:: wikimiki.org ::

Solartechnik

Solartechnik

Mit Solartechnik wird die technische Nutzung der Sonnenenergie (oder auch Solarenergie) bezeichnet. Aus der Sonnenstrahlung kann Wärme oder elektrische Energie gewonnen werden.

Dezentrale Solarenergienutzung

- Fotovoltaik: Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie (Solarstrom) mit Solarzellen
- Solarkollektoren: Erwärmung von Wasser oder anderen Wärmeträgern (Solaranlagen)
- Solarofen: Kochen mit Sonnenlicht
- Solar-Stirling: Umwandlung der solarthermischen Energie in mechanische Energie unter Benutzung des Stirlingmotors. Solar-Stirling-Anlagen, die einen Generator betreiben um elektrischen Strom zu produzieren, erreichen mit bis zu 30 % einen besseren Wirkungsgrad als Fotovoltaikanlagen. Fotovoltaikanlage

Großtechnische Solarenergienutzung

- solarthermische Kraftwerke
- Thermikkraftwerke
- Freistehende oder auf Fabrikdächern aufgestellte Fotovoltaikanlagen von Betreibergesellschaften

Indirekte Solarenergienutzung

- Durch geeignete Anordnung von Fenstern und besonnten Wärmespeichern kann ein Haus indirekt beheizt werden.
- Energiepflanzengewinnung
- Biogasproduktion
- Biodieselproduktion
- Naturölproduktion (Kraftstoff Pflanzenöl, Pflanzenöl)
- Verbrennung von Holz und ähnlichem zur Wärme- und Stromgewinnung
- Indirekt nutzen auch Windenergieanlagen und Wasserkraftanlagen die Sonnenenergie.

Weblinks

- [http://www.thema-energie.de www.thema-energie.de] - dena: Portal für Energiesparen und Erneuerbare Energien
- [http://www.dgs.de www.dgs.de] - Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.
- [http://www.sfv.de www.sfv.de] - Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V.
- [http://www.fv-sonnenenergie.de www.fv-sonnenenergie.de] - ForschungsVerbund Sonnenenergie
- [http://www.solarserver.de www.solarserver.de] - Der Solarserver: Das Internetportal zur Sonnenenergie
- [http://www.solarintegration.de www.solarintegration.de] - Informationsdienst für Solares Gestalten und Bauen
- [http://www.solaranlagen-online.de/index.htm www.solaranlagen-online.de] - Solaranlagen und Umwelttipps
- [http://www.solarbundesliga.de www.solarbundesliga.de] - Die Solarbundesliga: Bundesweiter Wettbewerb der Gemeinden
- http://ene.web.psi.ch - Paul Scherrer Institut (CH): Entwicklung solarthermischer Reaktoren und Prozesse (englisch)
- [http://www.infoline-solar.de Infoline-Solares Bauen] - Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc. Kategorie:Solarenergie Kategorie:Umwelttechnik

Wärme

Wärme kann sowohl mikroskopisch durch die Kinetische Theorie, als auch makroskopisch durch die Thermodynamik beschrieben werden. Wärme in der Thermodynamik ist über eine Systemgrenze hinweg transportierte thermische Energie. Wärme tritt als Vorgangs- oder Prozess-Größe nur bei dem Vorliegen eines Temperaturgradienten auf. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Wärme aber häufig mit der thermischen Energie selbst verwechselt. Wärme ist wie Arbeit an Transportvorgänge gebunden und daher eine Vorgangs- oder Prozessgröße, im Gegensatz zu einer Zustandsgröße. Dabei wird thermische Energie aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik immer vom System mit der höheren Temperatur in Richtung des Systems mit der geringeren Temperatur übertragen. Dies gilt solange, wie eine Temperaturdifferenz zwischen zwei thermisch gekoppelten Systemen besteht und sich diese noch nicht im thermischen Gleichgewicht befinden. Die übertragene Wärme Q ist meist mit einer Temperaturänderung

\mathrmT

verbunden: :

Q= C_V \; \mathrmT \!

Hierbei ist C_V die Wärmekapazität bei konstantem Volumen V. Es existieren jedoch auch Systeme, bei denen eine Wärmezufuhr zur Phasenumwandlung und nicht zur Temperaturerhöhung führt, zum Beispiel beim Verdampfen von Flüssigkeiten. Als thermodynamische Größe ist die Wärme eindeutig über den ersten Hauptsatz definiert. Die Einzelheiten der physikalischen Vorgänge, die zum Transport von thermischer Energie führen, sind damit allerdings nicht genau festgelegt. In der Theorie der Wärmeübertragung wird der Wärmestrom nach Jean Baptiste Joseph Fourier mit Hilfe eines Temperaturgradienten definiert. Bei der Wärmeabgabe bzw -aufnahme hat die Masse des Körpers einen direkt proportionalen Einfluss, so dass die Wärme mit Q = c
- m
- dT berechnet werden muss.

Siehe auch

Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitungsgleichung, Wärmedurchgangswiderstand, Kälte, Wärmebad, Wärmezähler, Abwärme, Gasenergie Kategorie:Thermodynamik Kategorie: Eigenschaft ja:熱 Kategorie:Thermodynamik

Elektrische Energie

Elektrizität (von griechisch ήλεκτρο (ilektro) „Bernstein“) ist der Oberbegriff für alle Phänomene, die ihre Ursache entweder in ruhender elektrischer Ladung oder bewegter Ladung (Ströme) sowie deren elektrischen und magnetischen Feldern haben. Die Träger der elektrischen Ladung sind negativ geladene Elektronen und positiv geladene Protonen und Ionen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen einander an. Wegen der Wechselwirkungskräfte kommt der Elektrizität auch eine Bedeutung als Energieträger zu. Elektrische Ladungen sind die Quellen des elektrischen Feldes, bewegte Ladungen die Ursache für magnetische Felder. Elektromagnetische Wellen (wie z.B. Licht) sind Erregungen des elektromagnetischen Feldes und können sich nach Entstehung unabhängig von Ladungsträgern im Raum (als Photonen) ausbreiten d.h. fortbewegen, sie wechselwirken aber auch mit Materie. Bewegung elektrischer Ladung findet in elektrischen Leitern durch Bewegung freier Elektronen und in Flüssigkeiten durch Ionenbewegung statt. Bei den Festkörpern unterscheidet man zwischen Leitern, Nichtleitern und Halbleitern.

Elektrische Phänomene in der Natur

Halbleiter Das wohl bekannteste und spektakulärste natürliche Auftreten von Elektrizität ist der Blitz. Mit einem Blitz entladen sich hohe, durch Reibung in den Gewitterwolken aufgebaute elektrostatische Ladungen. Im Verlauf einer solchen Entladung werden sowohl positive wie auch negative Ladungen bewegt. Aber Elektrizität tritt auch in weniger spektakulärer Form auf. So beruht z. B. die Informationsverarbeitung im Nervensystem von Lebewesen zum Teil auf elektrischen Signalen. Verschiedene Fische (z.B. der Zitterrochen und der Zitteraal) können hohe elektrische Spannungen aufbauen, um sich damit zu verteidigen. Umgekehrt gelingt es ihnen durch Wahrnehmung elektrischer Signale, die durch die Muskelbewegungen der Fische ausgelöst werden, ihre Beute zu orten.

