Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis   II

1  Einleitung  1

2  Technologien  2

2.1  Photovoltaik.  3

2.1.1  Photoeffekt  3

2.1.2  Die Herstellung von Solarzellen.  6

2.1.2.1  Monokristalline Solarzellen.  7

2.1.2.2  Polykristalline Solarzellen.  8

2.1.2.3  Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium.  8

2.1.3  Einsatzbereiche photovoltaischer Energiegewinnung  9

2.1.3.1  Autonome Systeme.  9

2.1.3.2  Netzgekoppelte Systeme.  10

2.1.4  Historische Entwicklung  11

2.2  Solarthermie  12

2.2.1  Funktionsweise und Einsatzbereiche solarthermischer Energiegewinnung  12

2.2.1.1  Solarkollektoren  12

2.2.1.2  Solarthermische Kraftwerke  13

2.2.1.2.1  Parabolrinnenkraftwerke  13

2.2.1.2.2  Solarturmkraftwerke.  14

2.2.1.2.3  Aufwindkraftwerke.  16

3  Perspektiven solarer Energiegewinnung  17

4  Zusammenfassung  18

Literaturverzeichnis   21

I

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Schema der Dotierung.  

Abbildung  2: Schema des p/n-Übergangs.  

Abbildung  3: Beispiele von autonomen Systemen.  

Abbildung  4: Luftaufnahme der Solaranlage Geiseltalsee  

Abbildung  5: Schema eines Parabolrinnenkraftwerkes.  

Abbildung  6: Foto eines Parabolrinnenkraftwerkes  

Abbildung  7: Schema eines Solarturmkraftwerkes  

Abbildung  8: Foto eines Solarturmkraftwerkes  

Abbildung  9: Computeranimation eines Aufwindkraftwerkes.  

II

1 Einleitung

Die Energieversorgung der Erde beruht heute hauptsächlich auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Die Energieversorgung durch fossile Brennstoffe ist jedoch mittel- bis langfristig unsicher. Dies liegt daran, dass fossile Energien nicht erneuerbar sind - eine Erschöpfung ist somit vorprogrammiert. ¹ In den vergangenen Jahren und speziell in den letzten Monaten sind an den Weltmärkten die Preise für fossile Rohstoffe kontinuierlich angestiegen. Ein Sinken der Rohstoffpreise wird im Allgemeinen nicht erwartet, da die Nachfrage auf dem zur Zeit herrschenden hohen Niveau verharren beziehungsweise durch die Entwicklung von bevölkerungsreichen Regionen der Erde, wie China und Indien, weiter zunehmen wird. Die Angebotsseite produziert bereits an den Kapazitätsgrenzen und die Verknappung der fossilen Rohstoffe limitiert langfristig das Produktionspotential. Der für die Industrie und privaten Haushalte so wichtige „Rohstoff“ Energie hat sich somit immens verteuert und wird sich in Zukunft weiter verteuern. 2

Aufgrund dieser Situation rücken alternative Energiequellen wieder verstärkt in den Fokus des allgemeinen Interesses. Der Brennpunkt liegt hierbei besonders auf der Nutzung von erneuerbaren Energien wie der Windenergie, Energie aus Biogas, Erdwärme und der Solarenergie. Diese Energien werden von der Natur kostenlos bereitgestellt. Sie müssen lediglich genutzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den verschiedenen Technologien zur Nutzung der Solarenergie.

Im Verlauf dieser Arbeit werden die verschiedenen Technologien zur Nutzung der Sonnenenergie, Solarthermie und Photovoltaik, vorgestellt. Die verschiedenen technischen Funktionsweisen der beiden Technologien werden erklärt und deren Einsatzbereiche aufgezeigt. Die Technologien sind bereits seit sehr langer Zeit bekannt, werden jedoch bisher kaum genutzt. Dies liegt an den bis heute noch sehr hohen Kosten für die technische Nutzbarmachung dieser Energien: Die Solartechnologien sind noch nicht wettbewerbsfähig. Durch technologischen Fortschritt, höhere Wirkungsgrade und nicht zuletzt durch die aktuelle Situation am Energiemarkt wird sich dies jedoch ändern.

¹ Vgl. Auer, J. (2005), S. 2.

