Photovoltaik

Name: Photovoltaik | Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis
Brand: Hanser
Price: 34.99 EUR
Availability: OnlineOnly

Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis

Konrad Mertens(Autor*in)

Hanser (Verlag)

6. Auflage

Erschienen am 7. Juni 2022

412 Seiten

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978-3-446-47429-1 (ISBN)

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Beschreibung

Das Standardlehrbuch zu Photovoltaik!

Dieses Lehrbuch liefert Antworten auf die wichtigsten Fragen zur Photovoltaik-Technik. Es werden grundlegende physikalische und elektrotechnische Fragestellungen behandelt. Im Mittelpunkt stehen die Systemtechnik mit Informationen zur Zellen- und Modulverschaltung sowie die Netzintegration von Photovoltaikanlagen. Das Buch beschreibt die aktuellsten Messmethoden für Solarmodule und erläutert die technischen und wirtschaftlichen Entwicklungsperspektiven der photovoltaischen Stromerzeugung.

Zahlreiche anschauliche Beispiele verdeutlichen die Konzepte zum Aufbau von Photovoltaikanlagen und machen das Buch zu einer unentbehrlichen Lektüre für Studierende der Ingenieurwissenschaften sowie in der Praxis tätige Techniker:innen und Elektroniker:innen. Durch den didaktischen Aufbau eignet sich das Buch zum Selbststudium aber auch zum Nachschlagen und Wissen auffrischen, zahlreiche Übungsaufgaben vertiefen das Verständnis in die Technik weiter.

Schwerpunkte:
- Sonnenstrahlung
- Grundlagen der Halbleiterphysik
- Aufbau und Wirkungsweise der Solarzelle
- Zellentechnologien
- Solarmodule und Solargeneratoren
- Systemtechnik netzgekoppelter Anlagen
- Solarstrom und seine Speicherung
- Photovoltaische Messtechnik
- Planung und Betrieb von Photovoltaikanlagen
- Agrar-Photovoltaik und Soalrparks
- Photovoltaik und Elektroauto

Neu in der 6. Auflage:
- Agrar-Photovoltaik (z.B. die Kombination von Grünlandnutzung mit vertikal aufgestellten Solarmodulen) und Solarparks, die gleichzeitig ökologischen Nutzen für Tiere haben
- neue Module mit hohen Wirkungsgraden und Beschreibung der Tricks, wie man das hinbekommt
- Das Dreamteam Photovoltaik und Elektroauto

Parallel zum Buch finden Sie unter www.lehrbuch-photovoltaik.de und plus.hanser-fachbuch.de zusätzliche Informationen, Software sowie die Lösungen der Übungsaufgaben.

Rezensionen / Stimmen

"Dieses Lehrbuch liefert Antworten auf die wichtigsten Fragen zur Photovoltaik (PV-) Technik." BWK Energie, November 2023

"Antworten auf die wichtigsten Fragen zur Photovoltaik-Technik." tema, Januar 2023

"Das Lehrbuch 'Photovoltaik' beschäftigt sich mit den Grundlagen der Solarstromerzeugung einschließlich Wechselrichter, Anlagentypen, Planung, Betrieb und Qualitätskontrolle. [.] Neu in der 6. Auflage sind die Themen Agri-Photovoltaik (z.B. die Kombination von Grünlandnutzung mit vertikal aufgestellten Solarmodulen) und Solarparks, die gleichzeitig ökologischen Nutzen für Tiere haben, neue Module mit hohen Wirkungsgraden und Beschreibung der Tricks, wie man das hinbekommt sowie die Kombination von Photovoltaik und Elektroauto. Ein ausführlicher Index macht das Buch auch zum Nachschlagewerk für Menschen, die bereits eine Anlage haben und eventuell erweitern wollen." Hinrich Neumann, topagrar.com, 09.09.2022

