Anwendungen zur technischen Nutzung der Sonnenenergie

Gliederung

1. Die Sonne
1.1. Energielieferant Sonne
1.2. Geschichte der Sonnenenergienutzung

2. Sonnenenergie, was leistet sie?
2.1. Energieangebot der Sonne
2.2. Daten über die Solareinstrahlung

3. Solaranlagen
3.1. Verschiedene Solartechniken
3.1.1. Passive Solarenergienutzung
3.1.2. Parabolspiegel
3.1.3. Standard Solartechnik
3.2. Die Komponenten von thermischen Solaranlagen
3.2.1. Der Kollektor
3.2.2. Wärmetauscher

4. Die Photovoltaik
4.1. Der photovoltaische Effekt
4.2. Die Solarzelle
4.3. Der physikalische Vorgang
4.4. Photovoltaik-Anlagen

5. Umdenken

6. Quellen

7. Erklärung über Eigenständigkeit der Arbeit

1.Die Sonne

1.1.Energielieferant Sonne

Die Sonne ist nach menschlichem Ermessen eine schier unerschöpfliche Energiequelle. Genau gesehen ist sie nichts anderes als ein Gasball mit enormen Dimensionen. Unsere Sonne ist ein gigantischer Fusions-Reaktor, in dem Wasserstoff zu Helium umgewandelt wird. Bei dieser Kernverschmelzung wird Energie frei und als elektromagnetische Strahlung emittiert, im wesentlichen als sichtbares Licht von 0,4 bis 0,7 mm Wellenlänge, mit unsichtbaren Teilchen zu beiden Seiten des sichtbaren Bereichs: unterhalb die härtere UV- (ultraviolette) Strahlung und oberhalb die weichere (langwellige) Infrarot- (IR) Strahlung, die wir als Wärme empfinden. Die gesamte Strahlungsemission als Funktion nennen wir das Sonnenspektrum.

1.2.Geschichte der Sonnenenergienutzung

Seit Anbeginn der Menschheit wurde die Sonne verehrt. Sie war nicht nur von mythisch religiösem Nutzen, sondern auch im praktischen Bereich wusste der Mensch ihre lebensspendenden Kräfte einzusetzen. Zu Beginn des technischen Zeitalters machten zwei revolutionäre Entdeckungen, die Sonnenenergie zu nutzen, auf sich aufmerksam. Im wohl ältesten „Solarenergiebuch“ der Welt hat Augustin Mouchon erläutert, wie am 21.12.1867 mit einem Sonnenofen experimentiert wurde: Zitat: „Es dauerte nicht lange, und alles war vollkommen gar; die Eier waren hart und das Innere war bröckelig. Einmal wurde auch eine ansehnliche Portion Fleisch und Gemüse zubereitet, an der die Assistenten sich gütlich taten, nicht ohne den ausgezeichneten Geschmack zu rühmen.“

Auf eine lange Geschichte kann ebenfalls die Technik „Strom aus Sonnenlicht“ zurückblicken. Alexsandre Edmond Becquerel entdeckte ebenfalls im gleichen Jahrhundert, 1834, den photovoltaischen Effekt: Zitat: „Fällt Licht auf ein Halbleitermaterial, so wird zwischen Ober- und Unterseite eine Spannung erzeugt, die einen Strom zum fließen bringt.“ Überlegungen und Versuche die Sonne ernsthaft als Energiequelle zu nutzen, sind dagegen jüngeren Datums.

Zum Beispiel in der Weltraumfahrt besann man sich auf die Erfindung des Monsieur Becquerel. Die Photovoltaik rückte ins Blickfeld um die notwendige Stromversorgung für Satelliten zu konzipieren. In den 70er Jahren fand die Solarthermie lebhaftes Interesse von Industrie und Forschung, da sich die Welt in einer Energiekrise befand. Es wurde überlegt, Sonnenkollektoren mit Wärmepumpen zu kombinieren, um eine bessere Wärmeversorgung für ein Einfamilienhaus zu erreichen. Heute sind die Systeme technisch noch ausgereifter.

2.Sonnenenergie, was leistet sie?

2.1.Energieangebot der Sonne

Es ist längst in vielen Anwendungen unter beweis gestellt, dass auch in Mitteleuropa Solaranlagen leistungsfähig und wirtschaftlich sind. Schließlich ist auch im deutschsprachigen Raum die solare Einstrahlung so groß, dass ein beachtlicher Teil des Energiebedarfes der Region mit Sonnenenergie gedeckt werden könnte. Die solare Einstrahlung erreicht immerhin 40% der Solareinstrahlung der Wüste Sahara je m² Bodenfläche.

Energieeinstrahlung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Deutschland erzielt 100.000mal mehr Energie als für Heizzwecke benötigt würde. Die Solartechnik muss jedoch beachtliche Vorraussetzungen erfüllen, damit dieses große Energieangebot auch in unseren Breiten umfangreich genutzt werden kann. Die Anlagen müssen flexibel und schnell auf stündlich ändernde Witterungsbedingungen reagieren, diffuse Solarstrahlung weitgehend nutzen, kühlen Außentemperaturen trotzen und eine zeitliche Überbrückung zwischen Energieangebot und Wärmebedarf ermöglichen.

