Evaluierung eines Photovoltaikkraftwerks von der Beratung des Kunden bis zur Endmontage- und Inbetriebnahme vor Ort

Diplomarbeit von Patrick Molitor

Einleitung:

Die Sonne ist der beherrschende Himmelskörper in unserem Planetensystem, zu dessen Gesamtmasse sie mit einem Anteil von 99,9% beiträgt. Sämtliche freiwerdende Energie stammt aus einer als „Kern“ bezeichneten Zone, wo rund 50% der Sonnenmasse konzentriert sind, obwohl dieser Kern nur 1,6% des Sonnenvolumens ausmacht. Der Bevölkerung der Erde steht mehr umweltschonende Energie zur Verfügung als sie jemals benötigen wird. Durch die Photovoltaik kann diese unerschöpfliche Energie genutzt werden.

Sogar in Deutschland gibt es genug Sonnenstunden für die Nutzung der Photovoltaik, denn pro Quadratmeter erhalten wir durchschnittlich 50 Prozent der Strahlungsintensität, die auf die Sahara trifft. Selbst bei bedecktem Himmel liefert eine Photovoltaikanlage einen prozentualen Anteil Strom. Allein aus regenerativen Energien könnte der gesamte Strombedarf in Deutschland gedeckt werden. Sogar der Branchenumsatz hat sich in den vergangenen 8 Jahren um mehr als das 49-Fache gesteigert.

Die Photovoltaik wandelt die Sonnenenergie ohne mechanische, chemische oder thermische Zwischenschritte in Strom um und steht damit für den Inbegriff der umweltfreundlichen Energieversorgung. Es entstehen weder Schadstoffe (Emissionen) noch Lärm. Im Vergleich zu dem üblichen Strommix in Deutschland aus Atomenergie, Kohle, Gas und Wasser spart photovoltaisch erzeugter Strom 585 Gramm CO2-Emissionen pro Kilowattstunde ein. Die heutigen Photovoltaikanlagen sind mittlerweile zu ausgereiften Hightech-Produkten geworden und setzen sich in Deutschland, sowie weltweit immer stärker durch.

Sie bestehen zudem aus Materialien wie: Aluminium für die Rahmen, Glas für die Moduloberflächen und Sand für die Siliziumsolarzellen, die in großen Mengen zu Verfügung stehen und recycelt werden können. Der Trend geht aber mittlerweile zu dünnen Solarmodulen (Dünnschichttechnik), die auch PV-Plates genannt werden. Die Photovoltaik ist mittlerweile in jeder Stadt, auf Dächern von Eigenheimen und Unternehmen sowie öffentlichen Gebäuden zum Trend geworden, da die Photovoltaikbranche nach wie vor boomt. Diese vielen Pluspunkte sprechen für die Photovoltaik, die die nötigen Antworten auf die Folgen der weltweiten Klimaerwärmung liefert und den Solarstrom zum Energielieferant der Zukunft machen.

Trotz alledem werden jährlich durch das Pyromane Energiesystem ca. 36 Mrd. Tonnen Kohlendioxid in die Atmosphäre verfeuert, was aufgrund der Umweltbelastung und der daraus entstehenden Klimaänderung der Planet nicht mehr lange aushalten wird. Bei allen Problemen, die in der Zukunft von Menschen zu lösen sein werden, wird die zunehmende Umweltbelastung stets weiterhin an vorderster Reihe beteiligt sein. Denn ändert sich das Energieverhalten der Menschen nicht, wird es zu spät sein!

Der heutige Stand der Energieversorgung wird nun nicht mehr nur in zwei Kategorien eingeteilt, sondern mittlerweile in drei. Unter den bekannten ersten beiden Kategorien befinden sich die fossilen Energieträger wie Kohle, Öl und Gas, sowie die nuklearen Energieträger Uran, Thorium mit den dazugehörigen Umwandlungstechnologien. Den regenerativen Energiequellen wird ab dem 21. Jahrhundert immer mehr Aufmerksamkeit gewidmet, da die Akzeptanz der Kernenergie und anderer Umwelt schädigenden Technologien nicht mehr so große Beachtung geschenkt wird.

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die physikalischen Grundstrukturen der Photovoltaik vorgestellt und die Entwicklung dieser Technologie seit ihrer Entdeckung beschrieben. Bei diesem Praxisprojekt wird die übliche Problematik und die Wirtschaftlichkeit mit einem Einblick in die Zukunft herausgestellt. Dabei soll das Interesse des Lesers nicht nur bei Studenten der ingenieur- und naturwissenschaftlichen Fachrichtung Anklang finden, sondern allen Interessierten als Nachschlagewerk dienen.

Die Aufgabenstellung dieser Arbeit bestand in der Projektdurchführung und Entwicklung eines Photovoltaik-Anlagen Anwenderleitfadens für die Firma und der Projektierung der Prozessablaufkette bis zur Endmontage- und Inbetriebnahme eines netzgekoppelten PV-Kraftwerks.

