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Physik
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Solarenergietechnik

Solarenergie, die direkte Nutzung der Sonnenenergie, ist eine zukunftsweisende Technik mit hohem Erfolgspotential geworden. Die Vorteile der leisen Energiegewinnung ohne Abgase stehen heute noch hinter dem großen Platzbedarf, den hohen Investitionskosten und der Wetterabhängigkeit zurück, werden in den nächsten Jahren jedoch soweit verbessert werden, dass Solarenergie für jeden nutzbar wird.

Sonnenwärmekraftwerk:

Im Sonnenwärmekraftwerk werden die Sonnenstrahlen von 1300 Spiegeln mit der Gesamtfläche von 2 ha auf die Oberfläche eines Dampfkessels reflektiert. Der dort entstandene Dampf versetzt eine Turbine in Bewegung, die einen Generator antreibt. Dabei werden ca. 1200 kW an Energie freigesetzt. In Halbleitersonnenkraftwerken benutzt man an Stelle der Spiegel Halbleiterbatterien. In ihnen wird die Energie unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt. Belegt man eine Fläche von 2 ha mit solchen Halbleiterbatterien, so lässt sich eine Leistung von ca. 2000 kW erbringen. 1996 gab es 4937 Sonnenwärmekraftwerke ähnlich dem Kraftwerk Pellworm mit einer durchschnittlichen Leistung von 140 bis 600kW in Deutschland. Seit Beginn der Subventionierung von Solarenergie sank der Preis pro kWh von 2,-DM auf unter 1,-DM.

Solarthermie:

Eine bereits heute schon ausgezeichnet funktionierende Nutzungsmöglichkeit für Solarenergie ist die Gewinnung von Warmwasser zur Heizung und zum Prozesswärmeeinsatz. Hierbei wird die kurzwellige Sonnenstrahlung in thermische Energie umgewandelt. Auf diese Weise lassen sich in einem 1,5m² großen Kollektor 50l Wasser pro Tag (Tagesbedarf eines Erwachsenen) auf 45C aufheizen. Durchschnittlich können somit während der zwanzigjährigen Lebensdauer einer solchen Anlage 55% bis 65% des Warmwasserbedarfs eines Haushaltes abgedeckt werden. Realisiert wird diese Technik mit Hilfe schwarzer Absorber, welche die aufgenommene Energie an mit Wärmeleitflüssigkeit gefüllte Röhren abgeben. Die Absorber besitzen eine aufgedampfte selektive Titan-Nitrid-Oxid-Beschichtung, die ihnen einen hohes Absorptionsvermögen bei gleichzeitig niedriger Emission verleiht. Im Kollektor ist dieses Bauteil in eine Dämmschicht eingebettet und von eisenarmem Solarsicherheitsglas abgedeckt, wodurch ein Treibhauseffekt entsteht. Der Wirkungsgrad eines solchen Flachkollektors beträgt 55% bei einem Preis von 300-1200DM/m². Der reine Absorber kostet 50-200DM/m².

Aufbau eines Flachkollektors. aus: http://www.solarserver.de/wissen/sonnenkollektoren.html

Einen höheren Wirkungsgrad besitzt der Vakuum-Röhrenkollektor mit bis zu 70%. Bei dieser Technik ist der Absorber in eine Vakuumröhre integriert, so dass eine aufgebrachte Flüssigkeit verdampft und ihre Wärme über einen Wärmetauscher an das Wasser abgibt. Allerdings erhöht sich der Preis für solche Kollektoren auf 100-2500DM/m².

Aufbau einer Kollektoranlage. aus: http://www.solarserver.de/wissen/solaranlagen.html

Die Kollektoranlage arbeitet mit einem internen Druck von 4bar und erwärmt einen Warmwasserspeicher mit doppeltem Bedarfsumfang. Auf diese Weise kann bequem ein moderner Haushalt versorgt werden.

Wirkungsgrad und Einsatzgebiete verschiedener Kollektoren. aus: http://www.solarserver.de/wissen/sonnenkollektoren.html

Die verschiedenen Kollektortypen, zu denen auch noch der Speicherkollektor, der Wasser direkt erwärmt, zählt, eignen sich für verschiedene Anwendungsbereiche.

