Solartechnik/ Photovoltaik

Photovoltaik

Geschichte
-1839 Alexandre Edmond Becquerel widmet sich dem Problem der 
 Funkenbildung,wenn Licht auf bestimmte Materialien trifft
-er setzte 2 Elektroden in leitende Loesung; Lichteinstrahlung 
 auf eine;Ergebnis: minimale Spannung >>direkte Umwandlung Licht
 in Strom
-40 Jahre spaeter: Forscher Willough Smith bemerkt Zunahme der 
 Leitfaehigkeit Selens bei Lichteinstr. (ca. um das 1000-fache) 
-er entwickelte vor ca. 100 Jahren erste Selensolarzelle; 
 Wirkunggsgrad 1%
-theor. Konzept d. Photovoltaik 1905 von A. Einstein entwickelt
-man wusste bis dahin noch nicht, warum 100W Lichtenergie 1W 
 Strom erzeugt
-Einstein: Licht besteht nicht nur aus Wellenstruktur, sondern 
 ist auch Strom von Photonen (Photonen:Energieteilchen;Photodiode:
 Durch Lichteinstr. hoehere Paarbildung(Elektron+Loch) in 
 Sperrschicht >> mehr Strom fliesst);
 Photon auf Oberflaeche bestimmter Metalle >>Elektron wird 
 herausgetrennt >>Stromfluss wird ermoeglicht
-bestes Metall ist durch ideale Struktur Silicium (durch 4 Valenz-
 (Bindungs-)elektronen; Si zweithaeufigster Stoff auf der Erde); 
 bemerkt von Nils Bohr, da untersch. Struktur von Metallen 
 Leitfaehigkeit beeintraechtigt
-1957 Forscher (Pearson,Faller,Chapin) entwickeln Siliziumzelle 
 (8% Wirkung)
-Anwendung in Mikroprozessoren,Raumfahrt (Stromversorgung von 
 Satelliten),Taschenrechner,Uhren,Motoren
Die Photovoltaik ist die beste Moeglichkeit aus Licht Strom zu 
erzeugen,da weder Turbinen noch bewegliche Teile zur 
Waermeuebertragung gebraucht werden. Der Strom wird direkt erzeugt.
Vorteile-Nachteile
Vorteile
-direkte Stromerzeugung
-wenig Teile >> wartungsarm
-bei guter Sonneneinstrahlung guter Wirkungsgrad
-Umweltschonend
-Stromerzeugung auch bei bedecktem Himmel
-kein Verbrauch von Rohstoffen zur Stromerzeugung
Nachteile
-teuer
-wenig rentabel 
-viel Platz noetig, um viel Strom zu erzeugen
-Nutzungsgrad stark von klimatischen Verhaeltnissen abhaengig
 Sonneneinstrahlung/Jahr in:Mitteleuropa - 1000kWh/qm 
                            Suedeuropa   - 1400kWh/qm
                            Zentralafrika- 2200kWh/qm 
                            