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Inhalt

Intro
Vorwort
Vorwort zur sechsten Auf?lage
Inhalt
1 Einführung
1.1 Einleitung
1.1.1 Wozu Photovoltaik?
1.1.2 Für wen ist dieses Buch gedacht?
1.1.3 Aufbau des Buches
1.2 Was ist Energie?
1.2.1 Definition der Energie
1.2.2 Einheiten der Energie
1.2.3 Primär-, Sekundär- und Endenergie
1.2.4 Energieinhalte verschiedener Stoffe
1.3 Probleme der heutigen Energieversorgung
1.3.1 Wachsender Energiebedarf
1.3.2 Verknappung der Ressourcen
1.3.3 Klimawandel
1.3.4 Gefährdung und Entsorgung
1.4 Erneuerbare Energien
1.4.1 Die Familie der erneuerbaren Energien
1.4.2 Vor- und Nachteile von erneuerbaren Energien
1.4.3 Bisherige Entwicklung der erneuerbaren Energien
1.5 Photovoltaik - das Wichtigste in Kürze
1.5.1 Was bedeutet "Photovoltaik"?
1.5.2 Was sind Solarzellen und Solarmodule?
1.5.3 Wie ist eine typische Photovoltaikanlage aufgebaut?
1.5.4 Was "bringt" eine Photovoltaikanlage?
1.6 Geschichte der Photovoltaik
1.6.1 Wie alles begann
1.6.2 Die ersten echten Solarzellen
1.6.3 From Space to Earth
1.6.4 Vom Spielzeug zur Energiequelle
2 Strahlungsangebot der Sonne
2.1 Eigenschaften der Solarstrahlung
2.1.1 Solarkonstante
2.1.2 Spektrum der Sonne
2.1.3 Air Mass
2.2 Globalstrahlung
2.2.1 Entstehung der Globalstrahlung
2.2.2 Beiträge von Diffus- und Direktstrahlung
2.2.3 Globalstrahlungskarten
2.3 Berechnung des Sonnenstandes
2.3.1 Sonnendeklination
2.3.2 Berechnung der Bahn der Sonne
2.4 Strahlung auf geneigte Flächen
2.4.1 Strahlungsberechnung mit dem Dreikomponentenmodell
2.4.1.1 Direktstrahlung
2.4.1.2 Diffusstrahlung
2.4.1.3 Reflektierte Strahlung
2.4.2 Strahlungsabschätzung mit Diagrammen und Tabellen
2.4.3 Ertragsgewinn durch Nachführung
2.5 Strahlungsangebot und Weltenergieverbrauch
2.5.1 Der Solarstrahlungs-Energiewürfel
2.5.2 Das Sahara-Wunder
3 Grundlagen der Halbleiterphysik
3.1 Aufbau von Halbleitern
3.1.1 Bohrsches Atommodell
3.1.2 Periodensystem der Elemente
3.1.3 Aufbau des Siliziumkristalls
3.1.4 Verbindungshalbleiter
3.2 Bändermodell des Halbleiters
3.2.1 Entstehung von Energiebändern
3.2.2 Unterscheidung in Isolatoren, Halbleiter und Leiter
3.2.3 Eigenleitungsdichte
3.3 Ladungstransport in Halbleitern
3.3.1 Feldströme
3.3.2 Diffusionsströme
3.4 Dotierung von Halbleitern
3.4.1 n-Dotierung
3.4.2 p-Dotierung
3.5 Der pn-Übergang
3.5.1 Prinzipielle Wirkungsweise
3.5.2 Bänderdiagramm des pn-Übergangs
3.5.3 Verhalten bei angelegter Spannung
3.5.4 Dioden-Kennlinie
3.6 Wechselwirkung von Licht mit Halbleitern
3.6.1 Phänomen der Lichtabsorption
3.6.1.1 Absorptionskoeffizient
3.6.1.2 Direkte und indirekte Halbleiter
3.6.2 Lichtreflexion an Oberflächen
3.6.2.1 Reflexionsfaktor
3.6.2.2 Antireflexbeschichtung
4 Aufbau und Wirkungsweise der Solarzelle