Photovoltaik:

Die Gewinnung elektrischen Stroms aus Sonnenenergie besitzt in Deutschland nur einen Anteil von 0,001% aller Primärenergieträger. Außerdem muss man bei den hohen Kosten von ca. 25000DM/kW einen Wirkungsgrad von nur 10% bis 15% in Kauf nehmen. Dennoch stufen die Experten die Photovoltaik in eine Schlüsselrolle der Energiegewinnung der nächsten Jahrhunderte ein. Erfunden wurde die Solarzelle bereits 1890 durch Willought Smith, der eine Selen-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von gerade einmal einem Prozent bastelte. Die erste technisch nutzbare Solarzelle für die Raumfahrt wurde 1954 in den Bell-Laboratories aus Silizium mit einem Wirkungsgrad von acht Prozent entwickelt.

Eine Solarzelle besteht aus einem Halbleiterelement (meist Silizium). Dieses besitzt im Normalzustand ein stabiles Kristallgitter, in dem die einzelnen Atome entsprechende Verbindungen eingehen, um eine stabile Achterschale zu erhalten. Nach außen wirkt dieses Kristallgitter elektrisch neutral.

Siliziumkristallgitter. aus: http://emsolar.ee.tu-berlin.de/solarweb/

Es kann jedoch mit Fremdatomen anderer Wertigkeit dotiert, verunreinigt, werden, so dass freie, weil überschüssige, Ladungsträger entstehen. Durch Dotieren des Siliziums mit Phosphor entsteht ein Überschuss an Elektronen und somit eine n-Schicht (negativ geladen), beim Dotieren mit Bohr hingegen ein Mangel an Elektronen und somit ein Überschuss positiver Ladungsträger, sogenannter Löcher, eine p-Schicht (positiv geladen).

Der Photoeffekt beschreibt die Freisetzung von Ladungsträgern bei der Bestrahlung elektrisch leitender Stoffe mit Licht. Beim Silizium lösen sich hierbei Elektronen aus dem p-Bereich und Defektelektronen aus dem n-Bereich. Stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der Anreicherung der Teilchen in der jeweils anderen Schicht und dem Diffusionspotential ein, so ist die Leerlaufspannung der Zelle erreicht. Man bezeichnet dies als photovoltaischen Effekt. Wird dieses Gleichgewicht überschritten, so können die Ladungsträger über die angelegten Kontakte abfließen, es entsteht ein Stromkreis.

Aufbau einer Solarzelle. aus: http://emsolar.ee.tu-berlin.de/solarweb/

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ergibt sich aus dem Quotienten des Produktes der maximalen Stromstärke und Spannung durch die Leistung der entreffenden Strahlung bei 25C h = (IMPP * UMPP) * 100/ P0. MPP bezeichnet den maximum power point einer Solarzelle bei einer Bestrahlung mit 100mW/cm² und einer Temperatur von 25C. Dieser maximale Leistungsausstoß wird in der Praxis durch die wesentlich höheren Temperaturen der Zellen von 70C leider nicht erreicht.

Es existieren derzeit vier verschiedene Zelltypen. Die monokristallinen Zellen besitzen eine gleichmäßig blaue Färbung und einen Wirkungsgrad von 15%. Polykristalline Zellen sind an ihrer tiefblauen gesprenkelten Färbung zu erkennen, die beim grobkörnigem Erstarren entsteht. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 13%. Amorphe Zellen entstehen durch Aufdampfen des Halbleiterkristalls auf einen Träger (meist Glas). Der Wirkungsgrad dieser Zellen liegt bei 7%, allerdings sind sie am billigsten herzustellen. Das Forschungsobjekt für die Zukunft stellen Tandemzellen dar. Sie entstehen durch Aufdampfen einer Halbleitermischung, beispielsweise Galliumarsenid, auf ein Glassubstrat und erreichen einen Wirkungsgrad von 35%.

Die Gleichstrom produzierenden Solarzellen eignen sich zum betrieben von Motoren und Akkus, mit Wechselrichtern sogar für normale 230V Endverbraucher. Ein spezielles Einsatzgebiet stellen stand-alone Systeme, sogenannte Insellösungen dar.

Heute verwendete Systeme zur Versorgung eines Einfamilienhauses (2,16kW) kosten ca. 30000,-DM (billigstes 24199,-DM), Inselsysteme (50W) verursachen Kosten in Höhe von ca. 1000,-DM (billigstes 875,-DM).

Literaturangabe:

- http://emsolar.ee.tu-berlin.de/solarweb/

- http://www.solarserver.de/wissen/sonnenkollektoren.html

- http://www.solarserver.de/wissen/solaranlagen.html

- http://www.iwr.de Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien


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