Elektrizität im Alltag

Umgangssprachlich wird unter Elektrizität meist elektrische Energie verstanden. Zur Charakterisierung von elektrischer Energie wird im Sprachgebrauch meist nur von Strom oder Spannung gesprochen. Dies ist in vielen Fällen falsch, da Auswirkungen von Elektrizität nur bei gemeinsamer Betrachtung von Strom und Spannung zu erklären sind. So erzeugen beispielsweise piezoelektrischen Feuerzeugzünder sehr hohe Spannungen (~1 kV), sind jedoch wegen der geringen Stromstärke nahezu unschädlich. Analog dazu ist das Beispiel bei einer Autobatterie, die eine Spannung von 12 V liefert, aber dabei vergleichsweise hohe Ströme erzeugt. Im heutigen Alltag ist Elektrizität im Sinne von elektrischer Energie kaum mehr entbehrlich, was dem Menschen meist erst durch Ausfälle von Versorgungsnetzen wieder bewußt wird. Seit über einem Jahrhundert bestimmen Anwendungen von Elektrizität, wie Licht, Wärme und Kraft mehr und mehr das menschliche Leben. Eine ständig wachsende Bedeutung erlangt heute elektrische Energie in der Kommunikations- und Informationstechnologie. Elektrizität hat je nach Stärke unterschiedliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Entscheidend für die Auswirkung ist die Stärke der Durchströmung in der Maßeinheit A(Ampere). Geringe Durchströmungen werden beispielsweise zur Förderung von Heilungsprozessen in der Elektrotherapie eingesetzt oder als Impulsgeber für das Herz (Herzschrittmacher). Starke Durchströmungen ab ca. 50 mA können gefährlich und tödlich wirken. Die Elektroschockpistole beispielsweise gibt mehrfach starke elektrische Impulse an das Opfer ab und verursacht schmerzhafte nicht kontrollierbare Muskelkontraktionen. Bei empfindlichen Personen können Atemlähmungen und Herzstillstand auftreten. Derartige Durchströmungen werden auch eingesetzt, um Menschen gezielt zu töten, wie dies auch mit dem elektrischen Stuhl geschieht.

Behandlung in den Naturwissenschaften

Die verschiedenen Phänomene der Elektrizität sind Betrachtungsgegenstände in Teilen der Physik und der Chemie:
- Elektrostatik - ruhende elektrische Ladungen, Ladungsverteilungen und elektrische Felder geladener Körper
- Elektrodynamik - elektromagnetische Wellen, elektrische und magnetische Felder, Potenziale und Dynamik elektrisch geladener Teilchen und Objekte
- Quantenelektrodynamik - quantenfeldtheoretische Beschreibung des Elektromagnetismus
- Festkörperphysik - Verhalten elektrischer Ladungen in Leitern, Halbleitern und Nichtleiter, sowie Thermo-, Pyro- und Piezoelektrizität
- Elektrochemie - Zusammenhang zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen

Behandlung in den Ingenieurwissenschaften

Die Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Ingenieurwissenschaft und Technik, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. Hierzu gehören die elektrische Energieerzeugung, die Energieübertragung sowie alle Arten ihrer Nutzung. Dies reicht von den elektrisch betriebenen Maschinen über alle Arten elektrischer Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs- und Computertechnik bis hin zur Nachrichtentechnik.

Elektrizität als Energieträger

Die elektrische Energie berechnet sich als das Produkt aus elektrischer Spannung, Stromstärke und Zeitdauer. :

E=U\cdot I\cdot t

Gewinnung elektrischer Energie

Siehe dazu eigenständiger Artikel Stromerzeugung Bei der Gewinnung oder auch Erzeugung elektrischer Energie werden verschiedene der oben beschriebenen Phänomene genutzt. Der größte Anteil des weltweiten (elektrischen) Energiebedarfs wird durch Generatoren in Kraftwerken erzeugt. Dabei kommen unterschiedliche Primärenergieträger zum Einsatz. Die verwendeten Generatoren sind vom Grundprinzip her identisch. Sie nutzen elektrodynamische Effekte zur Ladungstrennung und damit zur Spannungserzeugung. Elektrische Energie aus chemischen Prozessen wird meist in tragbaren Energiequellen, wie Batterieen und Akkumulatoren gewonnen. Genau so wie bei der Brennstoffzelle. Den photoelektrische Effekt nutzt die vergleichsweise junge Technologie der Photovoltaik mit den Solarzellen.

Transport elektrischer Energie

Der Transport elektrischer Energie geschieht in den meisten Fällen durch die Bewegung von Elektronen in Festkörpern. Es werden dazu Leitungen aus Materialien mit einem geringen spezifischen Widerstand (meistens Metalle) verwendet. Kupfer und Silber gehören zu den besten Leitern, teilweise wird auch Aluminium wegen des geringeren Gewichtes verwendet . Durch den elektrischen Widerstand der Leitungen entstehen Leitungsverluste (Energieverluste) die um so höher sind, je höher die Stromstärke und je länger und dünner die Transportleitung ist. Bei höheren Spannungen kann die gleiche Energiemenge bei geringeren Stromstärken übertragen werden. Die unvermeidbaren Verluste beim Transport können daher durch Verwendung von hohen Spannungen reduziert werden. Elektrische Hochspannungsleitungen werden z. B. mit Wechselspannungen im Bereich von 10kV bis 380kV betrieben. Zur Veränderung von Wechselspannungen werden Transformatoren eingesetzt. Da die Energie welche häufig in Kraftwerken erzeugt wird, teilweise recht weit von den Verbrauchern entfernt ist, hat der Energietransport einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Zur Zeit versucht man in ersten Pilotprojekten Supraleiter für den Transport elektrischer Energie zu verwenden, da in diesen die Elektronen nahezu widerstandsfrei transportiert werden.