4.1 Betrachtung der Photodiode
4.1.1 Aufbau und Kennlinie
4.1.2 Ersatzschaltbild
4.2 Funktionsweise der Solarzelle
4.2.1 Prinzipieller Aufbau
4.2.2 Rekombination und Diffusionslänge
4.2.3 Was passiert in den einzelnen Zellbereichen?
4.2.4 Back-Surface-Field
4.3 Photostrom
4.3.1 Absorptionswirkungsgrad
4.3.2 Quantenwirkungsgrad
4.3.3 Spektrale Empfindlichkeit
4.4 Kennlinie und Kenngrößen
4.4.1 Kurzschlussstrom IK
4.4.2 Leerlaufspannung UL
4.4.3 Maximum Power Point (MPP)
4.4.4 Füllfaktor FF
4.4.5 Wirkungsgrad
4.4.6 Temperaturabhängigkeit der Solarzelle
4.5 Elektrische Beschreibung realer Solarzellen
4.5.1 Vereinfachtes Modell
4.5.2 Standard-Modell (Ein-Dioden-Modell)
4.5.3 Zwei-Dioden-Modell
4.5.4 Bestimmung der Parameter des Ersatzschaltbildes
4.6 Betrachtungen zum Wirkungsgrad
4.6.1 Spektraler Wirkungsgrad
4.6.2 Theoretischer Wirkungsgrad
4.6.3 Verluste in der realen Solarzelle
4.6.3.1 Optische Verluste
4.6.3.2 Elektrische Verluste
4.7 Hocheffizienzzellen
4.7.1 Buried-Contact-Zelle
4.7.2 Punktkontakt-Zelle (IBC-Zelle)
4.7.3 PERL-, PERC- und TOPCon-Zelle
5 Zellentechnologien
5.1 Herstellung kristalliner Silizium-Zellen
5.1.1 Vom Sand zum Silizium
5.1.1.1 Herstellung von Polysilizium
5.1.1.2 Herstellung von monokristallinem Silizium
5.1.1.3 Herstellung von multikristallinem Silizium
5.1.1.4 Herstellung von quasimonokristallinem Silizum
5.1.2 Vom Silizium zum Wafer
5.1.2.1 Waferherstellung
5.1.2.2 Wafer aus Foliensilizium
5.1.3 Herstellung von Standard-Solarzellen
5.1.4 Herstellung von Solarmodulen
5.2 Zellen aus amorphem Silizium
5.2.1 Eigenschaften von amorphem Silizium
5.2.2 Herstellungsverfahren
5.2.3 Aufbau der pin-Zelle
5.2.4 Staebler-Wronski-Effekt
5.2.5 Stapelzellen
5.2.6 Kombizellen aus mikromorphem Material
5.2.7 Integrierte Serienverschaltung
5.3 Weitere Dünnschichtzellen
5.3.1 CIS-Zellen
5.3.2 Zellen aus Cadmium-Tellurid
5.4 Hybride Waferzellen
5.4.1 Kombination von c-Si und a-Si (HIT-Zelle)
5.4.2 Neue Zell- und Modulhersteller
5.4.2.1 Meyer Burger
5.4.2.2 Nexwafe
5.4.2.3 Heckert Solar
5.4.3 Stapelzellen aus III/V-Halbleitern
5.5 Sonstige Zellenkonzepte
5.5.1 Farbstoffsolarzelle
5.5.2 Organische Solarzelle
5.5.3 Perowskit-Solarzelle
5.6 Konzentratorsysteme
5.6.1 Prinzip der Strahlungsbündelung
5.6.2 Was bringt die Konzentration?
5.6.3 Beispiele von Konzentratorsystemen
5.6.4 Vor- und Nachteile von Konzentratorsystemen
5.7 Ökologische Fragestellungen zur Zellen- und Modulherstellung
5.7.1 Umweltauswirkungen bei Herstellung und Betrieb
5.7.1.1 Beispiel Cadmium-Tellurid
5.7.1.2 Beispiel Silizium
5.7.2 Verfügbarkeit der Materialien
5.7.2.1 Silizium
5.7.2.2 Cadmium-Tellurid
5.7.2.3 CIS
5.7.2.4 III/V-Halbleiter
5.7.3 Energierücklaufzeit und Erntefaktor
5.8 Zusammenfassung
6 Solarmodule und Solargeneratoren