Die Arbeit konnte dabei auf spezielle Fachkenntnisse aus Literatur, persönlicher Weiterbildung und Firmenfachwissen aufgebaut werden. Das Hauptaugenmerk sollte dabei auf dieses sehr zukunftsträchtige Thema gelenkt werden, um das technische Verständnis zu fördern und ein Bewusstsein für die Energie und deren effizienten Umgang zu entwickeln.

Zur Veranschaulichung der Nutzbarkeit dieser alternativen Stromquelle wird die komplette Planung bis zur Endmontage eines eigenen kleinen Solarkraftwerks zur Netzeinspeisung erläutert.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 2.1.1, Die Sonnenstrahlung:

Die Strahlung der Sonne beträgt oberhalb der Erdatmosphäre durchschnittlich 1365 W/m2. Davon erreichen die Atmosphäre wegen der Kugelgestalt der Erde und der Sonnen-Abgewandten Nachtseite jeweils einer Erdhälfte aber nur 342 W/m2.

Unter Sonnenstrahlung versteht man physikalisch einen Fluss von elektromagnetischen Wellen mit einer Energie von 8 J/ (cm2 x min.) bzw. 1,35 kW/m2 (Solarkonstante). Das Strahlungsspektrum beträgt: 10-16 m bis 106 m Wellenlänge. Das Spektrum wird unterteilt in ionisierende Strahlung, optische Strahlung und Hochfrequenzstrahlung. Die Strahlung wird verursacht durch die Reaktion von Wasserstoffatomkernen (Protonen) zu Heliumatomkernen (Kernfusion) mit über 14 Millionen °C im Kern der Sonne. Im SI-System ist die Energieeinheit das Joule (1J = 1Nm) und der Strahlungsfluss wird in der Einheit J/s m² angegeben, was gleichbedeutend der Einheit W/m² ist. In älteren Lehrbüchern ist als Einheit die cal gebräuchlich.

Die Strahlung, die die Erde erreicht, stammt aus einem äußeren Bereich der Sonne, wo die Temperatur an der Sonnenoberfläche nur noch ca. 5000-6000 °C beträgt. Die höchste Strahlungsintensität und damit den Hauptanteil der Energie liefert der Bereich des sichtbaren Lichts von 380-750 nm Wellenlänge (violett bis rot) mit ca. 50 %, gefolgt von der Infrarot-Strahlung von 750 nm - 24 µm (nah bis weit) und der UV-Strahlung von 10-380 nm (extrem weit bis nah).

Sowohl der Ultraviolettanteil (UV-C und UV-B) als auch der mittlere Infrarotanteil liefern mit je ca. 1% nur einen geringen Energiebeitrag (bezogen auf Meeresspiegelhöhe). Die Intensität der Sonneneinstrahlung auf eine horizontale Fläche ist abhängig von der auftreffenden Sonnenstrahlung und der Sonnenhöhe. Die auf die Erde treffende Sonnenstrahlung rührt aus der Temperatur der Sonnenoberfläche her. Hier die Bezeichnungen einzelner Wellenlängenbereiche des Sonnenspektrums. Die solare Einstrahlung auf die Erde liefert im Jahr über 219.000 Billionen kWh Energie. Das ist 2500 mal mehr, als die gesamte Weltbevölkerung verbraucht. In Deutschland beträgt die durchschnittliche Globalstrahlung etwa 1.075 kWh/m²a, was etwa 50% der Strahlungsintensität entspricht, die auf die Sahara trifft. Dazwischen, im Süden Spaniens und in Nordafrika, liegt der Wert bei 1.750 kWh/m².

Außerhalb der Erdatmosphäre ist die Intensität der Sonnenstrahlung abhängig vom Abstand zwischen Erde und Sonne. Dieser Abstand beträgt ca. 150 Mio. km (= 1 AE oder 8,3 Lichtminuten). Dadurch dass der Abstand der Sonne zu Erde variiert, verändert sich die Bestrahlungsstärke zwischen 1325 W/m² und 1412 W/m². Der Mittelwert wird als Solarkonstante bezeichnet.

Auf der Erdoberfläche wird diese Bestrahlungsstärke nicht erreicht, da beim Durchgang durch die Atmosphäre die Solar-Strahlung durch Reflexion und Absorption (Luftmoleküle, Staubteilchen oder Verunreinigungen der Luft reduzieren durch Streuung ebenfalls die Sonneneinstrahlung) eine Abschwächung erfährt, die unter dem Begriff Extinktion zusammengefasst wird.

Bei schönem Wetter wird an der Erdoberfläche in der Mittagszeit eine Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² erreicht. Dieser Wert ist unabhängig vom Standort. Durch Reflexionen an vorbeiziehendenden Wolken können an locker bewölkten Tagen die höchsten Einstrahlungsspitzen auftreten. Diese können bis zu 1400 W/m² betragen. Summiert man den Energiegehalt der Sonneneinstrahlung über ein Jahr, so erhält man die jährliche Globalstrahlung in kWh/m². Dieser Wert ist regional, je nach der Entfernung zum Äquator und dem Sonnenabstand, sehr variabel.