Historische Daten

- Schon in der Antike war den alten Griechen bereits die elektrostatische Aufladung des Bernsteins bekannt, der von ihnen als elektron bezeichnet wurde. Diese Erkenntnis wird Thales von Milet zugeschrieben.
- 1. Jahrhundert v. Chr. Ein parthisches Tongefäß aus der Nähe von Bagdad, das 1936 von Dr. Wilhelm König gefunden wurde, enthält einen Eisenstab und einen Kupferzylinder, der mit Asphalt abgedichtet war. Versuche des Römer- und Pelizaeus-Museums in Hildesheim zeigten, dass mit dieser Anordnung und Traubensaft als Elektrolyt eine Spannung von 0,5 V erreicht werden konnte. Sie könnte zum galvanischen Vergolden verwendet worden sein.
- 1601 William Gilbert untersucht die elektrische Aufladung an vielen Substanzen und führt die Bezeichnung "Electrica" ein.
- 1672 Gottfried Wilhelm von Leibniz entdeckt elektrische Funken durch Reiben (Aufladen) einer kindskopfgroßen Schwefelkugel.
- 1720 Pieter van Musschenbroek, niederländischer Physiker,
- 1692 in Leiden, erfindet die Leidener Flasche, den ersten Kondensator.
- 1752 Benjamin Franklin, amerikanischer Politiker, erfindet den Blitzableiter, interpretiert das Phänomen Pluspol und Minuspol.
- 1770 Luigi Galvani, italienischer Mediziner, beobachtet "tierische" Elektrizität an Froschschenkeln (elektrochemische Energie).
- 1776 Alessandro Volta, italienischer Physiker, erfindet das Elektrophor und die Batterie.
- André Marie Ampère (1775 - 1836), französischer Physiker, erfindet das Amperemeter, den elektrischen Telegraphen und den Elektromagneten. Er ist Begründer der Theorie vom Elektromagnetismus.
- Georg Simon Ohm (1789 -1854), deutscher Physiker, formuliert den grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischer Stromstärke und Spannung (siehe Ohmsches Gesetz).
- Hans Christian Ørsted (1777-1851) erkannte den Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus
- Michael Faraday (1791 - 1867), britischer Physiker, Begründer der Elektrodynamik (Induktionsgesetze), formulierte u.a. auch die Gesetze der Elektrolyse.
- James Prescott Joule (1818 - 1889), britischer Physiker, beobachtet und formuliert die Gesetzmäßigkeiten der Wärmeerzeugung durch stromdurchflossene Leiter.
- 1810-1812
- Humphry Davy (Chemiker
- 1775-†1829), erzeugte zwischen zwei Kohlestiften, die mit einer Batterie als Stromversorger verbunden waren, einen Lichtbogen und schaffte damit die Grundlagen für die elektrischen Kohlebogenlampe.
- James Clerk Maxwell, schottischer Physiker (1831 - 1879), konzipiert die bis heute grundlegende Theorie der Elektrizität und des Magnetismus ruhender und bewegter Ladungen und Felder. Er stellte die Maxwell-Gleichungen zur Beschreibung elektromagnetischer Phänomene auf, die in leicht abgeänderter Form bis heute gültig sind. Aus Ihnen folgerte er die Existenz der elektromagnetischen Wellen. Er identifiziert das Licht als eine Erscheinungsform derartiger Wellen.
- 1833 Carl Friedrich Gauß und Wilhelm Eduard Weber senden in Göttungen das erste Telegramm über eine 8000 Fuß lange Telegraphenleitung. "Michelmann kommt" soll der Text gewesen sein;
- 1844 nimmt Samuel F.B. Morse die erste Telegraphenlinie Amerikas in Betrieb.
- 1844 installiert Louis Joseph Deleuil erstmals die Beleuchtung eines öffentlichen Platzes, des Place de la Concorde in Paris, mit Bogenlicht
- 1866 Werner von Siemens entwickelt den Dynamo.
- 1877 erfindet Thomas Alva Edison den Phonographen, er verbessert unter anderem auch das Telefon und macht die elektrische Glühlampe anwendungstauglich, was zu einer Revolution der Strassenbeleuchtung und damit zur erstmaligen Erstellung grösserer Stromnetze führt (zeitgleich in Europa: Zénobe Gramme und Werner von Siemens).
- 1884 erste experimentelle Erzeugung elektromagnetischer Wellen durch Heinrich Hertz.
- 1886 Nikola Tesla begründet durch seinen Sponsor Westinghouse die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstrom.
- 1888 Heinrich Hertz (1857 - 1894) erzeugt elektromagnetische Wellen und weist diese in Experimenten nach.
- 1895 Guglielmo Marconi (1874-1937) führt in Bologna Funkversuche durch. Er baut hierbei auf den Entdeckungen von Hertz, Popow und Branly auf.
- 1896 Alexander Stepanowitsch Popow (1859-1905) gelingt auf funktechnischem Wege die Übertragung der Worte "Heinrich Hertz" während einer Demonstration vor der Russischen Physikalischen Gesellschaft.
- 1897 Ferdinand Braun (1850-1918) erfindet die später nach ihm benannte Braunsche Röhre (Kathodenstrahlröhre)
- 1948 Walter H. Brattain und John Bardeen und William Shockley entwickeln den Transistor

Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung von Leistung Spannung Stromstärke Widerstand]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohmschesgesetz.htm Elektrische Berechnungen - Das ohmsche Gesetz und das magische Dreieck]
- [http://www.cia.gov/cia/publications/factbook/fields/2038.html Stromerzeugung in einzelnen Ländern und weltweit]

Siehe auch

- Strom

Physikalische Einheiten

- ;Ladung

[Q]

in C (Coulomb)
:

C = A \cdot s

:Die kleinste elektrische Ladung ist die Elementarladung e (Naturkonstante), die Ladung eines Elektrons. Sie beträgt ca. 1,602 · 10 ^-19 C. Die nicht frei beobachtbaren Quarks haben noch kleinere, drittelzahlige Ladungen von

\frace, \frace

.
- ;Stromstärke

[I]

in A (Ampere)
:Ein Ampere ist die Stärke eines konstanten Stromes, der durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft von 2 · 10 ⁻⁷ Newton hervorruft.
:
- ;Spannung

[U]

in V (Volt)
:

U = R \cdot I = \frac = \frac

- ;Widerstand

[R]

in Ω (Ohm)
:
- ;Wirkleistung

[P]

in W (Watt) (umgangssprachlich Leistung genannt; entspricht Arbeit pro Zeit)
: :Im Gleichstromkreis: :

P = U \cdot I

: :
: :Im Wechselstromkreis: :

P = U \cdot I \cdot \cos \varphi

:
- ;Wirkarbeit

[W]

in kWh (Kilowattstunde), Wh (Wattstunde), Ws oder Joule
:

W = P \cdot \Delta t

:
- ;Blindleistung

[Q]

in VAr (von Volt-Ampère-réactif)
:

Q = U \cdot I \cdot \sin \varphi

:
- ;Scheinleistung

[S]

in VA (Voltampere)
:

P = U \cdot I

:
- ;Blindarbeit

[W_q]

in VAs; VArh oder kVArh
:
- ;Scheinarbeit

[W_s]

in VAs; VAh oder kVAh
: Siehe auch: Internationales Einheitensystem Kategorie:Bernstein Kategorie:Elektrotechnik ja:電気 ko:전기 simple:Electricity

Fotovoltaik

]] Die Fotovoltaik (auch Photovoltaik) beschäftigt sich mit der Umwandlung von Strahlungsenergie, vornehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie und ist seit 1958 zur Energieversorgung (zunächst von Satelliten) im Einsatz. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrizität - zusammen.

Technische Beschreibung

Elektrizität Die als Licht auf die Erde auftreffende Menge an Sonnenenergie ist 10.000 mal höher als der Primärenergieverbrauch (Stand 1998, 402 E J) der Menschheit. Der Energieeintrag durch die Sonne beträgt pro Jahr etwa 1,1 · 10¹⁸ kWh. Diese Strahlungsenergie kann fotovoltaisch direkt in Elektrizität umgewandelt werden, ohne daß Nebenprodukte wie Abgase (beispielsweise Kohlendioxid) entstehen. Der Wellenlängenbereich der auftreffenden und wandelbaren elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich (Licht) bis weit in den langwelligeren infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein. Bei der Umwandlung wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt. Die Energiewandlung findet mit Hilfe von Solarzellen, die zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, in Fotovoltaikanlagen statt. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt oder gespeichert oder in Stromnetze eingespeist werden. Bei Einspeisung der Energie in das öffentliche Stromnetz wird die von den Solarzellen erzeugte Gleichspannung von einem Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt. Mitunter wird eine alleinige Energieversorgung mittels Fotovoltaik in Inselsystemen realisiert. Um hier kontinuierlich Energie verfügbar zu haben, muss die Energie gespeichert werden. Dies kann beispielsweise mittels Akkumulatoren oder Brennstoffzellen geschehen. Bekannte, batteriegepufferte Inselsysteme sind Parkuhrsysteme, die sich häufig in größeren Städten finden. Die fotovoltaische Energiewandlung ist wegen der Herstellungskosten der Solarmodule im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken deutlich teurer, wobei allerdings große Teile der Folgekosten der konventionellen Energiewandlung nicht in die heutigen Energiepreise mit eingehen. Das stark schwankende Strahlungsangebot erschwert den Einsatz der Fotovoltaik. Die Strahlungsenergie schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich bedingt, sowie täglich abhängig von der Wetterlage. Beispielsweise kann eine fest installierte Solaranlage in Deutschland im Juli einen gegenüber dem Dezember bis zu fünfmal höheren Ertrag bringen. Sinnvoll einsetzbar ist die fotovoltaische Energiewandlung als ein Baustein in einem Energiemix verschiedener Energiewandlungsprozesse. Auch auf längere Sicht hin werden hierbei konventionelle Elektrizitätswerke nicht völlig zu ersetzen sein. Allerdings haben das Stromeinspeisegesetz und insbesondere das Erneuerbare-Energien-Gesetz zu einem Boom bei der Errichtung von Fotovoltaikanlagen in Deutschland geführt. So wurde Ende Juni 2005 die Schwelle von 1000 MW installierter elektrischer Leistung von Fotovoltaikanlagen überschritten, das entspricht einem großen konventionellen Kraftwerk und bedeutet eine Verhundertfachung in den letzten 10 Jahren.

Leistung

Die Nennleistung in der Fotovoltaik wird in W_p (Watt_peak) beziehungsweise kW_p angegeben. "peak" (engl. Höchstwert, Spitze) bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die dem Alltagsbetrieb nicht direkt entsprechen. Es handelt sich dabei auch nicht um die Leistung der Zelle oder des Moduls bei höchster Sonneneinstrahlung. Die Testbedingungen dienen zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module. Die elektrischen Werte der Bauteile unter diesen Bedingungen werden in den Datenblättern angegeben. Es wird bei 25 °C Modultemperatur, 1000 W/m² Bestrahlungsstärke und einem Air Mass von 1,5 gemessen. Dies sind die STC-Bedingungen (Standard-Test-Conditions), die als internationaler Standard festgelegt wurden. Können diese Bedingungen beim Testen nicht eingehalten werden, so muss aus den gegebenen Testbedingungen die Nennleistung rechnerisch ermittelt werden. Die Bestrahlungsstärke von 1000 W/m² kommt in Mitteleuropa über ein Jahr gesehen nicht sehr häufig vor (je weiter südlich, desto häufiger). Im normalen Betrieb haben Solarmodule beziehungsweise die Solarzellen bei dieser Einstrahlung eine wesentlich höhere Betriebstemperatur als die im Test vorgesehenen 25 °C und damit auch einen deutlich niedrigeren Wirkungsgrad. Bei Arnstein in der Nähe von Würzburg entsteht auf dem Gelände des ehemaligen Weinbauversuchsguts Erlasee 2005/2006 die größte Fotovoltaikanlage der Welt mit einer Leistung von mehr als 12 Megawatt.

Wirkungsgrad

Die mit Solarzellen in der Fotovoltaik erzielten Wirkungsgrade reichen von wenigen Prozent (beispielsweise etwa 6 Prozent für Cadmium-Tellurid-Solarmodule) bis hin zu über 35 Prozent (Konzentrator-Mehrschicht-Laborexemplar). Die Wirkungsgrade marktüblicher Solarmodule liegen zwischen 10 und 16 Prozent. Zur Gesamtbetrachtung fließen allerdings noch die Verluste des Wechselrichters mit ein. Obwohl die insgesamt zur Verfügung stehende Sonneneinstrahlung immens hoch erscheint, ist die Fotovoltaik aufgrund des zur Zeit eher niedrigen Wirkungsgrades sehr flächenintensiv.

Potential

Trotz der scheinbar ungünstigen Bedingungen in Deutschland genügten etwa 2 Prozent der Gesamtfläche des Landes um in der Jahressumme die gleiche elektrische Energie zu ernten, die Deutschland insgesamt pro Jahr benötigt. Der Einwand, die Fläche in Mitteleuropa würde für einen wesentlichen Anteil von Fotovoltaik zur Energieversorgung nicht ausreichen, ist somit nicht haltbar. Die nötige Fläche könnte ohne Neuversiegelung über die Nutzung von bisher bebauten Flächen (vor allem Dächer) erreicht werden. Das oft geforderte Ausweichen auf sonnenreichere Gegenden ist also nicht notwendig. Diese Zahl ergibt sich bei einer installierten Leistung von einem kW_p pro 10 m² Fläche, einem jährlichen Energieertrag von ca. 750 kWh pro kW_p, einem Strombedarf Deutschlands von ca. 550 Milliarden kWh (die Größenordnung für das Jahr 2004) und der Gesamtfläche Deutschlands von ca. 350.000 km².

Geschichte der Fotovoltaik

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik Der fotoelektrische Effekt wurde bereits 1839 von dem französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel entdeckt. 1876 wiesen William G. Adams und Richard E. Day diesen Effekt auch bei einem Selenkristall nach. Nach vielen weiteren Entdeckungen und Entwicklungen gelang es dann 1954 Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson, die ersten Siliziumzellen, mit Wirkungsgraden von über vier Prozent, zu produzieren, eine Zelle erreichte sogar einen Wirkungsgrad von sechs Prozent. Die erste technische Anwendung wurde Ende der 1950er Jahre mit dem Vanguard I in der Satellitentechnik gefunden. In den 1960er und 1970er Jahren gab es, in erster Linie durch die Nachfrage aus der Raumfahrt, entscheidende Fortschritte in der Entwicklung von Fotovoltaikzellen. Ausgelöst durch die Energiekrisen in den 1970er Jahren und das gestiegene Umweltbewusstsein wird verstärkt politisch versucht, die Erschließung dieses Energiewandlers durch technische Fortschritte auch wirtschaftlich interessant zu machen. Führend sind hierbei die USA, Japan und auch die Bundesrepublik Deutschland, welche mit gesetzlichen Maßnahmen wie dem 100.000-Dächer-Programm und dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) erhebliche finanzielle Anreize bietet. Das 100.000-Dächer-Programm lief Mitte 2003 aus und wurde Anfang 2004 durch die Änderung beziehungsweise Novellierung des EEG kompensiert. Die Einspeisevergütung wurde entsprechend angehoben. Im Jahr 2005 erreicht die Gesamtleistung der in Deutschland installierten Fotovoltaik-Anlagen 1 Gigawatt_peak.

Siehe auch

- Solarstrom, Grätzel-Zelle, Füllfaktor (Solarzelle),
- Solarbatterie, Solarfahrzeug, Solarflugzeug, Solarluftschiff,
- Solartechnik, Regenerative Energie, Zukunftstechnologie, SolarWorld AG

Literatur

- Ralf Haselhuhn: Photovoltaik - Gebäude liefern Strom. Ein BINE-Informationspaket, TÜV Verlag, Köln 2005, ISBN 3-8249-0854-9
- Thomas Seltmann: Fotovoltaik: Strom ohne Ende. Solarpraxis Verlag, Berlin 2000 (aktualisiert 2004), ISBN 3-934595-02-2
- Adolf Goetzberger, Bernhard Voß, Joachim Knobloch: Sonnenenergie: Photovoltaik. Teubner, Wiesbaden 1997, ISBN 3519132141
- H.-G. Wagemann, H. Eschrich: Grundlagen der photovoltaischen Energiewandlung. Teubner, Wiesbaden 1994, ISBN 3-519-03218-X

Weblinks

- [http://www.photovoltaikforum.com www.photovoltaikforum.com] - Benutzerforum zu allen Fragen rund um das Thema Photovoltaik
- [http://www.bine.info/templ_main.php/erneuerbare_energien/photovoltaik www.bine.info] - Portal zur Energieforschung: Thema Fotovoltaik
- [http://www.volker-quaschning.de www.volker-quaschning.de] informative Seite zur Fotovoltaik, zu regenerativen Energien
- [http://www.top50-solar.de www.top50-solar.de] - Portal mit den beliebtesten Webseiten zum Thema
- [http://www.solarserver.de www.solarserver.de] - Portal für Fotovoltaik in Deutschland
- [http://www.solaranlagen-portal.de www.solaranlagen-portal.de] - Solaranlagen-Portal
- [http://www.dgs.de www.dgs.de] - Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie e.V.
- [http://www.sfv.de www.sfv.de] - Solarenergie Förderverein Deutschland e.V.
- [http://www.solarwirtschaft.de www.solarwirtschaft.de] - Unternehmensvereinigung Solarwirtschaft
- [http://www.ise.fhg.de www.ise.fhg.de] - Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
- [http://www.pv-ertraege.de www.pv-ertraege.de] - Bundesweite Aufnahme der monatlichen Stromertragsdaten von Fotovoltaikanlagen
- [http://www.iwr.de/solar/eeg-rechner/index.php www.iwr.de] - EEG-Vergütungsrechner Photovoltaik
- [http://www.iwr.de www.iwr.de] - Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien (IWR)
- [http://www.nrel.gov/ncpv/ www.nrel.gov] - USA - National Center for Photovoltaics (englisch)
- [http://www.solarbuzz.com www.solarbuzz.com] - weltweite News und Preise (englisch)
- [http://groups.google.com/groups?q=alt.solar.photovoltaic groups.google.com] - Newsgroup alt.solar.photovoltaic (englisch)
- [http://bsi-solar.de www.bsi-solar.de] - Bundesverband Solar-Industrie Kategorie:Solarenergie Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Umwelttechnik

Solarstrom

Solarstrom bezeichnet umgangssprachlich aus Sonnenenergie gewandelte elektrische Energie. Diese Energieform zählt zu den erneuerbaren Energien, da sie auf der Erde ständig zur Verfügung steht und die Sonne, nach menschlichen Maßstäben betrachtet, mit einer voraussichtlichen Brenndauer von noch etwa 5 Milliarden Jahren, eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle darstellt. Eingeschränkt wird die Verfügbarkeit durch verschiedene Faktoren, wie geographische Breite, Jahreszeit, Tageszeit, Wetterlage (zum Beispiel Umgebungstemperatur, Wolken, Lufteintrübung) und Verschattung durch Aufbauten, Bäume, Fahnenmasten und ähnliches. Der Ressourcenverbrauch auf der Sonne während der Kernfusion wird dabei im Verhältnis zur menschlichen Zeitrechnung vernachlässigt. Solarstrom kann durch Fotovoltaikanlagen erzeugt werden, aber auch mit Sonnenwärmekraftwerken generiert werden. Die wichtigsten Kraftwerkstypen sind Solarfarmkraftwerke, Solarturmkraftwerke, Dish-Stirlingmotor-Anlagen und Thermikkraftwerke.

Solarstrom in Deutschland

Im Jahr 2004 wurden in Deutschland mit einer Leistung von 770 Megawatt erstmals mehr Solarstromanlagen installiert als in Japan und den USA. Insgesamt beläuft sich die installierte Leistung auf ca. 1.360 MWp (Megawatt-peak). Davon befindet sich fast die Hälfte in Bayern (524 MW). Danach folgt Nordrhein-Westfalen mit ca. 267 MW und auf Paltz 3 befindet sich Baden - Württemberg mit 250 MW. Die deutschen Solarstrom-Unternehmen steigerten 2004 ihren Umsatz um 60 Prozent auf 2 Milliarden Euro. Für 2005 wurde erneut ein zweistelliges Wachstum der Branche prognostiziert.

Bruttostromerzeugung aus Solarenergie

Branche (Deutschland) Zum Vergleich: Gesamtbruttostromverbrauch 1990: 550,7 TWh, 2000: 578,1 TWh Quelle: Wochenbericht des DIW Berlin Nr. 29/2005

Siehe auch

Ökostrom Kategorie:Solarenergie Kategorie:Elektrische Energie

Solarzelle

Solarzellen sind eine Anwendung der Photovoltaik. Sie wandeln Lichtenergie (in der Regel Sonnenlicht) in Gleichstrom unter Ausnutzung des photoelektrischen Effekts um. Sie funktionieren im Prinzip wie Photodioden und benötigen einen p-n-Übergang für die Ladungstrennung. Wenn Photonen auf die Solarzelle treffen, so geben sie ihre Energie an die Elektronen im Material ab. Dabei werden die Elektronen nicht wie bei der Photodiode aus dem Material herausgeschlagen, sondern auf ein höheres Energieniveau angehoben. Nach dem Bändermodell werden die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband angehoben, in dem sie sich "frei" durch das Material bewegen können. Im Valenzband verbleibt eine positiv geladene Fehlstelle, ein Loch. Beim unbeleuchteten und unbelasteten p-n-Übergang diffundieren die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Löcher jeweils in die Richtung geringerer Konzentration, so dass ein elektrischer Diffusionsstrom fließt. Der Hauptteil dieser "freien" Ladungsträger stammt hierbei von den Fremdatomen der Dotierung. So lassen die Elektronen die positiv geladenen Atomrümpfe des Donators zurück, die Löcher dementsprechend die negativ geladenen Rümpfe. Das hierbei entstehende elektrische Feld der Atomrümpfe wirkt entgegengesetzt zum Diffusionsstrom der freien Ladungsträger solange bis ein Gleichgewicht entsteht. Wird die Zelle beleuchtet, entstehen pro Photon jeweils ein Elektron im Leitungsband und ein Loch im Valenzband, also ein "frei bewegliches" zusätzliches Ladungsträgerpaar. Dieses Paar kann ggf. (siehe Raumladungszone) im elektrischen Feld der Atomrümpfe getrennt werden. Hierbei werden bspw. die Elektronen von den positiven Atomrümpfen angezogen, "wandern" also Richtung n-Gebiet, d.h., es entsteht ein Strom in die Sperrrichtung der Diode. Soweit die Ladungsträger nicht wieder rekombinieren (ihre Energien wieder abgeben), kann dieser nun entstandene Strom (der Photostrom) von einem Verbraucher "abgegriffen werden". Die elektrische Spannung bei maximaler Leistung liegt bei den gebräuchlichsten Zellen (kristalline Siliziumzellen) bei etwa 0,5 Volt. Um besser verwendbare Spannungen zu erreichen, werden in einem Solarmodul (auch Photovoltaikmodul) mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Die Zellen werden meist aus so genannten Wafern hergestellt, wie sie in der Computerindustrie üblich sind. Wafer right

