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Vorlesung Technischer Ausbau
Thema
Photovoltaik
Physikalische Grundlagen; PrinzipSonnenernte; solare DeckungsrateAnlagenkonzeptionenBeispiele
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Vorlesung Technischer Ausbau
ThemaPhotovoltaikPhysikalische Grundlagen; PrinzipSonnenernte; solare DeckungsrateAnlagenkonzeptionenBeispiele
Quelle:www.bp-solar.de
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Quelle: BINE InformationsblattAusgabe Nr. 12/November 95
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Physikalische Grundlagen
Solarkonstante am äußeren Rand der Erdatmosphäre 1353 W/m2Air Mass (AM) :extraterrestische Energie durch luftleeren Raum AM = 0am Äquator reduzierte Strahlung AM = 1in unseren Breiten reduziert durch Staub etc. AM = 1,5
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Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Seine einfachste Verbindung ist das Siliziumdioxid (SiO2), auch als Quarzsand bekannt. Silizium ist der wichtigste Grundstoff der Halbleitertechnik. Aus ihm werden Computermikrochips, Transistoren und 99 Prozent aller Solarzellen hergestellt. Um Halbleitersilizium zu erhalten, muss dem Siliziumdioxid der Sauerstoff entzogen werden. Das so gewonnene Rohsilizium muss durch aufwendige Prozesse gereinigt werden, um den erforderlichen extrem hohen Reinheitsgrad zu erreichen. Aus der Schmelze dieses Materials werden entweder Blöcke gegossen oder säulenförmige Kristalle gezogen. Mittels einer Drahtsäge werden die Siliziumsäulen in sehr dünne Scheiben geschnitten. Diese Siliziumscheiben werden auch Wafer genannt und bilden die Grundlage für die Herstellung von Solarzellen.
Herstellung von Solarzellen
Quelle:www.shell-solar.de
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Prinzip der Fotovoltaik:
Lichtteilchen auf Halbleitermaterial (kristalline Siliziumstrukturen)welches in der Lage ist, Elektronen freizugeben. Elektronen werdenaus Gefüge gelockert und können sich frei bewegen. Durch dasRichten des Elektronenflusses der Solarzellen entseht Stromkreis
Anderes Modell: Wellenmodell; Energieinhalt der auftreffendenStrahlung nach Wellenbereich unterschiedlich. Je größer Frequenzdesto höher, der Energieinhalt. Durch Auftreffen der Strahlungwerden die Amplituden der der Kristallschwingungen erhöht.Kurzwellige Strahlung wird in langwellige erhöht. DieTemperatur steigt. Die gewonnene Wärme wird an einenModerator weitergeleitet.
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Quelle: Zeitschrift Ministerium fürBauen und Wohnen NRW
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Die Leistung von Fotovoltaikelementenwird in
Wp (Watt peak)
angegeben. Das ist die Leistung, die bei Testbedingungenmit 1000 W/m2 und 25 GRD C ermittelt wird.
Achtung: Leistungsangaben sind immer auf diesen Zustandbezogen!
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Typen von SolarzellenEs gibt inzwischen mehrere Typen von Solarzellen.
Monokristalline Silicium-Solarzellen
•Herstellung:Mit Hilfe des Czochralski-Verfahren wird eingeschmolzenes Silicium zu einem stabförmigen Einkristall gezogen und danach in Scheiben gesägt.
•Kennzeichen:Monokristalline Silicium-Solarzellen erkennt man an ihrer gleichmäßigen, glatten Oberfläche sowie gebrochenen Ecken.
•Wirkungsgrad:Labor : 23,3 % Praxis : 15 - 18,5 %
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•Multikristalline Silicium-Solarzellen
•Herstellung:Geschmolzenes Silizium wir in Blöcke gegossen, dabei wird die Einkristallbildung unterbunden. Aus dem grobkörnig erstarrtemSilicium werden Scheiben gesägt.
•Kennzeichen:Multikristalline Silicium-Solarzellen besitzen eine unregelmäßige Oberfläche, auf der deutlich die Kristalle mit einem Durchmesser von einigen Millimetern bis Zentimetern zu erkennen sind.
•Wirkungsgrad:Labor : 17,8 % Praxis : 12 - 14 %
Typen von Solarzellen (Fortsetzung )
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•Amorphe Silicium-Solarzellen
•Herstellung:Silizium wird aus der Gasphase auf einen Träger (zumeist Glas) als dünne Schicht aufgebracht.
•Kennzeichen:Eine Kristallstruktur ist hier nicht zu erkennen. Amorphes Silicium besteht aus ungeordneten Silizium-Atomen.
