Diplomarbeit, 2015
118 Seiten, Note: 1
1. Inhalt
2. Allgemeines
2.1 Projekt Team
2.2 Ideenfindung
2.3 Aufgabenstellung
2.4 Zielsetzung
3. Theoretische Ausarbeitung der Komponenten
3.1 Solarzellen
3.1.1 Funktionsweise
3.1.2 Verschaltungsmöglichkeiten
3.2 Aufbau der gebräuchlichsten Solarzellen
3.2.1 Kristalline Siliziumzellen im Allgemeinen
3.2.2 Kristalline Siliziumzellen - Monokristalline Solarzelle
3.2.3 Kristalline Siliziumzellen - Polykristalline Solarzelle
3.2.4 Dünnschichtzellen
3.2.5 Dünnschichtzellen - Amorphe Siliziumzelle
3.2.6 Dünnschichtzellen - CIS/CIGS-Module
3.2.7 Dünnschichtzellen - CdTe
4. Laderegler
4.1 Die Funktionsweise eines Ladereglers:
4.2 Typen von Ladereglern
4.2.1 Serienregler
4.2.2 Parallelregler/Shuntregler
4.2.3 PMW-Regler
4.2.4 MPP-Regler
4.3 Auswahlkriterien für Laderegler
4.4 Anbieter
5. Akkumulatoren
5.1 Bleiakkumulatoren:
5.1.1 Blei-Säure Technologie:
5.2 Blei-Gel Akku und AGM Akku
5.2.1 Blei-Gel Akku:
5.2.2 AGM Akku
5.3 Unterscheidungsmöglichkeiten von Blei Akkus:
5.4 Elektromechanische Vorgänge:
5.4.1 Entladen:
5.4.2 Laden:
5.5 Chemische Reaktion
5.6 Nickel-Cadmium-Akkumulator
5.6.1 Anwendung
5.6.2 Bauarten
5.6.3 Aufbau und elektrische Vorgänge
5.6.4 Elektrodenbauarten
5.6.5 Vorteile
5.6.6 Nachteile
5.6.7 Chemische Reaktion
5.7 Lithium-Ionen-Akkumulatoren
5.7.1 Allgemeines
5.7.2 Anwendung
5.7.3 Prinzip
5.7.4 Chemische Reaktion
5.7.5 Ausführungsformen
5.7.6 Vorteile
5.7.7 Nachteile
5.8 Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren
5.8.1 Allgemein
5.8.2 Vorteile der LiFePO4-Zellen
5.8.3 Nachteile der LiFePO4-Zellen
5.8.4 Bauformen
5.8.5 Wichtige Anwendungsbereiche
6 Spannungswandler
6.1 Wechselrichter
6.1.1 Allgemeines
6.1.2 Anwendung
6.1.3 Steuerung
6.1.4 Inselwechselrichter
6.1.5 Funktionsweise
6.1.6 Formen der Ausgangsspannung Inselwechselrichtern
6.2 Gleichspannungswandler
6.2.1 Allgemeines
6.2.2 Anwendung
6.2.3 Bauarten
7. Festlegung der Kenndaten der Verbraucher
7.1 Radio und Lautsprecher
7.2 5 V DC „USB“ Ausgänge
7.3 12 V DC Ausgang
7.4 230 V AC Ausgang
8. Überlegungen zum Projekt
8.1 Lösungsansatz I
8.1.1 Blockschaltbild
8.1.2 Leistungsfaktoren
8.1.3 Schematische Darstellung
8.2 Lösungsansatz II
8.2.1 Blockschaltbild
8.2.2 Leistungsfaktoren
8.2.3 Schematische Darstellung
8.3 Vor- und Nachteile der Ansätze
8.3.1 Ansatz I
8.3.2 Ansatz II
8.4 Fazit
9. Theoretische Auslegung der Anlage
10. Dimensionierung einer Insel-PV Anlage
10.1 Festlegung der wichtigsten Daten
10.2 Erfassung der wichtigsten Größen
10.3 Berechnung
10.3.1 Dimensionierung des PV Generators
10.3.2 Akkuauslegung:
11. Leitungs- und Absicherungsdimensionierung
11.1 Erfassung der einzelnen Leistungen
11.2 Berechnung des Stroms
11.3 Auslegung der Absicherung und des Leitungsquerschnittes
12. Ausgewählte Komponenten
12.1 Photovoltaikmodul
12.1.1 Technische Merkmale
12.2 Laderegler
12.2.1 Eigenschaften des Reglers
12.2.2 Technische Merkmale
12.2.3 Funktionsweise
12.3 Speichersystem
12.3.1 Technische Daten
12.4 Anzeige/USB-Lader
12.4.1 USB-Lader
12.4.2 Voltmeter
12.4.3 Zigarettenanzünderbuchse
12.5 Wechselrichter
12.6 Radio
12.7 Lautsprecher
12.7.1 Technische Daten
12.8 Sicherungshalter
12.9 Klemmen/Stecker
12.10 Netzteil
12.11 Relais
13. Dimensionierung des Gehäuses
13.1 Form
13.2 Lautsprecher
13.3 Transportmöglichkeit
14. Konstruktion des Projektes
14.1 AutoCAD
14.2 ePlan
14.3 PV-Sol
15. Dokumentation der Umsetzung des Projekts
15.1 Fertigung des Gehäuses
15.1.1 Vorbereitungsarbeiten
15.1.2 Aufbau des Gehäuses
15.1.3 Zusammenbau des Gehäuses
15.1.4 Bilder der Fertigung
15.2 Fertigung der Panelaufständerung
15.2.1 Überlegung
15.2.2 Umsetzung
15.2.3 Bilder von der Fertigung der Aufständerung
15.3 Einbau der einzelnen Komponenten
15.4 Verkabelung der Anlage
16. Funktionstest und Fehlerbehebung
17. Kostendarstellung
17.1 Bestellliste
17.2 Zur Verfügung gestellte Artikel
18. Verbesserungsmöglichkeiten
19. Projektmanagment
19.1 Meilensteine
19.2 Terminplan
20. Resümee des Projektes
21. Anhang
21.1 Quellen
21.1.1 Bücher
21.1.2 Internet
21.2 Datenblätter
21.3 Formelverzeichnis
21.4 Abbildungsverzeichnis
21.5 Tabellenverzeichnis
Das Team rund um das Mobile Entertainmentsystem besteht aus Herrn Daniel Pointner, Martin Lechner und Patrick Anzinger. Betreut worden sind sie dabei von der Frau Dipl. -Ing Karin Eichinger, die von Anfang an das Projekt unterstützt hat und dadurch die Umsetzung erst möglich gemacht hat. Auch Herr Professor Klein hat durch sein Engagement und durch seine tatkräftige Teilnahme an diversen Fehlersuchen sehr viel bei der Umsetzung des Projekts beigetragen.