² Vgl. Auer, J. (2005), S. 2.

1

2 Technologien

Die Nutzung von solarer Energie erfolgt durch zwei verschiedene Technologien. Photovoltaik ist die eine, sicherlich bekanntere Technologie, durch die die Solarenergie technisch nutzbar gemacht wird: Solarenergie wird direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Bei der Solarthermietechnologie wird solare Energie in Wärme umgewandelt, welche anschließend technisch genutzt werden kann.

Beide Technologien nutzen die von der Sonne in Form von Licht abgestrahlte Energie. ³ An der Außenhülle der Erdatmosphäre erreicht diese Strahlung 1353 Watt pro Quadratmeter. Dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Beim Durchgang durch die Erdatmosphäre wird diese Strahlung durch teilweise Absorption und Streuung geschwächt. ⁴ Auf der Erdoberfläche beträgt die Solarkonstante 1000 Watt pro Quadratmeter. Dieser Wert wird auf einer waagerechten Fläche, bei im Zenit stehender Sonne erreicht. ⁵ Diese Bedingungen herrschen nur am Äquator auf Meereshöhe und werden durch die Atmosphärische Messzahl AM 1 beschrieben. Als weitere wichtige Kennzahl hat sich die Atmosphärische Messzahl AM 1,5 etabliert, die den Wert der Strahlung unter einem Winkel von 41,5 Grad gegen den Horizont beschreibt. Unter diesen Bedingungen durchstrahlt die Strahlung die 1,5 fache Menge an Luft wie bei AM 1. 6

Durch Streuung und Reflexion wird die auf der Erde ankommende Strahlung, die so genannte Globalstrahlung, in zwei Teile zerlegt: in direkte und diffuse Strahlung. Die diffuse Strahlung ist die Strahlung, die dafür sorgt, dass es auch bei bewölktem Himmel hell ist. ⁷ Die Höhe der Globalstrahlung in Deutschland liegt im langjährigen Mittel je nach Region zwischen neunhundert und eintausendzweihundert Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr. ⁸ Diese Werte stellen somit den maximalen Energieertrag pro Quadratmeter und Jahr durch Solaranlagen mit einem theoretischen Wirkungsgrad von einhundert Prozent dar. Je nach Technologie wird dieses Energiepotential genutzt. Welche Technologie für welche Regionen am besten geeignet ist und wie diese funktionieren, wird in den folgenden Kapiteln dargestellt.

³ Vgl. Seltmann, T. (2000), S. 13.

⁴ Vgl. Hadamovsky, H.-J. (2000), S. 23.

⁵ Vgl. Diaz-Santanilla, G. (2000), S. 26.

⁶ Vgl. Hadamovsky, H.-J. (2000), S. 24.

⁷ Vgl. Diaz-Santanilla, G. (2000), S. 29.

⁸ Vgl. Seltmann, T. (2000), S. 27.

2

2.1 Photovoltaik

Wie bereits oben erwähnt, wird bei der Photovoltaik-Technologie das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Der Begriff leitet sich aus dem griechischen Wort für Licht, Photos und dem Namen des italienischen Forschers Volta ab. 9

2.1.1 Photoeffekt

Die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom erfolgt in einem Halbleiter, der sowohl negative als auch positive Ladungsträger enthält. Durch die Absorption von Licht entstehen zusätzliche Ladungsträger, wodurch elektrische Spannung erzeugt wird. 10

