Fachschule für Technik und Wirtschaft Am Beruflichen Schulzentrum Weißwasser FR Elektrotechnik

Herr

Roald Naundorf

Thema der Techniker- Abschlussarbeit (Projektarbeit)

„Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage mit netzgekoppeltem Betrieb“

• Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips • Einschätzung des Photovoltaik-Entwicklungsstandes und der Technologien • Beschreibung der Problematik: Nachführung von Photovoltaikanlagen • Konzipierung des Aufbaus und Dimensionierung einer Photovoltaik- Anlage für ein Einfamilienhaus

Abgabetermin: 2001-05-15

ii

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis   iii

Verzeichnis  der Abkürzungen  v

Kurzreferat   vi

Literaturverzeichnis.   vii

1  Einleitung.  1

2  Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips  2

2.1  PV-Anlagen, Strom aus Sonnenlicht  2

2.1.1  Warum Sonnenstrom?  2

2.1.2  Überblick  3

2.1.3  Inselsysteme  4

2.1.4  Netzgekoppelte Systeme 2  6

2.2  Sonnenstrahlung  9

2.2.1  Verteilung der Sonnenstrahlung  9

2.2.2  Sonnenstand und Einstrahlung auf Photovoltaikanlagen  10

2.3  Photovoltaischer Effekt 3 , 4  12

2.3.1  Funktionsprinzip einer Solarzelle.  12

2.3.2  Aufbau einer Solarzelle  13

3  Herstellungstechnologien und Entwicklungsstand der Photovoltaik 1 , 4  14

3.1  Einteilung der Zellarten.  14

3.1.1  Zellarten  14

3.1.2  Kristalline Zellen  14

3.1.3  Dünnschichtzellen  15

3.2  Elektrische Eigenschaften und Betriebsverhalten von Solarzellen  17

3.2.1  Ersatzschaltbilder von Solarzellen.  17

3.2.2  Solarzellenkennlinien  20

3.2.3  Elektrische Beschreibung von PV-Modulen.  21

4  Problematik der Nachführung von Photovoltaikanlagen  24

4.1  Warum Photovoltaikanlagen nachführen?  24

4.2  Einsatzgebiete und Grenzen für Nachführsysteme  25

5  Planung und Auslegung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage für ein  

Einfamilienhaus   26

5.1  Anlagengröße und Modulauswahl  26

5.2  Wechselrichterdimensionierung.  27

iii

5.4  Netzeinspeisung  34

5.5  Erdung und Überspannungsschutz  35

6  Wirtschaftlichkeit.  36

6.1  Ertragsabschätzung.  36

6.2  Ertragsberechnung ohne Kapitalverzinsung.  38

6.3  Ertragsberechnung mit Kapitalverzinsung  39

7  Zusammenfassung  40

iv

Verzeichnis der Abkürzungen

a-Silizium amorphes Silizium DIN Deutsches Institut für Normung EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz ENS Einrichtung zur Netzüberwachung mit jeweils

zugeordnetem Schaltorgan in Reihe EVU Energieversorgungsunternehmen FF Füllfaktor FZ-Verfahren Float-Zone-Verfahren IEC International Electrotechnical Commission MPP Punkt maximaler Leistung (Maximum Power Point) PV Photovoltaik STC Standard-Test-Bedingungen (Standard-Test-Condition) TAB Technische Anschlussbedingungen TÜV Technischer Überwachungsverein UVV Unfallverhütungsvorschrift VDE Verband Deutscher Elektrotechniker W p Spitzenleistung unter vorgegebenen Bedingungen (Watt-peak)

v

Kurzreferat

Naundorf, Roald

Dimensionierung einer Photovoltaik-Anlage mit netzgekoppeltem

Betrieb

_________________________________________________________

Techniker-Abschlussarbeit (Projektarbeit) Weißwasser

Fachschule am Beruflichen Schulzentrum Weißwasser 2001

41 Seiten; 25 Bilder; 1 Tabelle; 8 Literaturen; 4 Anlagen

Ziel der Projektarbeit war die Erarbeitung und Projektierung einer Solarstromanlage mit einer Gesamtleis-

tung von 4400 W p . Diese Anlage ist für die nachträgliche Montage auf dem Satteldach eines Einfamilienhau-

ses geplant, welches eine gute Standortausrichtung zur Sonne hat. Um die Photovoltaik besser verstehen zu

können wurden die Grundlagen und Funktion von Solarzellen mitbehandelt.

Ergebnis dieser Projektarbeit:

• die Grundlagenvermittlung über Aufbau, Funktion und Wirkungsweise von Solarzellen.

• Grundlagen der Sonneneinstrahlung mit Schattenanalyse

• 4,4 kW p -Solarstromprojekt für ein Einfamilienhaus

• wirtschaftliche Betrachtungen

Roald Naundorf

vi

Literaturverzeichnis

Bücher:

[1] - Haselhuhn, R., Berger, F.: Photovoltaische Anlagen. Berlin: Geisel Druck, 2000

[2] -Lauterbach, F.: Solarstromanlagen zur Netzeinspeisung Berlin: Verlag Technik, 1999

[3] -Brösicke, W.: Sonnenenergie: Wissen-Planen-Gewinnen. Berlin: Verlag Technik, 2000

[4] -Quaschning, V.: Regenerative Energiesysteme: Technologie-Berechnung-Simulation. München; Wien: Hanser-Verlag, 1999

[5] -Dugge, K. W.;Eißner, A.: Grundlagen der Elektronik. Würzburg: Vogel-Verlag, 1997

Internetquellen:

[6] http://www.stadtklima.de

[7] Simulationssoftware ILSE http://emsolar.ee.tu-berlin.de

[8] Simulationssoftware SUNDI http://emsolar.ee.tu-berlin.de

vii

1 Einleitung

Photovoltaik wird die Basis für eine neue Energiewirtschaft, umweltgerecht und weltumspannend. Photovoltaik ist eine junge Technik und hat das große Potential sich durchzusetzen. Die Anwendungsbreite ist riesig, jedoch beträgt ihr Anteil an der hiesigen Stromerzeugung unter einem Prozent.