Die drei Teammitglieder besuchen im Sommer gerne mehrtägige Musikfestivals. Damit dort am Abend die Musikalische Beschallung nicht mit der letzten Band endet haben sehr viele der Festivalbesucher zusätzlich eine eigene Musikanlage die mit einem Benzingenerator betrieben wird, dabei. Jetzt war der erster Ansatz der drei Studenten eines Kollegs für erneuerbare Energien, könnte man nicht auch so eine Musikanlage mit PV-Modulen betreiben. Aus dieser Überlegung heraus ist die eigentlich Projektidee entstanden. Zusätzlich wurde entschieden eine 230 Volt Steckdose, zwei USB Buchsen und eine Zigarettenanzünderbuchse für die Stromversorgung von kleineren elektrischen Geräten wie zum Beispiel Handys oder Laptops zu verbauen.
Zuerst sollte das mobile Entertainmentsystem geplant und optimiert werden und anschließend folgt die praktische Umsetzung.
- Folgende Komponenten sollten mindestens in die Anlage verbaut werden:
- Radio
- Lautsprecher
- 1x 230V Ausgang
- 2x 5V USB Ausgang
- Ermittlung des Verbrauches der verbauten Komponenten
- Die Anlage sollte mindestens 30h autark ohne Ladung betrieben werden können
- Eine dazugehörige PV-Anlage soll geplant und dimensioniert werden
- Das PV-Modul soll abnehmbar und extern mit dem System verbunden werden können
- Außerdem sollte ermittelt werden, welcher Zellentyp bzw. Akku-Typ für den verwendungszeck der Anlage am besten geeignet ist
- Das System sollte möglichst klein ausgeführt werden
- Es soll die Engineering-Software ePLAN für die Umsetzung der Stromlaufpläne verwendet werden
- Die Konstruktionspläne sollten mit der CAD-Software AutoCAD erstellt werden
- Die Kenntnisse die in AAPR erlernt wurden sollten umgesetzt und erweitert werden
- Es sollte mögliches Einsparungspotential hinsichtlich des Stromverbrauchs bzw. in der Auslegung des PV-Moduls erkennt und anschließend umgesetzt werden.
- Die Kenntnisse die in Projektmanagement erlangt wurden sollten in der Planung des Projekts angewandt werden
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1) innere Photoeffekt
Quelle: www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/solarzelle- funktion
Bei dem Prinzip einer PV-Anlage werden mittels Solarzellen, Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie umgewandelt.
In der Physik ist elektrischer Strom die Bewegung von freien, geladenen Teilchen (Ladungsträger). Damit jetzt Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgesetzt werden kann, müssen in der Solarzelle frei bewegliche Ladungsträger produziert werden.
Dies ist möglich, da im Inneren der Solarzelle zwei physikalische Vorgänge zusammen wirken:
- Der innere Photoeffekt
- Der photovoltaische Effekt
Sonnenlicht setzt sich aus einzelnen unterschiedlichen Energieportionen zusammen. Diese Portionen werden als Photonen oder manchmal auch als Lichtquanten bezeichnet. Je nach Wellenlänge in der sie sich befinden enthalten sie unterschiedlich viel Energie.
Treffen nun Photonen auf ein Solarpaneel, so wird ein Teil von ihnen vom Silizium absorbiert und lösen dadurch aus dem Kristallgitter des Halbleiters ein fest gebundenes Elektron (negativ geladenes Teilchen).
Lichtquanten mit weniger Energiegehalt strahlen durch die Solarzelle ungenutzt hindurch und andere werden bereits an der Oberfläch reflektiert.
Das aus dem Kristallgitter gelöste Elektron hinterlässt an seiner ehemaligen Position ein positiv geladenes Loch. Zusammen ergeben die beiden ein Elektronen-Loch-Paar.
Also zwei frei bewegliche Teilchen, die entgegengesetzt geladene sind.
Nun sind die frei beweglichen Ladungsträger, welche für die Solarstrom Erzeugung benötigt werden zwar vorhanden, jedoch bleiben die Teilchen nur kurzzeitig frei beweglich. Vor allem die Elektronen tendieren relativ schnell dazu, sich wieder mit einem Loch zu verbinden. Dieser Vorgang wird auch als Rekombination bezeichnet und durch ihn würden die losen Elektronen für die Solarstromgewinnung wieder verloren gehen. Der nachfolgend beschriebene photovoltaische Effekt wirkt dem entgegen.
Um die unerwünschte Wiedervereinigung von den freien Ladungsträger zu verhindern wird im Halbleitermaterial mittels gezielter Dotierung von Fremdatomen ein pn-Übergang erzeugt.
Nach der Einbringung der Fremdatome existieren in der Solarzelle zwei Halbleiterschichten:
- Die p-dotierte Schicht mit einem Überangebot an Löchern
- Die n-dotierte Lage mit einem Überschuss an Elektronen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2) Aufbau einer Solarzelle
Quelle:http://www.energienpoint.de/erneuerbare- energien/solarenergie/wie-funktioniert-eine-solarzelle/
Zwischen diesen Schichten liegt der pn- Übergang mit dem ein stabiles elektrisches Feld gebildet wird. Durch das Feld werden die vom Licht erzeugten Elektronen-Loch-Paare getrennt und gleichzeitig wird dadurch eine Rekombination verhindert.
Dies ist möglich da der positive Pol des elektrischen Feldes die gerade getrennten negativen Elektronen zum Beispiel in die n- dotierte Schicht zieht. Da hier durch die Dotierung bereits ein Überschuss an Elektronen herrscht, gibt es kaum freie Löcher, mit dem sich das neue Elektron verbinden könnte.
Aus diesem Grund ist die Wahrscheinlichkeit dass es zu einer Rekombination kommt äußerst gering. Aber auch die Löcher, die vom Minuspol in die p-dotierte Lage befördert werden, bleiben dort erhalten.
An den für sie vorgesehenen Metallkontakten der Solarzelle können die vom Licht produzierten und vom Feld getrennten Löcher und Elektronen gefahrlos verweilen, bis der Stromkreis mittels eines Verbrauchers geschlossen wird.
Dick- und Dünnschicht-Solarzellen unterscheiden sich aber grundsätzlich in der Art, wie die Nutzung dieser beiden für die Funktion einer Solarzelle so zentralen physikalischen Effekte technisch umgesetzt wird.
Photovoltaiksolarstrom / Die Solarzelle - Funktion und Stromgewinnung im Zellkern /15.6.2015 http://www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/solarzelle-funktion
Werden mehrere Solarzellen Seriell oder Parallel zusammen geschalten so wird dies als Solarmodul bzw. Photovoltaikmodul bezeichnet. Wenn mehrere Solarmodule miteinander verbunden werden nennt man diese Verschaltung Solargenerator.
Vor allem für kleinere Photovoltaikanlagen kann eine Serienschaltung von mehreren Solarzellen einen Vorteil bringen da dadurch eine höhere Spannung erzielt wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3) Strom- und Spannungskennlinie von drei in Reihe geschalteten Solarzellen
Quelle: http://www.pvaustria.at/daten-fakten/technologie/pv-auslegung/
Wohingegen bei der Parallelschaltung von Solarzellen ein höherer Strom fließt und wenn das Modul teilweise verschattet ist der Durchschnittsertrag höher ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4) Strom- und Spannungskennlinie von drei parallel geschaltete Solarzellen
Quelle: http://www.pvaustria.at/daten-fakten/technologie/pv-auslegung/ Energienpoint / Martin Brosy / Wie funktioniert eine Solarzelle / 18.2.2015 www.energienpoint.de/erneuerbare-energien/solarenergie/wie-funktioniert-eine-solarzelle so-lar gmbh / Modularten / 18.2.2015 www.so-lar.ch/pdf/modularten leistung.pdf
In dem nachfolgenden Blockschaltbild sind die am häufigsten verbreite(st)ten Solarzellen zu sehen. Hier wird nach Aufbau, Funktionsweise und verwendeten Materialien im groben zwischen kristalline Siliziumzellen und Dünnschichtzellen unterschieden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5) Unterteilung der verschiedenen Zellarten Quelle: eigene Grafik
Bei der Erzeugung von Kristallinen Siliziumzellen werden aus Siliziumblöcken dünne Scheiben gesägt (auch als Wafer bezeichnet). Bei den Dünnschichtzellen wiederum werden die Solarzellen in extrem feinen Schichten auf Glas oder einem anderen Untergrundmaterial aufgedampft.
Wobei in unseren Breiten ca. 90 % der installiert Zellenarten die kristallinen Siliziumzellen ausmachen. Dünnschichtzellen finden überwiegend bei Spezialanwendung, wie zum Beispiel wenn die Module einer Anlage mit der Dachhaut kombiniert werden sollen, verwendung.
Photovoltaiksolarstrom / Die Solarzelle - Funktion und Stromgewinnung im Zellkern / 15.6.2015 http://www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/solarzelle-funktion
Kristalline Siliziumzellen werden auch oft als Dickschicht- oder Wafer-Zellen bezeichnet. Das wichtigstes Material für die kristalline Solarzellen ist Silizium. Nach Sauerstoff ist Silizium das zweithäufigste chemische Element das auf der Erde vorkommt. Es muss durch thermische und chemische Verfahren aus Quarz oder Sand herausgelöst werden, da es nicht in Reinform existiert. Zur Herstellung von hochreinem Silizium gibt es verschiedene Reinigungsverfahren wie zum Beispiel das Siemens-Verfahren oder das Wirbelschichtverfahren.