2.2.Daten über die Solareinstrahlung

Mehrere Faktoren sind für die Stärke der Sonneneinstrahlung verantwortlich. Die entscheidensten sind, die zeitlichen Schwankungen des Sonnenangebotes im Tages- und Jahresablauf, die wetterbedingten Einflüsse und die regionalen Unterschiede. Zum Beispiel scheint im Süden Deutschlands die Sonne intensiver als im Norden. Dies liegt daran, das z.B. in München die Sonne ca. 8Grad höher steht als in Flensburg.

Durch die unterschiedlich starke Bewölkung in Mitteleuropa im Jahresdurchschnitt ist auch der Anteil der direkten Sonnenstrahlen an der Gesamtstrahlung und damit die Solarenergie unterschiedlich stark. Deshalb weicht die jährlich eingestrahlte Energie in KWh/m² in verschiedenen Regionen bis zur 20% vom Durchschnitt ab. Bei unbewölktem Wetter spricht man von direkter Sonnenstrahlung. Mit hoher Strahlungsdichte kommen die Sonnestrahlen aus Richtung des Sonnenstandes. Die Sonnenstrahlen, die bei bewölktem Wetter durch die Wolkendecke auf der Erdoberfläche auftreffen, sind diffuse Strahlen. Sie werden beim Auftreffen auf die Wolkenfelder teilweise absorbiert, reflektiert oder von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt. Die Erdoberfläche erreichen sie mit verminderter Intensität. Diffuse Strahlen und direkte Strahlen zusammen ergeben die Globalstrahlung.

Der Anteil der diffusen Strahlen erreicht in Mitteleuropa einen beachtlichen Teil der Globalstrahlung. Aus diesem Grund muss eine Solaranlage in der Lage sein diese diffuse Strahlung zu nutzen. Der Energiegewinn bei diffuser Strahlung ist wesentlich niedriger als bei direkter Strahlung. Statt einer Energieleistung von 1000W je m²/h bei wolkenlosem Himmel kommen bei mittlerer Bewölkung nur ca. 600W und bei starker Bewölkung nur ca. 300W zur Erde.

Es ist also sehr wichtig, dass die Solaranlage neben der Nutzung der diffusen Strahlen, sehr schnell reagiert und auch eine nur kurzzeitige Auflockerung der Wolkendecke und die damit verbundene Erhöhung der Solareinstrahlung schnell in Wärme umsetzen kann.

3.Solaranlagen

3.1.Verschiedene Solartechniken

Unter einer Solaranlage versteht man ein System, mit dem die Sonnenstrahlen in direkt nutzbare Energie umgewandelt werden können. Dabei unterscheidet man zwei Hauptbereiche. Bei den Techniken unterscheidet man zwischen thermischer Solarenergienutzung, also die Umwandlung der Sonnenstrahlen in Wärme, und der photovoltaischen Umwandlung der Sonnenenergie, d. h. die Erzeugung von elektrischem Strom durch Sonnenstrahlen (mit Hilfe sogenannter Solarzellen).

Solarzellen sind falsch eingesetzt, wenn sie der Wärmeerzeugung dienen sollen, da ihre Leistung bestenfalls bei 15% der eingestrahlten Sonnenenergie liegt. Sonnenkollektoren dagegen können bis zu 80% der eingestrahlten Sonnenenergie in Wärme umsetzen. Solarzellen sollten also nur zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt werden.

3.1.1.Passive Solarenergienutzung

Bei dieser Art der Energienutzung wird das Objekt selbst zum Sonnenkollektor um die Umwandlung der Sonnenenergie in Wärme zu bewerkstelligen. Die bekannteste Art der Solarenergienutzung ist der weit verbreitete Wintergarten.

3.1.2.Parabolspiegel

Parabolspiegel konzentrieren die direkten Sonnenstrahlen und sind dadurch in der Lage das in der Mitte des Spiegels befindliche Absorberrohr auf sehr hohe Temperatur zu erhitzen. In unseren Breiten sind Parabolspiegel nicht sinnvoll einzusetzen, da sie nur die direkten Sonnenstrahlen bündeln und in Wärme umwandeln können.

3.1.3.Standard Solartechnik

Diese teilt sich wiederum in mehrere Techniken und Anwendungsgebiete auf. Nachfolgend sind diese Aufteilungen dargestellt.

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Diese Technik (Fluidkreislauf; grau hinterlegtes Feld) ist in Europa zurecht am meisten verbreitet, da bei den wechselnden Witterungsbedingungen unserer Breiten diese Anlagen am effektivsten sind.

3.2.Die Komponenten von thermischen Solaranlagen

Zu einer solarthermischen Anlage gehören je nach System die nachfolgend beschriebenen Komponenten. Die Bauteile sollten möglichst alle die gleiche Qualität aufweisen, die richtige Auswahl entscheidet letztendlich über Wirtschaftlichkeit und Funktionstüchtigkeit der gesamten Anlage.