Herstellung einer Siliziumsolarzelle

Herstellung der Siliziumkristallsäulen

Solarzellen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Das Grundmaterial Silizium ist das zweithäufigste chemische Element, das in der Erdkruste vorkommt. Es liegt in Form von Silikaten oder als Quarz vor. Aus Quarzsand kann in einem Hochofenprozess Rohsilizium mit Verunreinigungen von circa 1 % hergestellt werden. Dieser Prozess ist sehr energieaufwändig. Dennoch können die heute verwendeten Solarzellen die für ihre Produktion erforderliche Energiemenge innerhalb von 1,5 bis 7 Jahren (je nach Bauart) wieder erzeugen, haben also eine positive Energiebilanz. Aus dem Rohsilizium wird dann über einen mehrstufigen Prozess polykristallines Reinstsilizium hergestellt. Die bis heute (2003) hier angewendeten Verfahren sind für die Elektronikindustrie optimiert und bieten für die geforderte Reinheit von Solarsilizium, die wesentlich niedriger liegt als bei Elektronikanwendungen benötigt, noch deutliches Kostenreduktionspotential. Hier wird zur Zeit intensiv geforscht. Das nun vorhandene Reinstsilizium kann auf sehr unterschiedliche Arten weiterverarbeitet werden. Für polykristalline Zellen kommen größtenteils das Gießverfahren, das Bridgman-Verfahren und das Bandzieh-Verfahren (EFG-Verfahren) zum Einsatz. Monokristalline Zellen werden fast immer nach dem Czochralski-Verfahren hergestellt. Bei allen Verfahren gilt, dass die Dotierung mit Bor (siehe unten) schon beim Herstellen der Blöcke beziehungsweise Säulen vorgenommen wird.

Gießverfahren

Das Gießverfahren dient zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen und dann langsam in eine quadratische Wanne gegossen, in der es nun langsam erstarrt. Die Kantenlänge der Wanne beträgt etwa 50 cm, die Höhe der erstarrten Schmelze etwa 30 cm. Der große Block wird in mehrere Säulen von etwa 30 cm Länge zerteilt; dabei kann mit einer Ausbeute von etwa 70 % gerechnet werden.

Bridgman-Verfahren

Das Bridgman-Verfahren dient ebenfalls zur Herstellung von polykristallinem Silizium. Das Reinstsilizium wird hier ebenfalls in einem Tiegel mit Hilfe einer Induktionsheizung aufgeschmolzen. Die langsame Abkühlung der Schmelze, bei der sich große Zonen gleichgerichteter Kristallgitter ausbilden, findet hier im gleichen Tiegel statt. Die geheizte Zone wird langsam von unten nach oben im Tiegel angehoben, so dass sich oben bis zum Schluss flüssiges Silizium befindet, während vom Tiegelboden her das Erstarren erfolgt. Hier sind die Kantenlängen etwas größer als beim Gießverfahren (etwa 60 bis 70 cm), die Höhe des Blocks beträgt etwa 20 bis 25 cm. Der große Block wird ebenfalls in mehrere Säulen von etwa 20 bis 25 cm Länge zerteilt; die Ausbeute beträgt hier etwa 60 %.

EFG-Verfahren

Bei EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth) lässt man aus Reinstsilizium achteckige Röhren von etwa 5,6 m Länge nach unten wachsen. Die Kantenlänge der einzelnen Seiten beträgt 10 cm, die Wandstärke 280 µm. Nach Fertigstellung der Röhre wird diese entlang der Kanten mit NdYAG-Lasern geschnitten und in einem bestimmten Raster dann über die Breite der jeweiligen Seite. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung von Zellen mit unterschiedlichen Kantenlängen (zum Beispiel 10 x 15 cm oder 10 x 10 cm). Es wird eine Ausbeute von etwa 80 % des Ausgangsmaterials erzielt. Bei den so erzeugten Zellen handelt es sich ebenfalls um polykristallines Material, welche sich vom Aussehen her deutlich von den gesägten Zellen unterscheidet. Unter anderem ist die Oberfläche der Zellen welliger. Dieses Verfahren wird auch Bandzieh-Verfahren genannt.

Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren wird für die Herstellung von langen monokristallinen Säulen genutzt. Vor der Herstellung der Zellen wird die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.

Zonenschmelzverfahren

Das Zonenschmelzverfahren dient auch der Herstellung monokristalliner Siliziumsäulen. Die bei diesem Verfahren erzielte Reinheit ist im Normalfall höher als für die Solartechnik benötigt und auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Deshalb wird diese Technik für die Solartechnik eher selten benutzt.

Waferherstellung

Die jeweiligen Säulen werden nun mit einem Drahtsägeverfahren in Scheiben, die sogenannten Wafer, gesägt. Dabei entsteht aus einem großen Teil des Siliziums Sägestaub, der gereinigt und wieder eingeschmolzen werden kann. Die Dicke der entstehenden Scheiben liegt bei circa 0,25 bis 0,3 mm. Eine weitere Quelle für Wafer war früher der Ausschuss an Rohlingen für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen der Computerindustrie. Sind die Rohlinge dort zur Weiterverarbeitung nicht geeignet, können sie teilweise noch als Solarzelle verwendet werden. Mit den heutigen (2005) Herstellungsverfahren und dem enorm gestiegenen Bedarf der Solarindustrie hat die Verwendung von Ausschuss heute keine Bedeutung mehr. Die monokristallinen Zellen zeichnen sich durch eine homogene Oberfläche aus, während bei den polykristallinen Zellen gut die einzelnen Zonen mit verschiedener Kristallorientierung unterschieden werden können. Sie bilden ein eisblumenartiges Muster auf der Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt sind Vorder- und Rückseite der Zelle noch nicht festgelegt. Weiterhin gibt es noch ein Verfahren der US-amerikanischen Firma Evergreen Solar, bei dem die Wafer zwischen zwei Fäden direkt aus der Silizium-Schmelze gezogen werden. Hierbei entsteht weniger Abfall (wie Späne etc., die normalerweise direkt entsorgt werden) als bei den herkömmlichen Verfahren.

Waferprozessierung

Die gesägten Wafer durchlaufen nun noch mehrere chemische Bäder, um Sägeschäden zu beheben und eine Oberfläche auszubilden, die geeignet ist, Licht einzufangen. Hier gibt es verschiedene, herstellerspezifische Konzepte. Im Normalfall sind die Wafer schon mit einer Grunddotierung mit Bor versehen. Diese bewirkt, dass es überschüssige freie Löcher (positive Ladungen) gibt, das heißt, es können Elektronen eingefangen werden. Dies wird auch p-Dotierung genannt. Auf dem Weg zur fertigen Solarzelle mit p-n-Übergang muss nun die Oberfläche noch eine n-Dotierung bekommen, was durch Prozessierung der Zelle in einem Ofen in einer Phosphor-Atmosphäre geschieht. Die Phosphoratome schaffen eine Zone mit Elektronenüberschuss auf der Zelloberfläche, die etwa 1 µm tief ist. Als nächster Schritt werden die Zellen mit einer Antireflexionsschicht aus SiN_x oder TiO₂ versehen. Danach erfolgt die Bedruckung der Zelle mit den notwendigen Lötzonen und der Struktur, welche für den besseren Abgriff des generierten elektrischen Stroms sorgt. Die Vorderseite erhält meist zwei breitere Streifen, auf denen später die Bändchen zum Verbinden mehrerer Zellen befestigt werden. Außerdem wird ein sehr dünnes, elektrisch gut leitendes Raster aufgebracht, was einerseits den Lichteinfall so wenig wie möglich behindern soll, andererseits die Ladungsträger so schnell wie möglich einsammeln soll, damit der ohmsche Widerstand so gering wie möglich ist. Die Rückseite wird meist vollflächig mit einem gut leitenden Material beschichtet. Nach der Prozessierung werden die Zellen nach optischen und elektrischen Merkmalen klassifiziert, sortiert und für die Modulproduktion ausgeliefert.