6.1 Eigenschaften von Solarmodulen
6.1.1 Solarzellenkennlinie in allen vier Quadranten
6.1.2 Parallelschaltung von Zellen
6.1.3 Reihenschaltung von Zellen
6.1.4 Einsatz von Bypassdioden
6.1.4.1 Reduzierung von Verschattungsverlusten
6.1.4.2 Vermeidung von Hotspots
6.1.5 Typische Kennlinien von Solarmodulen
6.1.5.1 Variation der Bestrahlungsstärke
6.1.5.2 Temperaturverhalten
6.1.6 Halbzellenmodule
6.1.6.1 Betrachtung der Verlustleistung
6.1.6.2 Aufbau von Halbzellenmodulen
6.1.6.3 Verhalten bei Teilverschattungen
6.1.7 Sonderfall Dünnschichtmodule
6.1.8 Beispiele von Datenblattangaben
6.2 Verschaltung von Solarmodulen
6.2.1 Parallelschaltung von Strings
6.2.2 Was passiert bei Verkabelungsfehlern?
6.2.3 Verluste durch Mismatching
6.2.4 Schlaue Verschaltung bei Verschattung
6.3 Gleichstrom-Komponenten
6.3.1 Prinzipieller Anlagenaufbau
6.3.2 Gleichstromverkabelung
6.4 Anlagentypen
6.4.1 Freilandanlagen
6.4.2 Flachdachanlagen
6.4.3 Schrägdachanlagen
6.4.4 Fassadenanlagen
6.4.5 Schwimmende Anlagen
6.4.6 Agri-Photovoltaik
6.4.6.1 Kulturenschutzsysteme
6.4.6.2 Weitere Projekte und Technologien
6.4.6.3 Nutzung vertikaler bifacialer Agri-PV-Systeme
6.4.6.4 Installation einer Großanlage
6.4.6.5 Einsatz von bifacialen Solarzäunen
6.4.7 Photovoltaik-Kraftwerke außerhalb des Erneuerbare-Energien-Gesetzes
6.4.8 Vereinbarkeit von Ökonomie und Ökologie
7 Systemtechnik netzgekoppelter Anlagen
7.1 Solargenerator und Last
7.1.1 Widerstandslast
7.1.2 DC/DC-Wandler
7.1.2.1 Idee
7.1.2.2 Tiefsetzsteller
7.1.2.3 Hochsetzsteller
7.1.3 MPP-Tracker
7.2 Aufbau netzgekoppelter Anlagen
7.2.1 Einspeisevarianten
7.2.2 Anlagenkonzepte
7.3 Aufbau von Wechselrichtern
7.3.1 Aufgaben des Wechselrichters
7.3.2 Netzgeführte und selbstgeführte Wechselrichter
7.3.3 Trafoloser Wechselrichter
7.3.4 Wechselrichter mit Netztrafo
7.3.5 Wechselrichter mit HF-Trafo
7.3.6 Dreiphasige Einspeisung
7.3.7 Weitere schlaue Konzepte
7.4 Wirkungsgrad von Wechselrichtern
7.4.1 Umwandlungswirkungsgrad
7.4.2 Europäischer Wirkungsgrad
7.4.3 Gesamtwirkungsgrad
7.4.4 Schlaues MPP-Tracking
7.5 Dimensionierung von Wechselrichtern
7.5.1 Leistungsdimensionierung
7.5.2 Spannungsdimensionierung
7.5.3 Stromdimensionierung
7.6 Anforderungen der Netzbetreiber
7.6.1 Vermeidung von Inselbetrieb
7.6.2 Maximale Einspeiseleistung
7.6.3 Blindleistungsbereitstellung
7.7 Sicherheitsaspekte
7.7.1 Erdung des Generators und Blitzschutz
7.7.2 Brandschutz
8 Speicherung von Solarstrom
8.1 Prinzip der Solarstromspeicherung
8.2 Akkumulatoren
8.2.1 Blei-Säure-Batterie
8.2.1.1 Prinzip und Aufbau
8.2.1.2 Typen von Bleiakkus
8.2.1.3 Akkukapazität
8.2.1.4 Spannungsverlauf
8.2.1.5 Fazit
8.2.2 Laderegler
8.2.2.1 Serienregler
8.2.2.2 Shuntregler
8.2.2.3 MPP-Laderegler
8.2.2.4 Produktbeispiele