Nach diesen Reinigungsschritten liegt oft ein Siliziumgranulat vor, welches das Ausgangsmaterial für mono- und polykristalline Solarzellen bildet.
Ursprünglich wurden Monokristalline Solarzellen für Satelliten und die Raumfahrttechnik entwickelt. Zu späteren Zeitpunkt wurden diese Solarmodule auch für erdgebundene Photovoltaik Anlagen genutzt. Preislich liegen die Monokristallinen Module zwar über den der polykristallinen Varianten, jedoch weisen sie auch einen höheren Wirkungsgrad auf.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Monokristallinen Solarzellen für Photovoltaik Anlagen werden meist mittels dem Czochralski- Prozess (Tiegelziehprozess) gezüchtet. Hierbei wird das Siliziumgranulat bei ca. 1400 °C aufgeschmolzen und mit Hilfe eines eingebrachten Kristallkeims in langsamen Drehbewegungen nach oben herausgezogen. An dem Kristallkeim lagert sich das geschmolzene Silizium an und erstarrt mit der gleichen Orientierungsrichtung im Kristallgitter, dadurch entsteht ein Einkristall. Dieser gezogene Monokristall kann mehrere Meter lang sein und erreicht einen Durchmesser von ca. 30 cm. Der zylindrisch Einkristall wird meistens seitlich abgefasst und anschließend mittels Drahtsäge in ca. 0,2 mm dicke Scheiben (Wafer) geschnitten.
Trifft nun Sonnenlicht (Sonnenenergie) auf den Wafer, welcher der eigentliche Halbleiter ist, werden einzelne Elektronen angeregt und in ein höheres Energieniveau gehoben. Dadurch können sich diese Elektronen frei im Halbleitermaterial bewegen. Da die Elektronen jedoch eine bestimmte Flussrichtung benötigen wird mittels Dotierung der beiden Oberflächen des Wafers ein elektrisches Feld vorgegeben. Bei der Dotierung werden in die äußere Schicht des Wafers Fremdatome wie zum Beispiel Phosphor und Bor eingebracht. Im Vergleich zu einem Siliziumatom hat Bor ein Elektron weniger und Phosphor ein Elektron mehr. Dadurch entsteht ein Elektronenmangel und ein Elektronenüberschuss (elektrisches Feld) wodurch die Flussrichtung der Elektronen vorgegeben wird. Im letzten Schritt der Herstellung einer monokristallinen Solarzelle werden die Stromleiterbahnen mittels Siebdruckverfahren Aufgedruckt und zusätzlich wird oftmals noch eine Antireflexschicht aufgebracht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7) Solarzellen aus monokristallinem Silizium
Quelle: www.udo-leuschner.de
Zu erkennen sind die Solarmodule die aus monokristallinen Solarzellen bestehen an ihrer dunkelblauen bis schwärzlichen Färbung. Zusätzlich wirken sie im Vergleich zu Polykristallinen Solarzellen bei näherer Betrachtung sehr glatt und eben.
Ihre Lebensdauer liegt bei mindestens 20 Jahren. Im Vergleich zu beispielsweise Dünnschichtmodulen wiegen die Monokristallinen Solarmodule größenbedingt um einiges mehr, jedoch erzielen sie durch ihren sehr hohen Siliziumanteil einen Wirkungsgrad von bis zu ca. 21 % und sind daher bei direkter Sonneneinstrahlung die effektivsten Solarzellen.
Deshalb sind Monokristalline Solarmodule besonders gut geeignet, wenn zum Beispiel eine sehr hohe Leistung erzielt werden soll oder wenn nur eine kleine Fläche für die PV-Module zur Verfügung steht.
Aufgrund der aufwendigen Herstellung sind die monokristallinen Module jedoch auch vergleichsweise teuer und bei diffusem Licht büßen sie an Leistung ein. Bei Dachflächen, die nicht direkt nach Süden geneigt sind, kann sich daher der Wirkungsgrad der Solarmodule verringern. Die Monokristallinen Solarzellen weisen durch die zeitliche und die energieaufwendige Herstellung eine schlechtere Umweltbilanz als andere Photovoltaik Module auf. Energetisch Amortisieren sich die monokristallinen Solarmodulen im Vergleich zu polykristallinen Solarmodulen nicht so schnell. Zurzeit werden rund ein Drittel aller Photovoltaik Anlagen mit monokristallinen Solarzellen betrieben.