Als Halbleiter werden feste Stoffe bezeichnet, die in kristalliner oder amorpher Struktur vorliegen und elektrischen Strom erst bei Temperaturen weit über dem absoluten Nullpunkt leiten können. Die Leitfähigkeit der Halbleiter nimmt mit steigender Temperatur zu. Typische Halbleiter sind Silizium und Germanium, welche beide in der vierten Hauptgruppe sind und jeweils vier Valenzelektronen aufweisen (vgl. Abbildung 1a). ¹¹ Durch eine gezielte Verunreinigung des Halbleiters (Dotierung) mit Atomen anderer Stoffe wird erreicht, dass dieser entweder hauptsächlich Elektronen (n-Leiter), welche negativ geladen sind, oder positive Ladungsträger, so genannte Defektelektronen (p-Leiter) enthält. Die positiven Ladungsträger werden auch als „Löcher“ bezeichnet. Die Dotierung des Halbleiters geschieht in der Regel mit Phosphor oder Bor. ¹² Dabei werden Atome des Halbleiters entfernt und durch Phosphor oder Bor ersetzt. Phosphor, welcher Teil der fünften Hauptgruppe ist, besitzt fünf Valenzelektronen. Wird nun ein Halbleiter mit Phosphor dotiert, weist dieser einen Überschuss von Valenzelektronen auf, weil das überschüssige Elektron im Halbleitergitter keine kovalente Bindung absättigen kann - dem Elektron fehlt ein Partner. Dadurch ist dieses Elektron schwächer gebunden als alle anderen Valenzelektronen. Bei niedrigen Temperaturen zieht der fünffach positiv geladene Phosphorkern dieses Elektron noch an. Die Anziehung lässt jedoch mit steigender Temperatur nach, bis das Elektron an das Halbleitergitter abgegeben wird: Somit enthält das Halbleitergitter hauptsächlich Elektronen, weshalb es als n-Leiter bezeichnet wird (vgl. Abbildung 1b). Halbleiter, die mit Bor, welches drei Valenzelektronen besitzt, dotiert werden, haben einen Elekt-

⁹ Vgl.Hadamovsky, H.-J. (2000), S. 31.

¹⁰ Vgl. Hadamovsky, H.-J. (2000), S. 31.

¹¹ Vgl. Diaz-Santanilla, G. (1984), S. 41.

¹² Vgl. Künzel, M. (1981), S. 21.

3

ronenmangel. Das Bor-Atom hat, wenn es in das Halbleitergitter eingepflanzt wird, das Bestreben, genau wie der Halbleiter, vier Elektronen an sich zu binden. Das fehlende vierte Elektron holt sich das Bor-Atom aus dem Halbleitergitter, wodurch dort ein Loch entsteht. Solche Löcher sind aufgrund des dort fehlenden Elektrons positiv geladen, weshalb von p-Halbleitern gesprochen wird (vgl. Abbildung 1c). ¹³ Durch die Dotierung des Halbleiters wird dessen Leitfähigkeit also stark verbessert bzw. sie kann gezielt gesteuert werden. 14

Werden ein p-Halbleiter und ein n-Halbleiter in engen Kontakt gebracht, entsteht ein p/n-Übergang bzw. eine p/n-Übergangszone. Eine solche Struktur von n- und p-Halbleiter mit p/n-Übergangszone wird auch als Halbleiter-Diode bezeichnet. ¹⁶ Durch eine Diode kann Strom nur in eine Richtung fließen, wodurch eine Gleichrichtung von Strom ermöglicht wird. In dieser p/n-Übergangszone gleichen sich die Ladungsdifferenzen zwischen p-Halbleiter und n-Halbleiter aus. Elektronen diffundieren vom n-Halbleiter zum p-Halbleiter und füllen dort die Löcher auf (vgl. Abbildung 2b), wodurch der p-Halbleiter am Übergang negativ aufgeladen wird. Gleichzeitig wird dadurch der n-Halbleiter am Übergang positiv aufgeladen (vgl. Abbildung 2c). Die Diffusion der Elektronen vom n-Halbleiter zum p-Halbleiter hat einen Diffusionsstrom zur Folge, die gegenseitige Aufladung am Übergang ein Raumladungsfeld, das dem Diffusionsstrom entgegenwirkt. Innerhalb dieses elektrischen Feldes gibt es keine frei beweglichen Ladungen mehr, es handelt sich um eine Sperrschicht, welche weitere Ladungswanderungen verhindert (vgl. Abbildung 2c). 17

¹³ Vgl. Diaz-Santanilla, G. (1984), S. 58ff.

¹⁴ Vgl. Diaz-Santanilla, G. (1984), S. 42f.

¹⁵ Quelle: http://emsolar.ee.tu-berlin.de/solarweb/AbbildungLiteratur/Abbildungen1.html, Abb. 1-6,8,9.

¹⁶ Vgl. Diaz-Santanilla, G. (1984), S. 62.

¹⁷ Vgl. Diaz-Santanilla, G. (1984), S. 62.

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