Photovoltaik

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Author:
Anonymous
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65571
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Photovoltaik
Updated:
2011-02-10 20:55:16
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  1. 1. Photovoltaikelemente können zur dezentralen Energieversorgungnetzunabhängig oder netzgekoppelt eingesetzt werden. Skizzieren / Beschreiben sie typisches netzunabhängiges System zur photovoltaischen Stromversorgung(wozu werden derartige Systeme verwendet)?
    • Werden hauptsächlich in entlegenen Gebieten ohne Stromnetz-Infrastrukturverwendet. Zum Beispiel für Berghütten oder in Entwicklungsländern für Telekommunikation, Wasserversorgung, Anschluss an Medien.
  2. 2. Definieren sie die Begriffe Leitungsband und Valenzband.
    • Valenzband:
    • • Das Valenzband auch VB ist das oberste vollständig gefüllte Energieband
    • Leitungsband:
    • • Das Leitungsband auch LB ist das nächsthöhere Energieband, dass entweder teilweise gefüllt oder vollständig leer ist
  3. 3. Was verstehen Sie unter dem Begriff „Bandlücke“ im Zusammenhang mit PVSystemen?
    • • Bandlücke auch bezeichnet als „band gap“ oder „verboteneZone“ (VZ)
    • • Die Bandlücke eines Halbleiters bezeichnet den energetischen Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband
    • • Sie bestimmt das Absorptionsverhalten eines Halbleiters
  4. Was versteht man dem Begriff Dotierung (p- und n-Dotierung) eines Halbleiters?
    • • Elektronendichte n = p Löcherdichte
    • n = P
    • • Elektronen und Löcher treten immer paarweise auf

    Bei der Herstellung von Solarzellen wird das Halbleitermaterial, meist Siliziumdotiert. Das heißt es werden gezielt Fremdatome ins Siliziumgitter eingebracht.So entsteht einmal ein positiver Ladungdträgerüberschuss also eine p leitendeSchicht oder ein negativer Ladungsüberschuss also eine n leitende Schicht.
  5. 5. Erläutern Sie am Beispiel des 4-wertigen Siliziums die p-Dotierung mit 3-wertigem Bor.
    • • Bei der p-Dotierung wird ein Atom der III. Gruppe wie Bor mit nur 3 Valenzelektronen ins Siliziumgitter eingebaut
    • • Da Bor nur 3 Valenzelektronen fehlt nun im „4er“ Siliziumgitter einElektron
    • • Es entsteht ein Loch als Störstelle
    • • Durch eine geringe Energiezufuhr kann das Loch „gelöst“ werden und „frei wandern“
  6. 6. Erläutern Sie am Beispiel des 4-wertigen Siliziums die n-Dotierung mit 5-wertigem Phosphor.
    • • Bei der n-Dotierung wird ein Atom der V. Gruppe wie Phosphor mit 5 Valenzelektronen ins Siliziumgitter eingebaut
    • • Dabei kann das fünfte Elektron keine Elektronenpaarbindungeingehen
    • • Diese Elektronen sind sehr locker gebunden und können im Vergleich zu einem fest gebundenem Elektron durch sehr geringe Energiezufuhr vom Atom getrennt werden
    • • Es steht dann als freies Elektron zur Verfügung
  7. 7. Was ist die Raumladungszone beim p-n Übergang und welche Funktion hat sie?
    • • Der p-n Übergang ist die Kontaktfläche von n- und p- dotiertem Halbleitern
    • • Der Überschuss an freien Elektronen im n-Halbleiter und der Überschuss an freien Löchern im p-Halbleiter führt dazu das Elektronen vom „n-Gebiet“ ins „p-Gebiet“ und die Löcher vom „p-Gebiet“ ins „n-Gebiet“ diffundieren
    • • An der Übergang entsteht ein Gebiet mit weniger freienLadungsträgern
    • • Wo Elektronen ins p-Gebiet wandern, bleiben positive ionisierteDotieratome zurück
    •  es entsteht eine positive Raumladungszone
    • • Wo Löcher ins n-Gebiet wandern, bleiben negative ionisierteDotieratome zurück
    •  es entsteht eine negative Raumladungszone
  8. 8. Was versteht man unter dem Begriff „Rekombination“?
    • • Die Rekombination ist wenn ein ins Leitungsband angeregtes Elektron wieder relaxiert
    • • D.h unter Abgabe eines Photons / Phonons (Gitterschwingung) ins Valensband „zurückfällt“
    • • Man spricht von strahlender / strahlungsloser Rekombination
  9. 9. Wie groß ist typischerweise die Spannung in der Raumladungszone?