Da monokristalline Solarzellen bei direkter Sonneneinstrahlung einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen sind sie für das Mobil-Entertainmentsystem bestens geeignet. Hinzukommt das die Module nicht zu groß ausfallen dürfen, damit die ganze Anlage leicht transportiert werden kann. Jedoch aus ökologischer Sicht sind sie nicht ganz Ideal, da das Projekt möglichst umweltfreundlich gebaut werden soll. Außerdem sind die Module im Vergleich zu anderen Zelltechnologien relativ teuer, wobei dies auf die Größe der Anlage gesehen nicht ganz so schlimme Auswirkungen hat. Vor allem weil sie dafür im Vergleich zu anderen Zelltechnologien sehr langlebig sind. so-lar gmbh / Modularten / 19.2.2015 www.so-lar.ch/pdf/modularten leistung.pdf RNB Energietechnik / Wie funktioniert Photovoltaik / 30.8.2015 www.rnb-energietechnik.de/wie funktioniert photovoltaik.html
Der Wirkungsgrad von Polykristallinen Modulen ist nicht ganz so hoch wie bei monokristalline Solarzellen, jedoch sind sie auch preiswerter. Polykristalline Solarmodule sind die derzeit am häufigsten installierten Module und Charakteristisch für sie ist die meist unterschiedlich bläulich schimmernde Kristallstruktur, welche die Sonneneinstrahlung stark reflektiert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8) Solarzellen aus polykristallinem Silizium
Quelle: www.udo-leuschner.de u. www.solaranlage.eu Polykristalline Solarzellen werden ebenso wie die monokristalline Zellen aus Silizium hergestellt Jedoch ist das verwendete Silizium nicht so rein wie bei der Produktion von monokristallinen Zellen und dadurch ist auch der schlechtere Wirkungsgrad zurückzuführen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Mittels dem sogenannten Blockgießverfahren wird das Siliziumgranulat aufgeschmolzen und anschließend in eine Quaderform gegossen. Während das Flüssige Silizium langsam abkühlt und fest wird, entstehen Kristallstrukturen (multikristallines Silizium) in den unterschiedlichsten Größen. Die Korngrenzen zwischen den einzelnen Kristallen können als Kristalldefekte gezählt werden und beeinflussen den Wirkungsgrad von den polykristallinen Zellen.
Der abgekühlte Siliziumblock (Ingot) wird zuerst in Stangen zurechtgeschnitten und anschließend mittels Drahtsäge in ca. 0,2 mm dicke Wafer-Scheiben gesägt. Wobei jede dieser Scheiben den eigentliche Halbleiter ergeben. Trifft Sonnenlicht auf den Wafer, welcher der eigentliche Halbleiter ist, werden einzelne Elektronen angeregt und in ein höheres Energieniveau gehoben. Dadurch können sich diese Elektronen frei im Halbleitermaterial bewegen. Da die Elektronen jedoch eine bestimmte Flussrichtung benötigen wird mittels Dotierung der beiden Oberflächen des Wafers ein elektrisches Feld vorgegeben. Bei der Dotierung werden in die äußere Schicht des Wafers Fremdatome wie zum Beispiel Phosphor und Bor eingebracht. Im Vergleich zu einem Siliziumatom hat Bor ein Elektron weniger und Phosphor ein Elektron mehr. Dadurch entsteht ein Elektronenmangel und ein Elektronenüberschuss (elektrisches Feld) wodurch die Flussrichtung der Elektronen vorgegeben wird. Im letzten Schritt der Herstellung einer monokristallinen Solarzelle werden die Stromleiterbahnen mittels Siebdruckverfahren Aufgedruckt und zusätzlich wird oftmals noch eine Antireflexschicht aufgebracht.
Um ein Solarmodul zu Formen werden die polykristallinen Solarzellen dann in transparentem Äthylen-Vinyl- Acetat integriert und anschließend mit einer Glasscheibe abgedeckt. Zusätzlich bekommt jedes der Solarmodul einen Edelstahl- oder Aluminiumrahmen.
In ca. der Hälfte der momentan installierten Photovoltaik Anlagen werden polykristalline Solarmodule genutzt.
Da der Wirkungsgrad von den polykristallinen Modulen nicht so hoch wie bei den monokristallinen ist, sind sie für das Projekt nicht in Frage gekommen. Auch der Preisvorteil konnte dies nicht wettmachen, da die Anlage so kompakt und effizient wie möglich geplant und gebaut werden sollte wie nur geht. so-lar gmbh / Modularten / 19.2.2015 www.so-lar.ch/pdf/modularten leistung.pdf RNB Energietechnik / Wie funktioniert Photovoltaik / 31.8.2015 www.rnb-energietechnik.de/wie funktioniert photovoltaik.html
Auch bei den Dünnschichtzellen gibt es unterschiedliche Ausführungen, je nach aufgedampften Materialien und verwendeten Substrat. Aus diesem Grund ist die Spannbereite der Wirkungsgrade und der Physikalische Eigenschaften entsprechend groß.
Ein großer Unterschied gegenüber den kristallinen Solarzellen besteht vor allem in ihren Herstellungsverfahren und natürlich wie der Name schon verrät in ihren Schichtdicken der verwendeten Materialien.
Im Gegensatz zu dem kristallinem Silizium hat amorphes Silicium andere physikalische Eigenschaften, welche wiederum die Solarzelleneigenschaften beeinträchtigen.
Die Dünnschichtzellen sind ca. 100-mal dünner als die Dickschichtzellen aus Siliziumwafern.
Dies ist möglich da die Dünnschichtzellen meist durch das Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial wie zum Beispiel Glas, Kunststoff oder Metallblech aufgebracht werden. Dadurch kann der komplizierte Prozess des Zersägens von Siliziumblöcken umgangen werden.
Eine weiterer Vorteil von Dünnschichtmodulen ist, dass sie relativ simpel und großflächig erzeugt werden können und nicht auf ein rigides Trägermaterial wie Glas oder Aluminium angewiesen sind. Dadurch ist es Beispielsweise möglich aufrollbare Solarzellen für Tragetaschen oder Wanderrucksäcke zu produzieren.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 10) Tasche mit Solarzellen zur Smartphone aufladung
Quelle: http://so-fi.com/collections/solar-chargers
Die bekannteste Solarzelle im Bereich der Dünnschichttechnologie ist die Amorphe Siliziumzelle. Andere Arten von Dünnschichttechnologie die von kommerzieller Bedeutung haben werden mit Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) und Cadmiumtellurid (CdTe) gefertigt. Wikipedia / Solarzelle, Dünnschichtzellen / 20.8.15 de.wikipedia.org/wiki/Solarzelle#D.C3.BCnnschichtzellen
Heut zu Tage kommen Dünnschichtsolarzellen aus amorphem Silizium vor allem bei Kleinanwendungen und bei Gebäudeintegrationen auf Grund ihrer spezifischen Vorteile zum Einsatz. Die vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrade können oft durch die niedrigeren Kosten kompensiert werden.
