probleme mit der technischen Realisierung. Bis jetzt wurde nur von einer netzgekoppelten Anlage gesprochen, aber nicht von einer autarken (unabhängigen)
Solaranlage. Dies hat einen besonderen Grund, nämlich den der Speicherung der Energie.
Mündlich:
-für die Speicherung der Energie sind sehr teure Akkus und Anlagen notwendig, die sich für den Durchschnittsbürger in keinster Weise rentieren würden.
Autarke- oder auch Inselnetze sind daher für den normalen, häuslichen Einsatz völlig ungeeignet, und werden laut Solarfirmen- Mitarbeitern nur noch in besonderen Gebieten eingesetzt.
PV- Generatoren sind Stromquellen und keine Spannungsquellen. Ihr Nennkurzschlußstrom liegt daher nur wenig (1,2 fach) über dem Nennstrom. Ein Solargenerator ist aus diesem Grunde unbegrenzt Kurzschlußfest. Herkömmliche Überstromschutzvorrichtungen (Sicherungen mit Schmelzeinsatz oder Leitungsschutzschalter) sprechen hier nicht an, da sie zum schnellen Auslösen mindestens den dreifachen Nennstrom benötigen. Da die Anlage schon bei geringster Einstrahlung Strom produziert, also fast immer unter Spannung steht, läßt sie sich bei Fehlströmen, beispielsweise ausgelöst durch Isolationsdefekte an den Kabeln und Leitungen, nicht einfach abschalten.
Möglichkeiten und Grenzen in wirtschaftlicher Hinsicht
a) Rentabilität und Kosten einer Photovoltaikanlage im Haushalt
Mündlich:
- Solarenergie ist 10- mal so teuer wie die Normale
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Dieses Bild ist aber verzerrt, weil der Preis herkömmlicher Energien nicht alle Kosten enthält (Aufwendungen für Umweltschäden, Gesundheitsschäden, Entsorgung etc.) würden alle diese Folgeaufwendungen berücksichtigt, würde sich die Wettbewerbssituation der Photovoltaik verbessern.
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Die Solarzellen wandeln solare Strahlung (gleichgültig ob es um direkte oder diffuse Strahlung geht ) unmittelbar und ohne mechanische Verschleißteile in Elektrizität um. Der Wartungsaufwand ist entsprechend gering.
Zur Zeit bekommt man für jede Kilowattstunde, die dem Stromnetz eingespeist wird eine Vergütung von rund 0,07 Euro pro kWh
Die Investitionskosten für PV - Anlagen schwanken wegen unterschiedlicher Systemauslegung in einem weiten Bereich. In der Regel entfällt nur die Hälfte der Investitionskosten einer Anlage auf die Solarmodule.
b) Fördermaßnahmen
Momentan gibt es keine Förderprojekte in Bayern oder in Deutschland. Die letzten Projekte im Bereich Photovoltaik waren das 1.000 - Dächer - Programm und die 50.000 - Dächer - Solarinitiative.
Mit diesen Projekten erlebte die Photovoltaik einen Aufschwung und wurde in der Bevölkerung bekannt. Inzwischen sind beide Projekte jedoch schon ausgelaufen.
Investitionskosten von netzgekoppelten Anlagen mit einer Leistung zwischen 1 und 5 Kilowatt wurden mit ca. 70 % bezuschußt. Zusammen mit der fortschreitenden Wechselrichtertechnologie und die in einigen Kommunen geförderte Vergütung von Photovoltaikstrom hat das Förderprogramm in den vergangenen Jahren die Zahl an netzgekoppelten Anlagen ansteigen lassen.
Jedoch wurden weitere geplante Projekte, aufgrund unserer wirtschaftlichen Situation eingestellt. Ein weiteres Problem war, daß für jedes kW Solarmodule auf dem Dach ab 1997 statt der bisher bezuschußten 7.000 DM nur noch 6.000 DM gezahlt wurden. Glücklich können sich dagegen Nürnbergs Bürger, Firmen und Vereine schätzen, bekommen sie mit der \\\"Kostendeckenden Vergütung\\\" schließlich die momentan wohl lukrativste Förderung.
C) Resümee
Die Photovoltaik stellt wahrscheinlich den interessantesten Teil der alternativen Energien dar. Sie wird sich in den nächsten Jahren immer mehr etablieren, da die Energie unserer Sonne nahezu unerschöpflich ist.
Sie hat bereits in vielen Bereichen Einzug gehalten, z.B. die Parkscheinautomaten in der Innenstadt. Aber auch in wissenschaftlichen Bereichen ist sie nicht mehr wegzudenken. Die Weltraumforschung wäre hier zu nennen, nicht nur das die Photovoltaik maßgeblich an vielen Projekten beteiligt ist, nein sie verdankt auch größtenteils der Weltraumforschung ihr technisches Niveau. Anfang der 60er Jahre suchten amerikanische Wissenschaftler nach einer möglichen, unerschöpflichen Energiequelle für Satelliten und sie fanden sie in der Photovoltaik. Durch diese intensive Forschung wurde die Photovoltaik für den normalen Markt attraktiv.
Sie ist aber leider momentan nicht nur die unwirtschaftlichste Energiequelle, sondern auch noch die teuerste. Der Preis für PV - Anlagen muß in den nächsten Jahrzehnten drastisch zurückgehen, so daß ein Fairer Vergleich zu herkömmlichen Energiearten vorgelegt werden kann.
Des weiteren ergeben sich aus der Photovoltaik noch andere Arten der Energiegewinnung. Wie der Solar - Wasserstoff welcher keine Energiequelle sondern ein Energieträger ist. Sinn des Solar - Wasserstoffes ist es die Energie der Sonne zu speichern. Bayern ist ein Zentrum der Solar - Wasserstoff -Forschung. Aber noch ist viel Forschungsarbeit notwendig.
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