Stromerzeugung per Photovoltaik
-weltweit 25 groessere photovoltaische Kraftwerke
-groesstes in Carissa Plains (Kalifornien); versorgt 2300 
 Haushalte;bebaut von Tochtergeselltschaft Siemens's; 6,5Megawatt 
 Strom auch bei bedecktem Himmel; nur ein Techniker, der Sicherung 
 auswechselt, auf gesamter Anlage
-300kW Kraftwerk auf Nordseeinsel Pellworm; Wirk. ca 4%; 
 Pilotprojekt der EG;versorgt Zentrum der Insel mit 300000kWh/Jahr; 
 Baukosten 11Mill.DM
Bestandteile einer Photovoltaik-Anlage
-Grundsaetzlich: Solarzelle,Batterie,Stromkabel,Wechselrichter 
 (Gleich- in Wechselstrom) zum flexibleren Gebrauch, Kontrollgeraet 
 um nicht zu ueberladen oder tiefentladen, eventl. Notstromgenerator
-Konzentratoren:Lichtbuendlung durch Spiegel (funktioniert nur bei 
 dir. Lichteinstr.) >> weniger Solarzellen noetig >> billigere 
 Kraftwerke; nur ein Solarmodul auf einem Turm ueber Spiegeln noetig 
 >> Photovoltaiisches-Turmkraftwerk.;Spiegelflaeche v. 25-30qm=1kW; 
 Verfahren nur in der Wueste sinnvoll; besser ist die Module per 
 Computer der Sonneneinstr. anzupassen 
Die Solarzelle
-Aufbau wie Photodiode 
-Elektronen in p-Schicht >> n-Schicht pos., p-Schicht neg. >> 
 Spannung zw. p- und n-Schicht durch Beruehrung beider Schichten
 (Kontaktspannung) jedoch kein Strom bei Verbindung mit Leiter
-Strom fliesst erst bei mehreren Kontakten des Leiters, da sich die
 Kontaktspannungen gegenseitig aufheben
-bei mehreren Kontakten werden die Elektronen in die n-Schicht 
 getrieben und Loecher in die p-Schicht >> Sperrschicht wird 
 kleiner >> Strom fliesst
-Solarzelle erzeugt Gleichstrom der durch Regeler in Wechselstrom 
 fuer Haushaltsgeraete umgewandelt wird
-1 Quadratmeter bis zu 150W Leistung; Lebensdauer ca. 30 Jahre
-Verkapselung von ca 50 Zellen - photovoltaisches Modul
-Herstellung:
  Werkstoff: Silizium, da gute Struktur, hohes Vorkommen, 
             ungiftig, langlebig,stabil
 -aufwendiges Reinigungsverfahren, um benoetigtes 100% reines 
  Silizium zu erhalten (Silizium meist als Siliziumoxid in der 
  Natur;Verbrennung ->Silizium+Kohlenmonoxid entsteht;Silizium 
  98% rein)
 -Silizium in Folien zw. Glasscheiben und im Vakuum mit dem Glas 
  verbacken (zum Schutz vor Umwelteinfluessen)
 -ueberzug mit Titanoxid um Reflexion des Sonnenlichts zu vermeiden 
  (Si reflektiert ca. 30%)
 -insgesamt sehr teures Verfahren
Arten von Solarzellen
-Kristalline Si-Zellen
 -regulaere Kristallstruktur;langlebig,wartungsfrei,zuverlaessig
 -Monokristalline Si-Zellen: bestehen aus nur einem Kristall; 
  Kristall bei konstant 1400Grad gezuechtet;1qm braucht 2200kWh 
  Energie d.h. erst nach 10 Jahren Energieeinsparung; Wirkungsgrad 
  hoch (11-14%); keine Zukunft durch teure Herstellung; erste 
  Generation v. Solarzellen
 -Polykristalline Si-Zellen: weniger Energie u. Zeit fuer 
  Herstellung; fruehere Abkuehlung >>keine absultute Reinheit der 
  Kristalle >>weniger Leistung;Anwendung u.a. in Taschenrechnern
-Amorphe Si-Zellen
 -erst in den letzten Jahren entwickelt
 -unregelmaessige Struktur >>mehr Lichtaufnahme (ca 50-fache);
  zukunftstraechtige Technik, da hoehere Leistung bei kl. Preis
 -Duennschichtzellen:ziegelbraune Farbe; niedriger Wirkungsgrad 
  (max. 10%); kurze Lebensdauer; billigere Herstellung; 
  nur 0.3-1.0 Mikrometer dick (kristalline Zellen 500 Mikrometer); 
  Japan fuehrend in Produktion vor USA;beim Europaeischen 
  Forschungsprogramm Eureka sind dtsch. Forscher Weltspitze
-Hoechster bisher erreichter Wirkungsgrad bei Galliumarsenid-Tandemzellen mit 37%.

Jens Koopmann