Durch das Aufdampfen beziehungsweise Abscheiden von einer Schicht Silizium (Nanometerbereich dick) auf ein Trägermaterial wird das Amorphe Silizium hergestellt. Zu diesem Zweck gibt es verschiedene Abscheide- oder Beschichtungsmethoden mit denen das amorphe Silizium auf das Substrat aufgetragen wird.
Es wird unterschieden zwischen:
- Kathodenzerstäubung oder auch Sputtern genannt
- CVD (chemical vapor deposition) oder auf Deutsch Gasphasenabscheidung
- Vakuumaufdampfen
Wobei die plasmaunterstütze Gasphasenabscheidung (PECVD) heut zu Tage am häufigsten zum Einsatz kommt. Dabei wird mithilfe des Plasmas aus einem siliziumhaltigen Gas das Silizium extrahiert, welches sich anschließend im amorphen Zustand auf dem Trägermaterial festlegt. Zudem lagern sich während der Plasmaabscheidung Wasserstoffatome an, die eine Nutzung überhaupt erst möglich machen. Die Dotierung erfolgt mittels bestimmter Dotiergase welche während des Abscheidens beigefügt werden.
Der Aufbau von amorphe Dünnschichtzellen sieht dabei wie folgt aus:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 11) Schematischer Aufbau einer amorphen Dünnschichtzelle
Quelle: http://www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/solarzelle-funktion
- Glassubstrat
- Vorderseitenkontakte wie in diesem Fall transparente Dioden aus leitendem Oxid (TCO)
- p-dotierte Schicht
- die undotierte Lage (intrinsischer Bereich)
- n-dotierte Schicht aus amorphen Silizium
- Rückseitenkontakte
Diese Art von Dünnschichtsolarzellen wird auch oft als pin-Zelle bezeichnet. Wobei das pin für die Anfangsbuchstaben der Kernschichten (p -dotiert, i ntrinsisch und n -dotiert) steht.
Bei der Stromgewinnung spielt besonders die intrinsische Schicht eine wichtige Rolle, da hier das gesamte Licht absorbiert werden soll. Die Wahrscheinlichkeit das es zu einer Rekombination der freien Ladungsträger kommt ist zwar sehr hoch, jedoch erstreckt sich der pn- Übergang und sein elektrisches Feld über die gesamte intrinsische Absorberschicht. Die dort geschaffenen Elektronen-Loch-Paare wandern durch ihre relativ schmalen Heimatgebiete zu den Zellenkontakten hinüber, wo sie in Form von Spannung abgegriffen werden können.
In den beiden extrem feinen, dotierten Siliziumschichten hingegen rekombinieren fast alle erzeugten Ladungsträger und erzeugen somit keinen Solarstrom.
Amorphe Siliziumzellen haben sehr viele Vorteile, die sie extrem Interessant für die mobile Anwendung machen. Vor allem weil sie relativ billig in sehr dünnen und leichten Ausführungen zu kaufen sind. Dadurch wäre es möglich die Anlage noch einfacher transportieren zu können. Jedoch haben sie einen geringeren Wirkungsgrad als die kristallinen Siliziumzellen und zusätzlich eine sehr hohe Anfangs-Degration. Dies wiederum würde auf längere Zeit gesehen wahrscheinlich höhere Kosten bedeuten als wenn monokristalline Module verwendet werden Außerdem würde darunter die Effizienz der Anlage leiden oder es müssten größere Solarmodule verwendet werden.
Photovoltaik / Amorphes Silizium / 12.5.2015 www.photovoltaik.org/wissen/amorphes-silizium BINE Informationsdiens / Dünnschichtsolarzellen aus amorphem und mikrokristallinem Silizium/ 23.08.2015 www.bine.info/publikationen/publikation/photovoltaik-innovationen-bei-solarzellen-und- modulen/duennschichtsolarzellen-aus-amorphem-und-mikrokristallinem-silizium/ Photovoltaiksolarstrom / Die Solarzelle - Funktion und Stromgewinnung im Zellkern / 15.6.2015 www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/solarzelle-funktion
CIS/CIGS oder auch CIGS Se sind ebenfalls Dünnschicht-Solarmodule, welche aus Leitern und Halbleitern zusammengesetzt sind. Hauptmerkmal im Vergleich zu SiliziumDünnschichtsolarzellen ist die höhere Leitfähigkeit für den Strom. Sie absorbieren 99% des Tageslichts und sind daher an ihrer tiefschwarzen Farbe zu erkennen.
Die Buchstaben C, I, G, S und das Kürzel Se bezeichnen folgende Elemente:
- C - Kupfer (chemisches Kürzel Cu) Ist ein sehr gut leitendes Edelmetall mit dem die Leiteigenschaften der negativen Ladungsträger in der Solarzelle gesteigert werden.
- I - Indium (chemisches Kürzel In) Es wird auch in der Zusammensetzung Indiumphosphid verwendet, jedoch wegen seiner Seltenheit immer öfters gegen Gallium ersetzt .
- G - Gallium (chemisches Kürzel Ga) Ist Ebenfalls relativ selten und wird auch zur p-Dotierung von Silizium in Solarzellen verwendet
- S - Selen (chemisches Kürzel Se) bzw. Schwefel (chemisches Kürzel S) Schwefel ist ein Halbleiter und Selen in seiner Abwandlung als graues Selen ein „Fotohalbleiter“, das heißt unter Licht erhöht es seine Leitfähigkeit (bei Sonnenlicht ca. um den Faktor 1.000)
- Se - Selen Wird für die Bezeichnung benutzt wenn das S schon durch Schwefel/Sulphur belegt ist.
Die Ausgangs-Mischung für die Solarzelle besteht grundsätzlich aus CIS (Kupfer, Indium und Selen). Zur Verbesserung der Leitungseigenschaften wird manchmal Indium durch Gallium ausgewechselt. Das Ergebnis wird als CIGS bezeichnet.
Außerdem gibt es noch die Variante in der Selen durch Schwefel ersetzt (ebenfalls CIGS) bzw. ergänzt wird (CIGS Se).
Der Aufbau von Solarmodulen auf der Grundlage von CIS/CIGS besteht aus mehreren hauchfeinen Schichten, die zusammen gerade einmal 1 bis 2 pm dick sind.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12) Schematischer Aufbau eines CIGS Se - Moduls
Quelle: http://www.renewable-energy-concepts.com/german/sonnenenergie/solaranlage-solartechnik/solarmodule- solarpanel/duennschicht-solarmodule.htm
Das Trägermaterial wird mit einer Molybdänschicht, welche als Rückkontakt für das Modul dient, bedampft. Darauf befindet sich der Halbleiter der auf der Deckfläche mit einer transparenten Zinkoxid-Schicht (die mittels Aluminium dotiert wurde) abgeschlossen wird. Da sie durchsichtig ist wird sie als Fenster bezeichnet.
Zwischen dem Fenster und dem Absorber liegt eine giftige Pufferschicht die aus Cadmiumtellurid (CdTe)besteht. CIS/CIGS-Solarmodule erzielen zurzeit noch einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad gegenüber den Silizium- oder Cadmiumtellurid-Solarzellen. Jedoch wurden unter Laborbedingungen bereits Wirkungsgrade von bis zu 20 % erreicht. Außerdem sind die Module bei schlechten Lichtbedingungen sprich bei Nordlagen oder Streulicht sehr gut für die die Solarstromproduktion geeignet.
CIS/CIGS-Module haben eine relativ hohe Lichtabsorptionsfähigkeit, wodurch sie auch bei schlechten Lichtbedingungen hervorragend arbeiten können. Dies wäre zum Beispiel ein Vorteil wenn das mobile Entertainmentsystem bei bewölktem Wetter oder bei Nebel geladen werden soll. Außerdem haben sie den Vorteil gegenüber den amorphen Siliziumzellen das sie von der Anfangs-Degradation nicht betroffen sind.
Photovoltaiksolarstrom / CIS/CIGS - Dünnschichtmodule auf dem Weg / 16.6.2015 www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/cis-cigs Photovoltaiksolarstrom / Die Solarzelle - Funktion und Stromgewinnung im Zellkern / 15.6.2015 www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/solarzelle-funktion
CdTe steht für den hocheffiziente Halbleiter Cadmiumtellurid der zur Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen verwendet wird. Ein großer Vorteil dieser Technologie ist seine gute Aufnahmefähigkeit für diffuses Licht. So können CdTe-Module auch an wolkenreichen Tagen, unter diffuser Verschattung, bei höherem Nebelaufkommen oder in ungünstigen Hanglagen relativ effizient arbeiten.
Weitere Vorteile durch die sich CdTe-Module auszeichnen:
- Hohe theoretische Wirkungsgrade
- Kurze Energierücklaufzeit
- Geringe Empfindlichkeit gegenüber T emperaturschwankungen
Der Aufbau einer CdTe Solarzelle sieht wie folgt aus:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13) Schematischer Aufbau einer CdTe Solarzelle
Quelle: https://www.crystec.com/kllcdted.htm
- Trägermaterial (in diesem Fall Glas)
- Indiumzinnoxidschicht (ITO)
- Cadmiumsulfidschicht (Cds)
- Cadmiumchloridschicht (CdTe)
- metalischer Kontakt
Unter dem Glassuperstrat ist eine transparente und gleichzeitig leitende Indiumzinnoxidschicht (ITO). Auf dieser wird eine sehr dünne, ebenfalls durchsichtige Cadmiumsulfidschicht aufgetragen. Zwischen diesen beiden Lagen werden bei Sonneneinstrahlung die Ladungsträger gebildet. Um die elektrischen Eigenschaften zu optimieren werden beide Halbleiterschichten mit Cadmiumchlorid CdCl2 behandelt und getempert (Material wird über einen längeren Zeitraum erhitzt). Auf der Rückseite der Solarzelle befinden sich die Kontakte, über den die Ableitung der Ladungsträger erfolgt.
Sollte das Trägermaterial nicht transparent sein wie zum Beispiel Metallfolie, befindet es sich unter der Zelle und die Lagen werden in umgekehrter Reihenfolge aufgetragen. Wobei dies einen sehr aufwändigen Produktionsprozess voraussetzt und deshalb relativ selten gefertigt wird.
Da die CdTe-Module relativ eng mit den CIS/CISG-Modulen verwandt sind haben sie sehr viele gemeinsame Eigenschaften. Jedoch ist zu sagen das Cadmiumtellurid nicht sehr Umweltfreundlich ist da es giftig ist.