•Wirkungsgrad:Labor: 11,5 % Praxis: 5 - 8 %
Typen von Solarzellen (Fortsetzung )
Quelle:www.bi-invest.de
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Prinzipdarstellung einer netzgekoppelten Photovoltaikanlage
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Photovoltaik Anlagen können netzgekoppelt, alleine oderin Verbindung mit Stromgeneratoren betrieben werden.
Eine Pufferung in Batterien ist möglich, bei größerenLeistungen wegen unzureichender Batteriekapazitäteneingeschränkt.
Beispiel:Gel Batterien 85 Ah....185Ah (204 Euro...580 Euro/Stück)entspricht 1,02 kWh...2,2 kWh)Bei 55 kWh Durchschnittsverbrauch einer Wohnung je Tagmüssten 54 Batterien je 85 Ah bei energieautarkemBetrieb vorhanden sein (bei Blei Batterien doppelt sovielewegen Tiefenentladung!
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Quelle: Technische InformationWagner&Co
Netzparallel betriebene Anlage mit PV
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Geeignete Flächen in der Gebäudehülle
DachintegrationBei der Integration einer Photovoltaikanlage in ein Gebäude gilt die erste Überlegung den geeigneten Flächen. Prinzipiell kommt hierfür jede Fläche in Frage, die einer direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. In der Praxis haben sich einige Bereiche der Gebäudehülle als besonders geeignet erwiesen. Im Dachbereich gilt dies vor allem für das Schrägdach, welchesidealerweise als südorientiertes Pultdach ausgebildet wird. Zu beachten ist hierbei, daßDachgauben oder Installationen, die die Dachhaut durchdringen, ertragsmindernde Verschattungen hervorrufen können. Bei geringer Dachneigung sind auch nichtopimal orientierte Dachflächen
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Bei der Planung einer Photovoltaik-Anlage ist die Ausrichtung der gewählten Gebäudeflächen in besonderem Maße zu berücksichtigen. Wenngleich auch die Planungskriterien bei gebäudeintegrierten Anlagen nicht rein ertragsorientiert sein müssen, so ist es dennoch unabdingbar, die besonderen Anforderungen dieser elektrotechnischen Bauteile zu berücksichtigen. In erster Linie gilt dies für die Ausrichtung der Modulfläche, die mit Südorientierung und einer Neigung von ca. 35° gegen die Horizontale in Mitteleuropa über das Jahr betrachtet die maximalen Solarerträge ermöglicht. Dennoch hat man als Planer bei der Ausrichtung des Gebäudes einen großen Spielraum: Abweichungen von süd-ostbis süd-west ziehen lediglich geringe Ertragseinbußen nach sich. Bei der Wahl des Neigungswinkels hat man mit südlicher Orientierung selbst bei vertikalem Einbau noch fast 3/4 der Einstrahlung gegenüber einer optimalen Ausrichtung
Ertragsbeeinflussende Planungsfaktoren
Ausrichtung
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Fassadenintegration
Ein beträchtliches Potential an geeigneten Flächen stellen die Gebäude-Fassaden dar. Diese vertikalen Flächen sind zwar nicht ideal ausgerichtet,sodaß eine solche Anordnungeintrahlungsbedingt mit Ertragseinbußen verbunden ist, jedoch wird dieser Nachteil durch die Übernahme zusätzlicher Fassaden-Funktionen ausgeglichen. Die vielfältigen konstruktiven Möglichkeiten bei Photovoltaikmodulen ermöglichen es, daß nahezu alle Funktionen einer Fassade übernommen werden können. In erster Linie bietet sich für die Anbringung von Photovoltaik-Modulen eine vollflächige, hinterlüftete Kaltfassade mit südlicher Orientierung an. Bei entsprechender Planung mit gezielter Abluftführung kann die Modultemperatur niedrig gehalten, und die
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Hinterlüftung
Neben der Ausrichtung und möglicher Abschattung der Module hat der elektrische Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage einen entscheidenden Einfluss auf den Ertrag. Dieser nimmt mit zunehmender Erwärmung der Solarzellen ab. Der Planer hat darauf über die Wahl der konstruktiven Einbindung großen Einfluss. Eine ausreichende Hinterlüftung sollte durch entsprechende Planung gewährleistet sein, zumindest aber mit den anderen bautechnischen und gestalterischen Entscheidungskriterien abgewogen werden. Quelle www.agns.de