3.2.1.Der Kollektor

Der Kollektor (Sammler) ist das wichtigste Bestandteil einer Solaranlage. Durch ihn wird die von der Sonne abgestrahlte Energie aufgefangen und in Wärme umgewandelt. Er ist damit das Bindeglied zwischen einfallender Sonneneinstrahlung und Wärmeverbraucher. Der Absorber ist das wichtigste Bauteil des Kollektors, durch ihn fließt das Wärmeträgermedium (WasserGlykol-Gemisch oder Luft) welches die Wärme aufnimmt.

3.2.2.Wärmetauscher

Der Wärmetauscher trennt das Brauchwasser vom Frostschutz-Wasser-Gemisch im Kollektorkreislauf. Er überträgt die Wärme des Kollektorkreises auf den Brauchwasserkreis.

4.Die Photovoltaik

4.1.Der photovoltaische Effekt

Photovoltaik - der Begriff bedeutet Spannung (Voltaik) aus Licht (Photo), genauer ist es die direkte Umwandlung von Licht in elektrischen Gleichstrom. Die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie geschieht in einem elektronischen Bauelement, dieses ist mit einer Diode vergleichbar. Wissenschaftlich wird die Eigenschaft einiger Materialien beschrieben, Licht in elektrischen Strom umwandeln zu können.

4.2.Die Solarzelle

Solarzellen sind Siliziumscheiben aus zwei Schichten mit unterschiedlichem elektrischem Verhalten. Eine Schicht, die n-Schicht, kann negative Ladungsträger (Elektronen) aufnehmen. Die andere Schicht, die p-Schicht, hat bei Bestrahlung einen Überschuss an positiven Ladungsträgern (Elektronenlöscher), gleichbedeutend an einem Mangel an Elektronen. Das Reinstsilizium wird gezielt mit Fremdatomen verunreinigt und damit zuerst die p-Schicht erzeugt. In einem Diffusionsvorgang werden Fremdatome, die Elektronen abgeben können, z.B. Bor, unter die Oberfläche der Scheibe gebracht und damit die n-Schicht produziert. Der Bereich zwischen der n- und der p-Schicht wird demnach p-n-Übergang oder Grenzschicht genannt.

4.3.Der physikalische Vorgang

Lichteilchen, die Photonen, welche auf die Solarzelle auftreffen, geben ihre Energie an Elektronen ab, welch dadurch zu freien Elektronen werden. So beweglich gemacht, wandern diese von der p- in die n-Schicht, wodurch in der p-Schicht Silizium-Atomrümpfe (Löscher) und ein Mangel an Elektronen entstehen. In der n-Schicht herrscht dagegen ein Überschuss an Elektronen, so dass zwischen beiden Schichten eine elektrische Spannung entsteht. Mit Hilfe von metallischen Kontakten auf Vorder- und Rückseite der Solarzelle können die Elektronen über einen äußeren Stromkreis wieder zurück in die p-Schicht geführt werden, es entsteht ein Strom.

Die Solarzellen sind mit einer Antireflexschicht bedampf, so dass so wenig Lichtteilchen wie möglich wieder reflektiert werden können. Durch diese Schicht entsteht die charakteristische dunkelblaue bis schwarze Farbe der Zellen.

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4.4.Photovoltaik-Anlagen

Die Auslegung von PV-Anlagen ist für einen Großteil der Bevölkerung immer noch ein Rätsel. Dabei ist es möglich mit einfachen Mitteln Größe und Ertrag von Solaranlagen zu bestimmen. Für die meisten Anwendungsfälle genügt es mit einigen wenigen Erfahrungswerten zu rechnen und bereits bekannte Tabellen zu nutzen. Man findet in jeder PV-Anlage 3 wesentliche Bestandteile: Den Solargenerator, einen Verbraucher, der 3. wichtige Bestandteil ist der sogenannte Speicher.

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5.Umdenken

Es gibt keinen Anschlusszwang an das öffentliche Stromnetz. Man könnte also ein neu gebautes Haus mit Strom aus Sonne oder Wind versorgen. Es muss nur sorgfältig bedacht werden, den Stromspeicher in ausreichender Größe zu planen. Wie im Vorhinein festgestellt, muss in Mitteleuropa mit stromarmen Tagen gerechnet werden, welche mit Strom aus dem Speicher überbrückt werden müssen.

Jedoch die Grundvoraussetzung dabei ist: „Umdenken bei Energieverbrauch!“

6.Quellen

- „Solarenergie gewinnen und optimal nutzen“; Hüttmann/Wranoschitz;

Compact Verlag München 1996

- „Thermische Solarenergie erfolgreich nutzen“, F.U.Müller;

Franzis-Verlag GmbH 1997

- „Sonnenenergie für umweltschonende Baupraxis“; Wie u.a.;

Expert Verlag 1995

7.Erklärung über Eigenständigkeit der Arbeit

Ich versichere, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe.