04_Solar

ein gigantischer Fusionsreaktor, dessen inneres je vier Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern verschmeltzt. Bei der Kernfusion entsteht Temperaturen von rund 15 Mio. °C. Frei werdene Energie in Form von Strahlung in Weltraum abgegeben

aufgrund der Beschaffenheit/ Zusammensetzung Atmosphäre kann die auftreffende Sonnenstrahlung auf äußeren Rand der Erdatmosphäre nur zum teil durchdrungen werden und aus Erde treffen.

Atmosphäre besitzt zwei atmosphärische Fenster bei der sie für extraterrestische Strahlung teildurchlässig ist. Für Solarstrahlung wird Licht des Fensters 1 genutzt

innerhalb Atmosphäre kommt es zur Extinktion, die Strahlung erfährt Schwächungen:

1. Streuung

2. Absorbtion

Durch die Schwächung verändert sich das Energieverteilungssprektrum des Sonnenlichts

Ablenkung der Strahlen aus Einfallsrichtung durch Luftmolekühle, Wassertropfen, Eiskristalle oder Aerosole.

Unterscheidung:

1. Rayleigh-Streuung = Streuung Teilchen mit radien kleiner als Wellenlänge Licht

2. Mie-Streuung = Streuung Radien größer oder gleich groß

Aufnahme von Elektromagnetischen Wellen durhc einen absorbierenden Stoff: Dieser Stoff behält Solarstrahlung nur teilweise, der rest wird in andere Energieformen (Wärme) umgewandelt, durch Aerosole, Wolken, Niederschlagspartikeln.

Zusätzlich selektive Gasabsorbtion möglich bei der bestimmte Spektral-/Wellenbereiche der Solarstrahlung durch Gase absorbiert werden.

Durch die Streuung kommt es zu diffuse und direkte Strahlung

beide zusammen nennt man Globalstrahlung

Direkt: direkt vond der Sonne kommende, an einem bestimmten Punkt auftreffende Strahlung

Diffuse: durch die Streuung entstandene Strahlung, schwächer aufgrund reflektionswinkel/Auftrittswinkel

Globalstrahlung ist tages-/monats- und Jahresabhängig -> unterschiede durch unterschiedliche Wolkenbedekung

im winter kommt es fast ausschließlich zur Diffusen-Strahlung

höchste Globalstrahlung in Wüstengebieten und nördliche und südliche Tropen ->meist klar (wolkenlos), durch Menschen Akktivitäten weniger belastete Atmosphäre

tropengürtel geringe Globalstrahlung -> starke Bevölkerung, extreme Strahlungsschwankungen

je weiter vom Äquator entfernt nimmt stärke Globalstrahlung ab

Gebiete die höher liegen haben auch höhere Globalstrahlungswerte.

Anteil der Strahlung, der an einem bestimmten Ort auf jeden Fall zu erwarten ist (vollständige Wolkenbedeckung)

Anteil, der zwischen dem deterministischen und maximalen möglichen Strahlungen mit Wahrscheinlichkeit gegeben ist.

Es wird Silizium genutz als Halbleitermaterial, der bei tiefen Temperaturen als Isolator dient.

Energiebändermodelle:

Valenzband: gebundene Elektronen

Leitungsband: freie Elektronen -> Stromleitung

Bandlücke = Verbotene Zone: Energiebarriere, klein genug dass Sonnenlicht-Photonen die überbrücken können

Beim Photoeffekt trifft Licht, das aus Photonen besteht, auf ein Material. Jedes Photon besitzt eine bestimmte Energie, die von seiner Frequenz abhängt. Wird diese Energie von einem Elektron absorbiert, kann das Elektron aus seiner Bindung gelöst werden, wenn die Photonenenergie mindestens der Bindungsenergie des Elektrons entspricht, auch Austrittsarbeit genannt . Die überschüssige Energie des Photons wird in kinetische Energie des Elektrons umgewandelt.

Bei innerem Photoeffekt: Das Elektron wird innerhalb des Materials gelöst, bleibt aber im Festkörper und kann die Leitfähigkeit erhöhen, wie in Halbleitern oder Photodioden

Bezogen auf Bändermodell: trifft photon auf zelle, springt elektron vom Valenzband in Leitungsband

• p-Schicht (positiv): Elektronenmangel (Löcher).

• n-Schicht (negativ): Elektronenüberschuss.

Durch das Aufeinandertreffen dieser Schichten entsteht ein internes elektrisches Feld. Dieses Feld trennt die durch Sonnenlicht freigesetzten Ladungsträger und erzeugt so nutzbaren elektrischen Strom.

So funktioniert der pn-Übergang im Detail

1. Die Raumladungszone entsteht: Bringt man die p- und n-Schicht zusammen, wandern (diffundieren) Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht. An der Grenze entsteht ein Bereich ohne freie Ladungsträger – die Raumladungszone (Sperrschicht).

2. Das interne elektrische Feld: Zurück bleiben positiv und negativ geladene Atomrümpfe, die ein starkes elektrisches Feld aufbauen. Dieses Feld wirkt wie ein natürliches Ventil und verhindert, dass die Elektronen einfach weiterwandern.