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VerschattungsfreiheitEntscheidend für den Ertrag einer Photovoltaikanlage ist nach der Orientierung die Verschattungsfreiheit der Generatorfläche. Hierbei gilt für Photovoltaik-anlagen die Besonderheit, dass aus oben angeführten Gründen bereits geringe Abschattungen von Modulen eine große Ertragseinbuße nach sich ziehen können. Oberstes Ziel sollte es daher sein, die Modulfläche so zu planen, dass sie im Tagesverlauf -zumindest über das Sommerhalbjahr -verschattungsfrei bleibt. Besonderes Augenmerk gilt hierbei der Analyse der umgebenden Bebauung. Auch Bepflanzungen können - eventuell erst zu einem späteren Zeitpunkt -Verschattungssituationen hervorrufen. Dies gilt besonders für neu entworfene Grünanlagen, die oftmals von externen Planern gestaltet werden. Genaue Vorgaben zur Sicherstellung der Verschattungsfreiheit sind daher ratsam. Auch eine mögliche Selbstverschattung des Gebäudes sollte untersucht weden. Dies kann sowohl durch die Gebäudegeometrie selbst hervorgerufen werden, als auch über Kostruktionen im Detail: Tiefe Abdeckleisten, abgehängte Elemente
Quelle www.agns.de
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Quelle: Zeitschrift Ministerium fürBauen und Wohnen NRW
40 kWp – Photovoltaik – Anlage in Verbindung mit einer thermischen Solaranlage auf dem Dach eins Wirtschaftgebäudes in Köln
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
Beispiele: Solar Fassaden
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
Fortbildungsakademie Herne
Auf diese Weise werden 375.000 kg CO2 pro Jahr eingespartAuf diese Weise werden 375.000 kg CO2 pro Jahr eingespart
Eine neue Dimension im Bereich der
Photovoltaikintegration
Eine neue Dimension im Bereich der
Photovoltaikintegration 1 Megawatt Solarzellenleistung1 Megawatt Solarzellenleistung
2904 Solarmodule ins Dach integriert2904 Solarmodule ins Dach integriert280 Solarmodule in die Fassade integriert280 Solarmodule in die Fassade integriert
Das Gebäude produziert jährlich ca.
750.000 kWh Strom
Das Gebäude produziert jährlich ca.
750.000 kWh Strom
Das entspricht dem dreifachen des EnergieeigenbedarfsDas entspricht dem dreifachen des Energieeigenbedarfs
Quelle: Pilkington CDPhotovoltaik-Integration in Gebäuden
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Quelle:: Zeitschrift PilkingtonSolar International
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Die Bauphase
April 98April 98März 98März 98
Mai 98Mai 98Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
August 98August 98
Das gesamte Tragwerk besteht aus Holz
Das gesamte Tragwerk besteht aus HolzQuelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
..Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Die gesamte Dachfläche beträgt über 12.000m2
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Der Rohbau der Bücherei unter der Dachkonstruktion
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Es wurden fünf unterschiedliche
semitransparente Elemente eingesetzt
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
Arbeiten auf einem Megawatt...
Arbeiten auf einem Megawatt...
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Die Größe der Module beträgt bis zu 3,2 m2
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Bundeswirtschaftsministeriums
Berlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kW, geneigte WarmfassadeBerlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kW, geneigte Warmfassade Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Das Dach des Ministeriums
Berlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kW, geneigte WarmfassadeBerlin, Bundeswirtschaftsministerium, 100 kW, geneigte Warmfassade Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Berlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kW, geneigte DachintegrationBerlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kW, geneigte Dachintegration Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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40 kW Solar Generator
40 kW Solar Generator
Berlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kW, geneigte DachintegrationBerlin, Reichstagsgebäude, 36.7 kW, geneigte Dachintegration Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
Gelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kW, farbige Fassadenelemente im BrüstungsbereichGelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kW, farbige Fassadenelemente im Brüstungsbereich
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
Gelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kW, farbige Fassadenelemente im BrüstungsbereichGelsenkirchen, Peiniger Bürogebäude, 21.0 kW, farbige Fassadenelemente im Brüstungsbereich
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
Verschattete InnenansichtVerschattete Innenansicht Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Konstanz, Stadtwerke, 63 kW, variable, geneigte Solarelemente zur Verschattung Konstanz, Stadtwerke, 63 kW, variable, geneigte Solarelemente zur Verschattung
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
…auf semitransparenten begehbaren Modulen.…auf semitransparenten begehbaren Modulen.
InnenansichtInnenansichtQuelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Quelle: Thyssen-SolartecInformationsblätter
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Quelle: Thyssen-SolartecInformationsblätter
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Quelle: Thyssen-SolartecInformationsblätter
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Quelle: sunways AGInformationsblätter
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Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Aufdachkonstruktion einer
PV - Anlage zur Verschattung
Konstanz, Stadtwerke, 63 kW, variable, geneigte Solarelemente zur Verschattung Konstanz, Stadtwerke, 63 kW, variable, geneigte Solarelemente zur Verschattung
Quelle: Pilkington CD
Photovoltaik-Integration in Gebäuden
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Maximale Strahlungsleistung
auf senkrecht bestrahlter Flächeca. 1 kW/m²
Strahlungsleistung bei sehr dichter Bewölkung
ca. 0,02 kW/m²
Leistungsbereich der diffusenStrahlung bei bewölktem Himmel mit
vollständig verdeckter Sonne
0,02 - 0,25 kW/m²
Jährliche Einstrahlungauf horizontale
bzw. 45° nach Süden geneigte Fläche
900 - 1.200 kWh/m² a
Maximalwert der täglichenEinstrahlung
(sehr klares Sommerwetter)
ca. 8 kWh/m² d
Minimalwert der täglichenEinstrahlung
(sehr trübes Wetter)
ca. 0,1 kWh/m² d
Mittelwert der täglichen Einstrahlungan den 100 besten Sonnentagen des
Jahres
ca. 5,5 kWh/m² d
Einstrahlung an den 100ungünstigsten Tagen des Jahres
kleiner als 1 kWh/m² d
Jährliche Sonnenscheindauer 1.300 - 1.900 h/a
SonnenscheindauerApril bis September(Sommerhalbjahr)
1.000 - 1.400 h
SonnenscheindauerOktober bis März(Winterhalbjahr)
300 - 500 h
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Quelle: Technische InformationWagner&Co
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Quelle: Technische InformationWagner&Co
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•Witterungsschutz •Sonnenschutz •Wärmedämmung •Schallschutz •Sichtschutz/Lichtlenkung •Ästhetische Qualität
Saint-Gobain Glas Solar, Aachen
GSSColt International, Kleve
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Durch Bohrungspunkt gehaltenSolon AG, Berlin
Punktuelle KlammerungGötz Fassaden, Würzburg
Geklebtes SystemWicona, Ulm
Einfache KlemmleistenBP-Solarex, Hamburg
Pfosten/Riegel-SystemSchüco International, Bielefeld
Über Rahmen verschraubtSiemens Solar, München
Konstruktive Integration
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Auslegung von Fotovoltaik Anlagen erfolgt
nach der Leistungsbilanz
nach der Stromverbrauchsstruktur
nach der möglichen Stromernte
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München
Hamburg
Berlin
Schwerin
Magdeburg
DresdenErfurt
Saarbrücken
Bremen
Düsseldorf
HannoverWettringen
Stuttgart
Kiel
DurchschnittlicheSonnenscheindauerin Stunden pro JahrWiesbaden
Mainz
Potsdam
Karte der Sonneneinstrahlung
1300- 14001400- 15001500- 16001600- 17001700- 18001800- 1900
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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Quelle: d-extraktGrundlagen und Beispiele fürdie Solare Nutzung von Dachflächen 97
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In dem angegebenen Umgebungstemperatur- bereich von 0 ... 40°C erreichen PV-Elemente die maximale Einspeiseleistung.Bei höheren Umgebungstemperaturen bis 60°C reduziert sich die Ausgangsleistung entsprechend der folgenden Grafik: (Quelle:www.Siemens-photovoltaik.de)
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Hersteller Typ Bezeichnung Abmessung
L x BLeistun
gWp
Bemerkung
Shell-Solar multikristallin S 115 1.220 x 850 113 W rahmenlos /Rahmen
Shell-Solar multikristallin S 100 1.220 x 850 98 W auch rahmenlos mit Laminat erh.
Shell-Solar multikristallin S 105 1.220 x 850 103 W
Shell-Solar multikristallin S 75 1.220 x 527 75 W
BP-Solar monokristallin BP 5170 1.593 x 790 170 W Alum.-Rahmen
BP-Solar mulitkristallin BP 3160 1.587 x 764 160 W
BP-Solar monokristallin BP 2140 1.595 x 755 140 W
BP-Solar monokristallin BP 585 F 1.188 x 508 80 W Saturn-Mod. 17 % …
BP-Solar multikristallin BP MSX 120 1.188 x 991 120 W
BP-Solar Dünnschicht BP 980 1.557 x 639 80 W
BP-Solar polykristallin BP 275 537 x 1.209 75 W R = 15 %
BP-Solar Dünnschicht MST 43 MW 666 x 1.129 43 W R = 5,5 %
Viessmann polykristallin Vitovolt 300 2.385 x 1.138
320 W R = 12 %
Siemens Solar SP 140 1.619 x 814 140 W
Würth Solergy monokristallin WE 104 1.285 x 645 103 W R = 14,4 %