Andere Solarzellentypen

Dünnschichtzellen

Die Dünnschichtzellen werden im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Zellen meist durch Abscheiden aus der Gasphase direkt auf einem Trägermaterial aufgebracht. Dies kann Glas, Metallblech, Kunststoff oder auch ein anderes Material sein. Der Materialeinsatz ist sehr gering, während die Kombinationen der Halbleiter so gewählt sind, dass trotzdem ein recht hoher Wirkungsgrad entsteht (derzeit im November 2005 max. 5%). Noch sind aber die Wirkungsgrade für großtechnische Anwendung niedriger als bei der konventionellen Technik, und die Haltbarkeit der Zellen im Dauereinsatz muss erst noch bewiesen werden. Durch technologische Fortschritte, den geringen Materialeinsatz und das große Feld der möglichen Trägermaterialien hofft man, in Zukunft eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen, so dass diese Technik auf lange Sicht die sehr kostenintensive Dickschichttechnik ersetzen kann. Mögliche Materialien sind zum Beispiel amorphes Silizium (a-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen-Verbindungen (CIS, oder CIGS, wobei hier S für Schwefel oder Selen stehen kann, je nach Zelltyp). Ein neues, sehr viel versprechendes Verfahren ist CSG "Crystalline Silicon on Glass", es vereint die Vorteile von kristallinem Silizium als Zellenmaterial mit den geringen Kosten der Dünnfilmtechnik. Dabei wird eine weniger als zwei Micrometer dünne Siliziumschicht direkt auf einen Glasträger aufgebracht, die kristalline Struktur wird nach einer Wärmebehandlung erreicht. Die Realisierung der Stromführung erfolgt mittels Laser- und Tintenstrahldrucktechnik. Derzeit (2005) ist in Deutschland eine Fabrikationsanlage im Bau. Die Auslieferung der ersten Module wird für 2006 erwartet. (Quelle: [http://www.csgsolar.com.au/ CSG Solar])

Elektrochemische Farbstoff-Solarzelle

Dieser Zelltyp ist auch bekannt als Grätzel-Zelle. Bei diesem Zelltyp wird der Strom anders als bei den bisher aufgeführten Zellen über die Lichtabsorption eines Farbstoffes gewonnen; als Halbleiter kommt Titandioxid zum Einsatz. Als Farbstoffe werden hauptsächlich Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium verwendet, zu Demonstrationszwecken können aber selbst organische Farbstoffe, zum Beispiel der Blattfarbstoff Chlorophyll oder Anthocyane (aus Brombeeren) als Lichtakzeptor verwendet. (Diese besitzen aber nur eine geringe Lebensdauer.) Die Funktionsweise der Zelle ist noch nicht im Detail geklärt; die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

Fluoreszenz-Zelle

Hierbei handelt es sich eigentlich um einen Kollektor für Solarstrahlung, eine Beschreibung findet sich beim Thema Solarmodul.

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte der Fotovoltaik Schon 1836 erkannte Alexandre Edmond Becquerel, dass eine Batterie, die von der Sonne beschienen wird, eine größere Leistung hervorbrachte als eine ohne Sonnenbestrahlung. Er nutzte den Potentialunterschied (Säurebad mit belichtetem und unbelichtetem Teil) zwischen einer verdunkelten und einer belichteten Seite einer chemischen Lösung, in die er zwei Platinelektroden eintauchte. Als er nun diese Konstruktion in die Sonne stellte, beobachtete er, dass ein Strom zwischen den zwei Elektroden entstand. So entdeckte er den photovoltaischen Effekt, konnte ihn allerdings noch nicht erklären. 1904 entdeckte der deutsche Physiker Philipp Lenard, dass Lichtstrahlen beim Auftreffen auf bestimmte Metalle Elektronen aus deren Oberfläche herauslösen, und lieferte damit die ersten Erklärungen für den Photoeffekt. Doch er wusste noch nicht genau, warum dies passiert, und bei welchen Metallen es geschieht. Dennoch erhielt er für seine Entdeckung 1905 den Physiknobelpreis. Den endgültigen Durchbruch schaffte 1905 Albert Einstein, als er mit Hilfe der Quantentheorie die gleichzeitige Existenz des Lichts sowohl als Welle als auch als Teilchen erklären konnte. Bis dahin glaubte man, dass Licht nur als eine Energie mit unterschiedlicher Wellenlänge auftritt. Doch Einstein stellte in seinen Versuchen, die Photovoltaik zu erklären, fest, dass sich Licht in manchen Situationen genauso wie ein Teilchen verhält, und dass die Energie jedes Lichtteilchen oder Photons nur von der Wellenlänge des Lichts abhängt. Er beschrieb das Licht als eine Ansammlung von Geschossen, die auf das Metall treffen. Wenn diese Geschosse genügend Energie besitzen, wird ein freies Elektron, das sich im Metall befindet und von einem Photon getroffen wird, vom Metall gelöst. Außerdem entdeckte er, dass die maximale Energie, die abgegeben wird, von der Intensität des Lichtes unabhängig ist, und nur von der Energie abhängt, die ein auftreffendes Photon abgibt. Diese Energie hängt wiederum nur von der Wellenlänge und der Frequenz des Lichtes ab. Für seine Arbeit zur Photovoltaik erhielt er 1921 den Nobelpreis für Physik. Die Entdeckung des p-n-Übergangs im Jahre 1949 durch William B. Shockley, Walther H. Brattain und John Bardeen war ein weiterer großer Schritt zur Solarzelle in ihrer heutigen Form. Nach diesen Entdeckungen stand dem Bau einer Solarzelle in ihrer heutigen Form nichts mehr entgegen. Es ist jedoch einem glücklichen Zufall zu verdanken, dass diese erste Solarzelle 1954 in den Laboratorien der amerikanischen Firma Bell gebaut wurde. Die Mitarbeiter der Firma beobachteten, als sie einen Gleichrichter, der mit Hilfe von Silizium arbeitete, untersuchten, dass dieser mehr Strom lieferte, wenn er in der Sonne stand, als wenn er zugedeckt war. Die Firma Bell entwickelte so die ersten Solarzellen. Diese hatten allerdings nur einen Wirkungsgrad von 4 bis 6 Prozent. 1958 wurden die Solarzellen auf Satelliten getestet. Die dort erzielten Ergebnisse waren grandios. Es wurden Wirkungsgrade bis 10,5 % berechnet. Diese Ergebnisse waren jedoch nicht auf die Verhältnisse auf der Erdoberfläche übertragbar, da im Weltraum die natürliche Sonnenstrahlung keinen Tag-Nacht-Rhythmen und keiner Absorption durch Wolkendecken und Atmosphäre unterliegt. Seit dieser Zeit versuchen Industrie und Forschung, immer größere Wirkungsgrade zu erreichen. Der theoretische Wirkungsgrad liegt bei 29 % für die Strahlungsverhältnisse in mittleren Breiten. Zu den Wirkungsgraden siehe auch technische Merkmale. Bis gegen Ende der 1990er Jahre waren Zellen mit etwa 100 mm Kantenlänge (im Fachjargon auch Vier-Zoll-Zellen genannt) die üblichste Baugröße. Danach wurden auch Fünf-Zoll-Zellen verstärkt eingeführt, und seit etwa 2002 sind auch Sechs-Zoll-Zellen (Kantenlänge etwa 150 mm) für Standardmodule eine gängige Größe.