    • Die Diffusionsspannung oder auch die Spannung in der Raumladungszone beträgt typsicherweise 0,73V
  10. 10. Zeichnen Sie schematisch den Aufbau einer Solarzelle mit den wesentlichen Bauelementen.
  11. 11. Zeichnen Sie schematisch den Verlauf der Kennlinie einer Solarzelle (Zellstromin Abhängigkeit von Zellspannung).
  12. 12. Was versteht man unter den Begriffen Füllfaktor, Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom?
    • • Leerlaufspannung: Die Leerlaufspannung ist die ele. Spannung(einer Solarzelle, eines Moduls, etc.), wenn zwischen beiden Polenkein Strom fließt, also ein unbelasteter Zustand vor liegt
    • • Kurzschlussstrom: Der Kurzschlussstrom fließt, wenn eine nahe zuwiderstandslose Verbindung der beiden Pole einer Spannungsquellebesteht. Bei der Solarzelle / einem Modul ist der Kurzschlussstromder größtmögliche Strom der erzeugt werden kann
    • • Füllfaktor: Der Füllfaktor dient als Qualitätskriterium fürSolarzellen. Er ist ein Quotient aus der maximalen Leistung amMaximumPowerPoint und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom.
  13. 13. Was ist der Maximum Power Point?
    • • Ist der Punkt, bei der eine Solarzelle die maximale Leistung miteiner bestimmten Spannung entnommen werden kann
    • • Die blaue Strom-Spannungs-Kennlinie hat am MPP ihr Maximum /Extremstelle
    • • Durch MPP-Tracking kann dieser Punkt bei jedem Betriebszustand gefunden und eingestellt werden
  14. 14. In welcher Größenordnung liegt der Wirkungsgrad einer monokristallinen Silizium-Solarzelle?
    • • Wirkungsgrad = η
    • • Durchschnittlich um die 20%o
    • Labor, max η Zelle  24,7%o
    • Serie, max η Zelle  22%o
    • Serie, max η Modul  19,3%
  15. 15. Welchen Einfluss hat die Umgebungstemperatur auf den Zellwirkungsgrad?
    • • Bei steigender Temperatur nimmt der Wirkungsgrad stark ab
    •  Gründe dafür:
    • • Durch den Anstieg der Temperatur steigt der Sättigungsstrom wodurch die Leerlaufspannung abnimmt
    • • Mit steigender Temp. steigt derKurzschlussstromm, dieser steigt aber langsamer als die Leerlaufspannung abnimmt
    • • Bei Solarzellen aus Silizium liegt der Temperaturkoeffizient bei cirka -0,4% pro °C, bei einem Temperaturanstieg von angenommen25°C sinkt die Leistung um 10%
  16. 16. Solarzellen können in das Dach integriert oder aufgeständert bzw. freihinterlüftet montiert werden. Bei welcher Installationsform ist – bei sonst identischen Randbedingungen – mit den höchsten Systemwirkungsgraden zurechnen und warum?
    • • Die freihinterlüftet montierten Module werden den höchsten Systemnutzungsgrad erreichen
    • • Erstens können frei hinterlüftete Module besser in der Neigung an die einstrahlende Sonne angepasst werden
    • • Zudem werden die Temperaturen durch die freie Hinterlüftung so niedrig wie möglich gehalten werden
  17. 17. Verläuft die Wirkungsgradminderung bei einer Solarzelle proportional zum Anteil der abgeschatteten Modulfläche oder anders?
    • • Durch die Zellabschattung reduziert sich die Modulleistungdrastisch
    • • Wenn beispielsweise bei einem Modul mit in reihe geschaltetenZellen insgesamt nur etwas 2% der Modulfläche abgedeckt sind,wird die maximale Leistung des Moduls um 70% reduziert
    • • Dies liegt daran, dass die abgeschatteten und teilabgeschatteten Zellen als Verbraucher betrieben werden
    • • Dabei kann die maximale elektrische Verlustleistung einer Zelle,dessen Kurzschlussstrom sein
    •  Dadurch wird die Zelle stark erwärmt und kann sogarzerstört werden
  18. 18. Was geschieht wenn man Solarzellen in Reihe zu einem Modul verschaltet mit Strom und Spannung des Moduls im Vergleich mit Strom und Spannung der Einzelzelle?