8.2.3 Lithium-Ionen-Batterie
8.2.3.1 Prinzip und Aufbau
8.2.3.2 Reaktionen beim Lade- und Entladevorgang
8.2.3.3 Materialkombinationen und Zellspannung
8.2.3.4 Sicherheitsaspekte
8.2.3.5 Ladeverfahren
8.2.3.6 Bauformen
8.2.3.7 Lebensdauer
8.2.3.8 Einsatzbereiche
8.2.3.9 Fazit
8.2.4 Natrium-Schwefel-Batterie
8.2.4.1 Prinzip und Aufbau
8.2.4.2 Besonderheiten der Hochtemperatur-Batterie
8.2.4.3 Natrium-Schwefel-Batterien in der Praxis
8.2.4.4 Fazit
8.2.5 Redox-Flow-Batterie
8.2.5.1 Prinzip und Aufbau
8.2.5.2 Verhalten im praktischen Einsatz
8.2.5.3 Fortschritte bei Redox-Flow-Batterien
8.2.5.4 Konkrete Anwendungen
8.2.5.5 Fazit
8.2.6 Vergleich der verschiedenen Batterietypen
8.3 Speichereinsatz zur Erhöhung des Eigenverbrauchs
8.3.1 Eigenverbrauch in Privathaushalten
8.3.1.1 Lösung ohne Speicher
8.3.1.2 Lösung mit Speicher
8.3.1.3 Beispiele von Speichersystemen
8.3.1.4 Was kostet die Speicherung einer Kilowattstunde?
8.3.1.5 Das Smart Home
8.3.2 Eigenverbrauch in Gewerbebetrieben
8.3.2.1 Beispiel Produktionsbetrieb
8.3.2.2 Beispiel Krankenhaus
8.4 Speichereinsatz aus Sicht des Netzes
8.4.1 Peak-Shaving durch Speicher
8.4.2 Marktanreizprogramm für Solarspeicher
8.5 Das Dream-Team Photovoltaik und Elektroauto
8.5.1 Vergleich der Wirkungsgrade
8.5.2 Aktuelle Situation
8.5.3 Die Tücken der Ladetechnik
8.5.4 Visualisierung des Ladezustands
8.5.5 Elektroauto als Stromspeicher?
8.6 Inselsysteme
8.6.1 Prinzipieller Aufbau
8.6.2 Beispiele von Inselsystemen
8.6.2.1 Solar Home Systems
8.6.2.2 Hybridsysteme
8.6.3 Dimensionierung von Inselanlagen
8.6.3.1 Erfassung des Stromverbrauchs
8.6.3.2 Dimensionierung des PV-Generators
8.6.3.3 Auswahl des Akkus
9 Photovoltaische Messtechnik
9.1 Messung solarer Strahlung
9.1.1 Globalstrahlungssensoren
9.1.1.1 Pyranometer
9.1.1.2 Strahlungssensoren aus Solarzellen
9.1.2 Messung von Direkt- und Diffusstrahlung
9.2 Leistungsmessung von Solarmodulen
9.2.1 Aufbau eines Solarmodul-Leistungsprüfstands
9.2.2 Güteklassen von Modulflashern
9.2.3 Bestimmung der Modulparameter
9.3 Peakleistungsmessung vor Ort
9.3.1 Prinzip der Peakleistungsmessung
9.3.2 Möglichkeiten und Grenzen des Messprinzips
9.4 Thermographie-Messtechnik
9.4.1 Prinzip der Infrarot-Temperaturmessung
9.4.2 Hell-Thermographie von Solarmodulen
9.4.3 Dunkel-Thermographie
9.5 Elektrolumineszenz-Messtechnik
9.5.1 Messprinzip
9.5.2 Beispiele von Aufnahmen
9.5.3 LowCost-Outdoor-Elektrolumineszenz-Untersuchungen
9.6 Untersuchungen zur spannungsinduzierten Degradation (PID)
9.6.1 Erklärung des PID-Effektes
9.6.2 Prüfung von Modulen auf PID
9.6.3 EL-Untersuchungen zu PID
9.7 String-Dunkelkennlinien-Technik
9.7.1 Motivation
9.7.2 Messmethode
9.7.3 Detektion von PID
9.7.4 Detektion von defekten Bypassdioden und Zellverbindern
9.7.5 Fazit
