Die Versorgung unserer Industriegesellschaft mit elektrischer Energie ist einerseits unverzichtbar, bringt aber andererseits verschiedene Umwelt- und Sicherheitsprobleme mit sich. In diesem ersten Kapitel sehen wir uns daher die bisherige Energieversorgung an und lernen die erneuerbaren Energien als eine zukunftsfähige Alternative kennen. Gleichzeitig wird die Photovoltaik imSchnelldurchgang vorgestellt und ihre kurze aber erfolgreiche Geschichte betrachtet.
Grundlage allen Lebens auf der Erde ist die Strahlung der Sonne. Ebenso basiert die Nutzung der Photovoltaik auf dem Vorhandensein des Sonnenlichts. Wir wollen uns daher in diesem Kapitel die Eigenschaften und Möglichkeiten der Solarstrahlung ansehen.
Solarzellen bestehen typischerweise aus Halbleitern. Um zu verstehen, wie Solarzellen funktionieren, beschäftigen wir uns daher zunächst mit dem Aufbau und den Eigenschaften von Halbleitern. Daran schließt sich eine Betrachtung des pn-Übergangs und der optischen Eigenschaften von Halbleitern an.
Basis der photovoltaischen Stromerzeugung ist die Solarzelle. Daher wird sie in diesem Kapitel in ihrem Aufbau und ihrer Funktion detailliert betrachtet. Eine besondere Aufmerksamkeit legen wir in die Frage, wie ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird und stellen die bislang realisierten Rekord-Solarzellen vor.
Nachdem wir inzwischen Experten in der Funktionsweise von Solarzellen sind, sehen wir uns nun konkret an, wie Solarzellen aus kristallinem Silizium gefertigt werden. Danach werden wir weitere Zellen aus alternativen Materialien wie amorphem Silizium oder Galliumarsenid kennenlernen. Schließlich werden noch die ökologischen Aspekte der einzelnen Technologien betrachtet.
In diesem Kapitel lernen wir den Aufbau von Solargeneratoren kennen. Darunter versteht man die Zusammenschaltung von Solarmodulen in Reihen- und Parallelschaltung zu einer Gleichstromquelle. Zunächst werden die Eigenschaften von Solarmodulen behandelt und die Probleme, die bei der Verschaltung vonModulen entstehen können, gezeigt. Dann betrachten wir die speziellen Komponenten der Gleichstromtechnik und sehen uns schließlich verschiedene Aufbauvarianten von Photovoltaikanlagen an.
Inzwischen kennen wir uns mit der Energieerzeugungskette der Photovoltaik Solarstrahlung → Zelle → Modul → String → PV-Generator bestens aus. Nun geht es darum, wie die vom Generator zur Verfügung gestellte elektrische Energie möglichst vollständig für die Netzeinspeisung oder andere Verbraucher genutzt werden kann. Dazu betrachten wir zunächst die Möglichkeiten der Anpassung des PV-Generators an die vorhandene elektrische Last.
Die Frage der Speicherung von Strom ist inzwischen ein häufiges Thema auf Konferenzen, in Diskussionsrunden und in Kneipengesprächen. Bei einer vollständigen Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien werden Speicher unabdingbar sein. Dabei ist ein weites Spektrum an Speicherkapazitäten denkbar: Kleine Speicher im Privathaushalt zur Erhöhung des Eigenverbrauchs von Solarstrom, mittelgroße Speicher zur Stützung eines Ortsnetzes sowie große Speicher, umdie elektrische Energie über Tage,Wochen oder sogarMonate zwischenzuspeichern.
Vertrauen ist gut – Kontrolle ist besser. DieserWahlspruch gilt auch für die Photovoltaik. Daher werden in diesem Kapitel die wichtigsten Prinzipien zur Erfassung von Solarstrahlung und zur Leistungs- und Qualitätsanalyse von Photovoltaikanlagen vorgestellt.
In diesem Kapitel sehen wir uns die notwendigen Schritte zur Realisierung einer Photovoltaikanlage an. Angefangen bei der Standortwahl und Eignung des Daches über Ertragsschätzungen bis hin zur Komponentenauswahl und Anlageninstallation sollen die wesentlichen Aspekte betrachtet werden. Ein weiteres wichtiges Thema sind Wirtschaftlichkeitsberechnungen zu Photovoltaikanlagen. Schließlich lernenwirMethoden zurÜberwachung und zumMonitoring von Anlagen kennen und sehen uns Betriebsergebnisse von konkreten Anlagen an.
In diesem Kapitel wollen wir unsmit dermöglichen zukünftigen Entwicklung der Photovoltaik beschäftigen. Dazu sehen wir uns zunächst das technische Potential der Photovoltaik an und betrachten die bisherige Markt- und Preisentwicklung. Anschließend lernen wir die heutige Stromversorgungsstruktur und das Zusammenspiel der verschiedenen Kraftwerke kennen.