    • • Bei der Reihenschaltung von n Solarzellen ist der Strom I durch alle Zellen i identisch:Iges = I1 = I2 = I3 =...= In
    • • Die einzelnen Zellspannungen Ui addieren sich zur ModulspannungU:Uges = n * Ui= U1+U2+U3+...=Un
    • • Im Vergleich zum Strom und Spannung einer Einzelzelle bedeutet das:
    • o Das gesamte Modul besitzt die gleiche Stromstärke I wie eine Einzelzelle
    • o Jedoch besitzt das Modul eine höhere Spannung, je nach Anzahl der Einzelzellen, da sich bei der Reihenschaltung die einzelnen Zellspannungen addieren
    • o Die Einzelzelle hat dagegen nur die „1 fache“ Spannung
  19. 19. Was geschieht wenn man Solarzellen parallel zu einem Modul verschaltet mit Strom und Spannung des Moduls im Vergleich mit Strom und Spannung der Einzelzelle?
    • • Bei der Parallelschaltung von n Solarzellen liegt an allen Zellen die gleiche Spannung U an:Uges = U1 = U2 = U3 =...= Un
    • • Die Zellströme Ii addieren sich zum Gesamtstrom I:Iges = n * Ii= I1+I2+I3+...=In
    • • Im Vergleich zum Strom und Spannung einer Einzelzelle bedeutet das:
    • o Das gesamte Modul besitzt die gleiche Spannung U wie die Einzelzelle
    • o Jedoch besitz das Modul eine höhere Stromsträke, je nach Anzahl der Einzelzellen, da sich bei der Parallelschaltung dieeinzelnen Zellströme addieren
    • o Die Einzelzelle hat dagegen nur die „1 fache“ Spannung
  20. 20. Welche Aufgabe hat ein Wechselrichter in einer PV-Anlage?
    • • Wechselrichter oder auch Inverter, die in PV-Anlagen verwendet werden, wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um
    • • Die Solarzellem produzieren Gleichstrom, die meisten Geräte im Haushalt werden jedoch mit Wechselstrom betrieben
    • • Auch bei der Netzeinspeisung muss der Gleichstrom umgewandelt werden
  21. 21. Können beliebige Wechselrichter in ein PV-System eingebaut werden oder muss auf bestimmte Kenngrößen geachtet werden?
    • • In der Photovoltaik arbeiten Wechselrichter nur selten im Nennbetrieb bei ihrer Nennleistung
    • • Durch die wechselnden solare Bestrahlung läuft der Wechselrichteroft nur im Teillastbereich, weshalb sein Wirkungsgrad auch beiniedrigen Leistungen hohe Werte erreichen sollte
    • • Er sollte auch nicht zu groß dimensioniert sein, da bei ständigen Teillastbetrieb größere Verluste zu erwarten sind
    • • Zudem sollte der Wechselrichter einen minimalen Eigenverbrauchbesitzen
    • • Um das Teillastverhalten zu verbessern, verwendet man zunehmend das Master-Slave-Prinzip:
    • Dabei werden mehrere kleine Wechselrichter zu einem großen zusammengeschaltet, z.B drei Einheiten zu einem Zentralwechselrichter
    •  Zuerst speist nur ein Wechselrichter, der schon bei einem Drittel der Gesamtleistung unter Volllast arbeitet
    •  Bei höheren Leistungen des PV-Generators werden nacheinander die übrigen Einheiten dazu geschalten
    •  Dadurch arbeiten die einzelnen Wechselrichter stets an ihrem Optimum und der gesamte Wechselrichter erreicht einen hohen Wirkungsgrad
    •  Bei hohen Teilabschattungsverhältnissen sind Modulwechselrichter optimal, dabei werden goße Stränge entkoppelt und kleine Einheiten mit eigenem Modulwechselrichter versehen
  22. 22. Welche Kosten entstehen überschlägig bei der Installation einer PV-Anlage mit einer 2kW-peak-Leistung?
    • • Der Preis liegt bei etwa 3200€ pro kWp
    • • Etwa alle 10 Jahre ein neuer Wechselrichter für 800€
  23. 23. Welchen Vergütungssatz sieht das aktuelle EEG für Solarstrom von Anlagen vor,die im Jahr 2009 in Betrieb gehen?
  24. 24. Wie ändern sich diese Sätze im Verlauf der kommenden Jahre?
    • • Der Bonus für den Bau von Fassadenanlagen fällt weg
    • • Die jährliche Degression der Solarstromvergütung steigt von 5%auf 8% Abnahme pro Jahr
  25. 25. Welchen Anteil hat die photovoltaische Stromerzeugung aktuell an der Stromversorgung der BRD?
    • • Der aktuelle Anteil liegt bei etwa 1% im Jahr 2009

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