3. Ladungsträgertrennung durch Licht: Treffen nun Photonen (Lichtteilchen) auf die Solarzelle, schlagen sie Elektronen aus ihren Kristallbindungen. Es entstehen frei bewegliche Elektronen und positiv geladene "Löcher".

4. Stromfluss: Das elektrische Feld des pn-Übergangs trennt diese Paare sofort: Die Elektronen werden zur n-Schicht gezogen, die Löcher zur p-Schicht. Werden die Schichten nun über ein externes Kabel miteinander verbunden, fließen die Elektronen als Gleichstrom zum Verbraucher.

1. Herstellung metallurgisches Silizium aus Quarzsand (99% wirkungsgrad erforderlich)

2. Durch Siemens-/Silan-Prozess wird solarreines Polysilizium hergestellt ( verschiedene Stoffe reagieren miteinander, werden destilliert und erhitzt)

3. Kristallisation

4. Drahtsägen von Siliziumscheiben

5. Dotieren des pn-Übergangs

6. Aufbringung Antireflexschicht

7. Aufbringung Kontaktierung

Zelle: dicke p-Basis + dünner n-Emitter (Photonen sollen tief in die p-Basis eindringen, wo der pn-Übergang wirkt)

Kontaktfinger (schmal, weniger Abschattung)+ Busbars(Stromsammelschiene) (dick, geringerer widerstand)

Sandwich-Aufbau: Glas, EVA (ethylenvinylacetat, schützt vor Feuchtigkeit), Zelle, EVA, Schutzfolie

Reihenschaltung und Bypassdiode

Bei der Reihenschaltung wird der Pluspol eines Moduls mit dem Minuspol des nächsten Moduls verbunden, wodurch die Gesamtspannung des Systems steigt, der Strom jedoch unverändert bleibt

Kommt es zu einer verschatteten Zelle begrenzt dies den gesamten Strom

kann zum Hotspot-Effekt kommen: überhitzung zelle durch Rückwärtsstrom.

und Mismatching: unverschattete Zellen zwingen ihren Strom durch die verschattetet- negative Spannung- wird zum Verbraucher, nicht Erzeuger

es werden Baypassdioden in Anschlussdose gebaut, damit wärme aufgebaut werden kann

Die Bypass-Diode in Photovoltaik-Modulen ist ein entscheidendes Bauteil, das den Stromfluss bei Verschattung oder Zelldefekten automatisch umleitet. Sie wird antiparallel zu den Solarzellen geschaltet und ermöglicht es dem Strom, verschattete oder defekte Solarzellen zu umgehen. Dadurch bleibt die Energieausbeute der gesamten Photovoltaikanlage

stabil. Bei Verschattung eines Bereichs wird nur dieser eine String überbrückt – die anderen zwei Strings arbeiten weiterhin mit voller Leistung.

Photovoltaik.info

Die Bypass-Diode reagiert automatisch auf Spannungsunterschiede im Zellstring. Im Normalbetrieb ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet und lässt keinen Strom durch. Wird eine Zelle verschattet, kehrt sich deren Vorspannung um

Wechselrichter: macht aus Gleichstrom, der aus der Zelle kommt, hausüblichen Wechselstrom.

Verscheidene Aufbauten: Zentral-, String-, Modulintegrierter Wechselrichter und Leistungsoptimierer

MPP-Tracker: findet denn optimalen Betriebspunkt auf der IU-Kennlinie. nötig weil der Leistungsmaximum-Punkt auf der IU-Kennlinie wandert mit temperatur und einstrahlung.

1. Der Tracker überwacht kontinuierlich das Verhältnis von Strom und Spannung. Er passt den elektrischen Widerstand so an, dass die Solarzelle immer in ihrem optimalen Betriebspunkt arbeitet.

2. Das Ergebnis: Der Solarertrag wird optimiert, da die Anlage durch den Tracker flexibel auf wechselnde Wetterbedingungen reagiert.

Volleinspeisung ins Netz

Hausstrom seperat über Verbrauchzähler

Volleinspeisung war rentabel, solange Einspeisungsvergütung über Strombezugspreis lag

Eigenverbrauch zuerst

Zweirichtungszähler (Smart Meter): Überschuss ins Netz, Zukauf aus dem Netz

Batterie verschiebt Mittagsüberschuss in den Abend- höherer Eigenverbrauchsanteil

Smart Meter erfasst Einspeisung und Bezug getrennt

Polykristallines PV-Modul: 17%

Monokristallines PV-Modul: 20%

Ausbeute abhängig von solar Strahlung, Ausrichtung, Neigung usw. -> Freifläche 90%, Dachfläche 85%

99% Technische Verfügbarkeit: Lebensdauer 30 Jahre für Module und 15 Jahre für Wechselrichter

Flachdächern: 950 kWh

Freifläche: 900 kwh/kW

Vergleich Nordafrika: 2500 kwh/m^2

Energieverbrauch deutschland: 2300 TWh