10 Planung und Betrieb netzgekoppelter Anlagen
10.1 Planung und Dimensionierung
10.1.1 Standortwahl
10.1.2 Verschattungen
10.1.2.1 Verschattungsanalyse
10.1.2.2 Nahverschattungen
10.1.2.3 Eigenverschattungen
10.1.2.4 Optimierte Stringverschaltung
10.1.3 Anlagendimensionierung mit Simulationsprogrammen
10.1.3.1 Wechselrichter-Auslegungstools
10.1.3.2 Simulationsprogramme für Photovoltaikanlagen
10.2 Wirtschaftlichkeit von Photovoltaikanlagen
10.2.1 Das Erneuerbare-Energien-Gesetz
10.2.2 Renditeberechnung
10.2.2.1 Eingangsgrößen
10.2.2.2 Amortisationszeit
10.2.2.3 Objektrendite
10.2.2.4 Renditeerhöhung durch Eigenverbrauch des Solarstroms
10.2.2.5 Weitere Einflussgrößen
10.3 Überwachung, Monitoring und Visualisierung
10.3.1 Methoden zur Anlagenüberwachung
10.3.2 Monitoring von PV-Anlagen
10.3.2.1 Spezifische Erträge
10.3.2.2 Verluste
10.3.2.3 Performance Ratio
10.3.2.4 Konkrete Maßnahmen zum Monitoring
10.3.3 Visualisierung
10.4 Betriebsergebnisse von konkreten Anlagen
10.4.1 Schrägdachanlage aus dem Jahre 1996
10.4.2 Schrägdachanlage aus dem Jahre 2002
10.4.3 Flachdachanlage aus dem Jahre 2008
11 Zukünftige Entwicklung
11.1 Potential der Photovoltaik
11.1.1 Theoretisches Potential
11.1.2 Technisch nutzbare Strahlungsenergie
11.1.3 Technisches Stromerzeugungspotential
11.1.4 Photovoltaik versus Biomasse
11.2 Effiziente Förderinstrumente
11.3 Preis- und Vergütungsentwicklung
11.3.1 Preisentwicklung von Solarmodulen
11.3.2 Entwicklung der Einspeisevergütung
11.4 Erneuerbare Energien im heutigen Stromversorgungssystem
11.4.1 Struktur der Stromerzeugung
11.4.2 Kraftwerksarten und Regelenergie
11.4.3 Zusammenspiel aus Sonne und Wind
11.4.4 Exemplarische Stromproduktionsverläufe
11.5 Überlegungen zur zukünftigen Energieversorgung
11.5.1 Betrachtung unterschiedlicher Zukunftsszenarien
11.5.2 Optionen zur Speicherung von elektrischer Energie
11.5.2.1 Pumpspeicherwerke
11.5.2.2 Druckluftspeicher
11.5.2.3 Batteriespeicherung
11.5.2.4 Nutzung der Elektromobilität für das Stromnetz
11.5.2.5 Wasserstoff als Speicher
11.5.2.6 Power-to-Gas: Methanisierung
11.5.3 Alternativen zur Speicherung
11.5.3.1 Aktives Lastmanagement durch Smart Grids
11.5.3.2 Ausbau des Stromnetzes
11.5.3.3 Begrenzung der Einspeiseleistung
11.5.3.4 Einsatz flexibler Kraftwerke
11.6 Fazit
12 Übungsaufgaben
13 Anhang
13.1 Einfluss von Ausrichtung und Neigung auf die Jahresstrahlungssumme an verschiedenen Standorten
13.1.1 Standort Hamburg
13.1.2 Standort München
13.1.3 Standort Bern
13.1.4 Standort Marseille
13.1.5 Standort Kairo
13.2 Checkliste zu Planung, Installation und Betrieb einer Photovoltaikanlage
13.3 Im Buch verwendete Abkürzungen
13.4 Physikalische Konstanten/Materialparameter
Literatur
Index

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