Photovoltaiksolarstrom / CdTe - Baustoff für innovative Dünnschicht-Solarzellen / 18.6.2015 www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/cdte Crystec Technology Trading / Öfen zur Aktivierung von CdTe Dünnschichtsolarzellen / 18.6.2015 www. crystec. com/kllcdted. htm
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14):Solarladeregler
Quelle: http://www.soltronik.de
Bei Inselanlagen ist der Laderegler eine notwendige Komponente. Seine Primäraufgabe besteht darin, den Akkumulator vor einer Überladung sowie einer Tiefenentladung zu schützen.
Ladereglers:
Der Laderegler dient als Schaltzentrale zwischen den einzelnen Komponenten. Er ist mit den PV-Modulen sowie den Akkumulatoren und den Verbrauchern verbunden. Unbedingt notwendig ist der Laderegler da sowohl die Produktion als auch die Abnahme durch die angeschlossenen Verbraucher schwankend sind. Weiters muss der Laderegler zum Schutz des Akkumulators sicherstellen, dass die zulässigen Grenzspannungen nicht überschritten werden.
Weitere mögliche Funktionen des Ladereglers:
- Temperaturfühler
- Anzeige von Größen wie Ladestand, Ladestrom, Akkuspannung, Betriebszustand, akustisches Warnsignal bei Lastabschaltung
Es gibt vier verschiedene Arten von Ladereglern welche sich in ihrer Wirkungsweise unterscheiden:
- Serienregler
- Shuntregler
- PWM-Regler
- MPP-Regler
Wird die Ladeschlussspannung überschritten wird durch eine Regelelektronik der in Serie liegende mechanische oder elektronische Schalter geöffnet. Das PV-Modul befindet sich dann im Leerlauf. Ein Spannungsabfall und die damit verbundene Leistungsminderung tritt bei geschlossenem Schalter auf. Serienregler sind sehr preisgünstig und werden vor allem bei Kleinanlagen um die 100 W eingesetzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 15): Blockschaltbild eines Serienregler
Quelle: Skriptum Professor Torner
Das Solarmodul wird beim überschreiten der Ladeschlussspannung mittels Regelelektronik kurzgeschlossen. Dies geschieht, in dem ein parallel zum Modul liegender Schalter eingeschaltet wird. Im Unterschied zum Serienregler tritt bei dieser Reglerart im Ladevorgang kein zusätzlicher Spannungsabfall auf. Haupteinsatzgebiet dieser Reglertype ist der mittlere Größenbereich bis ca. 1000 W Leistung.
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Abbildung 16):Blockschaltbild eines Parallel/Shuntreglers
Quelle: Skriptum Professor Torner
PMW-Regler sind mit einem Mikroprozessor ausgestattet. Dieser überwacht den Ladevorgang und die Umgebungsfaktoren wie Alter und Zustand der Akkumulatoren. Nähert sich bei der Akkuladung die Batteriespannung dem Wert für Vollladung, wird der Ladestrom langsam reduziert, um eine Ausgasung oder eine Aufheizung der Akkumulatoren zu verhindern. Der Ladevorgang wird allerdings nicht sofort abgebrochen, sondern wird mit der größtmöglichen Energiemenge fortgesetzt. Das Ergebnis ist eine schnellere, vollere und Akku schonende Ladung.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 17):Blockschaltbild eines PWM- Reglers
Quelle: http://www.solarlink.de/laderegmorningsunlight.htm
Ohne einen solchen Regler wird der Arbeitspunkt auf der Solarmodulkennline durch die momentane Akkuspannug bestimmt. Um die PV-Module immer im MPP (Maximum-PowerPoint) betreiben zu können, wird durch eine Messelektronik die Modulkennlinie abgefahren und der Punkt der maximal möglichen Leistung ermittelt. Die Spannung des MPP wird durch einen Gleichspannungswandler der Akkuspannug angepasst. MPP-Laderegler erzielen Wirkungsgrade zwischen 90 und 95 %. Der Einsatz ist durch den höheren Eigenbedarf allerdings erst ab 200 W sinnvoll. Praktische Anwendung finden MPP-Laderegler aufgrund des höheren Anschaffungspreises allerdings meist erst ab einer Leistung von 1000 W.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 18): Blockschaltbild eines MPP Ladereglers Quelle: Skriptum Professor Torner Martin LECHNER 2015
- Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung des Moduls
- Maximalstrom der an die Verbraucher abgegeben werden kann (Schutz vor Tiefentladung)
- Lade- Entladeschlussspannung und Gasungsspannung des Akkus
- Ladekennlinie des Akkus
- Gleichbleibende oder wechselnde Temperatur (Möglichkeit zum Anschluss eines Temperaturfühlers)
Die gängigsten Anbieter von Ladereglern sind:
- Steca
- IBS
- Uhlmann
- Morningstar
- Studer
Akkumulatoren sind wiederaufladbare elektromechanische Energiespeicher. Beim Ladevorgang wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Beim Entladevorgang wird die chemische in elektrische Energie rückumgewandelt.
Aus der Vielzahl der am Markt angebotenen Akkumulatoren, welche im nachstehenden Kapitel aufgelistet sind, haben wir uns für einen Blei-Akkumulator entschieden. Wesentliche Unterscheidungsmöglichkeiten sind der Gehäuse- und Innenaufbau. Diese Unterscheidungsmerkmale nehmen Einfluss auf die Verwendbarkeit des Akkus. Die Unterscheidungsmerkmale sind unter 5.3 aufgelistet.
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