Elektrizität direkt aus dem Sonnenlicht zu gewinnen, wobei keine Schadstoffe entstehen, keine umständliche Aufbereitung notwendig ist und auch kein Lärm entsteht, ist für viele Menschen faszinierend.

Von den Menschen selbst wird es abhängen, ob eines Tages der Übergang zur solaren Weltwirtschaft geschafft wird und ob es gelingt die Energiequelle „Sonne“ in globalem Stil anzuzapfen, die die Erde seit Milliarden von Jahren mit Energie zum Nulltarif versorgt. Nur ein geringer Teil ihrer gesamten Strahlung fällt auf unsere Erde, aber immer noch 10000 mal mehr Energie als wir verbrauchen.

Photovoltaik ist eine Möglichkeit Energie zu gewinnen, die nicht umweltschädlich ist. Sie nutzt eine Energiequelle, die für menschliche Verhältnisse unendlich lange zur Verfügung steht. Um sie müssen keine Kriege geführt werden und sie verursacht keine Umweltkatastrophen.

Viele unserer ökologischen Probleme sind Folgen der bisherigen Energieversorgung. Das Waldsterben durch Schwefeldioxid, Klimaveränderungen durch Kohlendioxid, Radioaktivität aus Atomkraftwerken, Meeresverschmutzung durch Tankerunfälle u.s.w. sind Folgen einer einseitigen und durch Lobbyismus beherrschten Energiewirtschaft. Der begrenzte und immer knapper werdende Bestand an fossilen Ressourcen wie Kohle, Erdöl und Erdgas zwingt nun auch diese Energiewirtschaft zum Umdenken. So werden sämtliche, von den Menschen zugänglichen Vorkommen an fossilen Energieträgern bereits im 21.Jahrhundert aufgebraucht und lediglich die Kohlevorräte noch über einen etwas längeren Zeitraum verfügbar sein. Somit werden wenige Generationen sämtliche fossilen Vorräte der letzten Jahrmillionen vollständig ausgebeutet haben [4]. Die Sonne als natürliche Energiequelle bietet uns Alternativen zur konventionellen Ener-gieversorgung. Photovoltaik, die direkte Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht, ist eine der Alternativen. Sie ist eine bereits heute ausgereifte Technologie. Allerdings wird die Photovoltaik alleine das Energieproblem der Zukunft nicht lösen können. Es muss ein gesunder Mix aus allen regenerativen Energien (Solar, Wind, Wasser, Biomasse, Erdwärme, Brennstoffzellen, u.s.w.) entwickelt und gemeinsam genutzt werden.

1

2 Darstellung der Funktionsweise des Photovoltaikprinzips

2.1 PV-Anlagen, Strom aus Sonnenlicht

2.1.1 Warum Sonnenstrom?

Der französische Physiker Alexander E. Becquerel entdeckte im Jahr 1839, dass zwischen zwei Platinelektroden in elektrolytischer Lösung eine Spannung auftritt, wenn eine der Elektroden beleuchtet und die andere abgedunkelt wird. Eine solche Zellanordnung liefert einen Strom, der mit der Beleuchtungsstärke proportional ansteigt. Die wissenschaftliche Erklärung dieser genialen Erfindung gelang Albert Einstein im Jahr 1905. An eine technische Anwendung des Effektes war, durch den sehr geringen Wirkungsgrad (≈ 1%), in jenen Jahren noch nicht zu denken.

Die Einführung in die Praxis wurde erst viele Jahre später in den Bell Laboratorien in den USA in Angriff genommen. Dort wurde 1954 die erste Siliziumsolarzelle mit einem Wirkungsgrad von ca. 5% entwickelt und gebaut. Hintergrund war die Idee, Satelliten im Weltraum mit Energie zu versorgen.

Die Sonne ist eine im menschlichen Maßstab unerschöpfliche Energiequelle. Sie strahlt jährlich mehr als die 10000-fache Menge des benötigten Weltenergiebedarfes als Strahlungsenergie auf die Erde. Wenn also nur ein zehntausendstel dieser Sonnenenergie genutzt würde, könnte der gesamte Energiebedarf der Menschheit gedeckt werden. Unmittelbar nutzbar wird diese Energie jedoch erst, wenn sie in technischen Anlagen umgewandelt wird z.B. der Photovoltaik.

Photovoltaik ist die eleganteste Art der Stromerzeugung. Sie geschieht lautlos, ohne mechanisch bewegte Teile, wartungsarm und ohne Abgabe von Schadstoffen an die Umwelt.

2

Bild 2.1: Jährliche Sonnenenergieeinstrahlung

auf die Erde im Vergleich zum Welt-energieverbrauch und den Ressourcen

fossiler und atomarer Energieträger.

[Daten: Bundesministerium für Wirtschaft BMWi]

2.1.2 Überblick

Photovoltaische Anlagensysteme können in Inselsysteme und netzgekoppelte Systeme eingeteilt werden. Bei Inselsystemen (autarke Solaranlagen) wird der Energieertrag der PV-Anlage mit dem Energiebedarf der Verbraucheranlage abgestimmt und/oder in Akku-mulatoren gespeichert. Auch die Ergänzung durch zusätzliche

Energiequellen (Hybridsysteme) wird genutzt. Hierbei werden mehrere erneuerbare Energiequellen (wie PV - Wind - Wasser) parallel geschaltet, die sich dann gegenseitig ersetzen können.

3