Formen und Größen

Zu Beginn der Kommerzialisierung der Solartechnik wurden häufig runde Zellen eingesetzt, deren Ursprung von den meist runden Siliziumsäulen der Computerindustrie herrührt. Inzwischen ist diese Zellenform relativ selten, und es werden quadratische Zellen oder fast quadratische mit mehr oder weniger abgeschrägten Ecken eingesetzt. Durch Sägen der fertig prozessierten Zellen entstehen für spezielle Anwendungen im Kleingerätebereich auch Zellen mit kleineren Kantenlängen. Sie liefern annähernd die gleiche Spannung wie die großen Zellen, jedoch entsprechend der kleineren Fläche einen kleineren Strom. Im EFG-Verfahren werden auch Zellen hergestellt, bei denen die Seiten des entstehenden Rechtecks nicht die gleichen Längen haben.

Technische Merkmale

Die Kenngrößen einer Solarzelle werden für normierte Bedingungen (STC, Standard Test Conditions) angegeben (Einstrahlungstärke von 1000 W/m² in Modulebene, Temperatur der Solarzelle 25 °C konstant, Strahlungspektrum AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904). Hierbei steht AM 1,5 global für den Begriff Air Mass, die 1,5 dafür, dass die Sonnenstrahlen hierbei das 1,5-fache der Atmosphärenhöhe durchlaufen, weil sie schräg auftreffen. Dies entspricht sehr gut den sommerlichen Gegebenheiten in Mitteleuropa von Norditalien bis Mittelschweden. Im Winter steht die Sonne in unseren Breiten erheblich tiefer, und ein Wert von AM 4 bis AM 6 ist hier realistischer. Durch die Absorption in der Atmosphäre verschiebt sich auch das Spektrum des auf das Modul treffenden Lichtes. "Global" steht für Globalstrahlung, die sich aus dem Diffus- und dem Direktstrahlungsanteil der Sonne zusammensetzt. Hierbei ist zu beachten, dass in der Realität insbesondere die Zellentemperatur bei einer solchen Einstrahlung, die in Deutschland im Sommer zur Mittagszeit erreicht wird, bei normalem Betrieb wesentlich höher liegt (je nach Anbringung, Windanströmung etc. kann sie zwischen etwa 30 und 60 °C liegen). Eine erhöhte Zellentemperatur bedeutet aber gleichzeitig einen herabgesetzten Wirkungsgrad der Solarzelle. Aus diesem Grund wurde auch eine weitere Bezugsgröße geschaffen, P_NOCT, die Leistung bei normaler Betriebstemperatur (normal operating cell temperature). Deutschland Gebräuchliche Abkürzungen für die Bezeichnungen sind
- SC: Short Circuit - Kurzschluss
- OC: Open Circuit - Leerlauf
- MPP: Maximum Power Point - Betriebspunkt maximaler Leistung Die Kennwerte einer Solarzelle sind
- Leerlaufspannung

U_

(auch

V_

)
- Kurzschlussstrom

I_

- Spannung im bestmöglichen Betriebspunkt

U_

(auch

V_

)
- Strom im Betriebspunkt mit maximaler Leistung

I_

- Maximale erzielbare Leistung

P_

- Füllfaktor

FF

- Koeffizient für die Leistungsänderung mit der Zelltemperatur
- Zellwirkungsgrad

\eta

Solarzellen können also eine Leistung von sehr grob 160 W/m² abgeben. Eingebaut in ein Modul ist die Leistung pro Fläche geringer, da zwischen den Zellen und zum Modulrand Abstände vorhanden sind. Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist das Verhältnis von erzeugter elektrischer Leistung zur Leistung der Globalstrahlung. Halbleiter mit fester Bandlücke nutzen nur einen Teil des Sonnenlichtes. Ihr maximaler theoretischer Wirkungsgrad liegt bei ungefähr 30 % [http://www.ds.mw.tu-darmstadt.de/services/education/MaWi_Physik_WS2002/Versuchsanleitungen/030128_Solarzellen_OF.pdf]. Bei Mehrschichtsystemen bzw. Multibandsystemen, die für verschiedene Farben des Sonnenlichts sensibilisiert sind, liegt die theoretische Grenze bei über 50% [http://www.wissenschaft.de/wissen/news/174222.html]. Wirkunngsgrade kommerziell erhältlicher Zellen gehen bis knapp über 20 Prozent (siehe Tabelle). Damit hergestellte Solarmodule erreichen bis etwa 17 Prozent Wirkungsgrad. Der Rekord für im Labor hergestellte Solarzellen liegt bei 24,7 Prozent (University of New South Wales, Australien), mit denen Module mit über 22 Prozent Wirkungsgrad hergestellt wurden. Der Preis für diese im Zonenschmelzverfahren hergestellten Zellen liegt bei etwa 200 Euro pro Zelle bei einer Zellfläche von 21,6 cm². Die Degradation des Wirkungsgrades (Alterungsverhalten) liegt bei ca. 10 Prozent in 25 Jahren. Hersteller geben beispielsweise Garantien auf mindestens 80 Prozent der Peak-Leistung nach 20 Jahren. Im Weltraum ist einerseits die Solarkonstante größer als die Globalstrahlung auf der Erde, andererseits altern die Solarzellen schneller. Solarpanele für Satelliten erreichen zur Zeit (2005) einen Wirkungsgrad von fast 25% [http://www.esa.int/techresources/ESTEC-Article-art_print_friendly_1115706332477.html] bei einer Betriebszeit von 15 Jahren.

Verschiedene Arten von Solarzellen

Solarzellen kann man nach verschiedenen Kriterien einordnen. Das gängigste Kriterium ist die Materialdicke. Hier wird nach Dickschicht- und Dünnschichtzellen unterschieden. Ein weiteres Kriterium ist das Material: Es werden zum Beispiel CdTe, GaAs oder CuInSe eingesetzt, weltweit am häufigsten jedoch Silizium. Die Kristallstruktur kann kristallin oder amorph sein. Amorphe Materialien haben keine einheitliche Gitterstruktur. Nach der verwendeten Technik bei der Fertigung der Zelle aus dem Wafer unterscheidet man verschiedene Oberflächenstrukturierungen und Anordnungen der Zellenkontaktierung. In der Dünnschichttechnik sind zudem noch verschiedenste Kombinationen von Solarzellen möglich, die gestapelt werden können, wodurch der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erhöht werden kann.

Eine Einteilung nach Materialien

# Siliziumzellen #
- Dickschicht #
- monokristalline Zellen (c-Si)
hohe Wirkungsgrade (großtechnisch bis über 20 % Wirkungsgrad erzielbar, gut beherrschte Technik; allerdings erfordert die Herstellung einen sehr hohen Energieeinsatz, der sich deutlich negativ auf die Energierücklaufzeit auswirkt #
- polykristalline Zellen (mc-Si)
inzwischen sind großtechnisch wohl Wirkungsgrade bis über 16 % möglich, relativ kurze Energierücklaufzeiten, bisher und wohl auch noch einige Zeit die Zelle mit dem günstigsten Preis-Leistungs-Verhältnis #
- Dünnschicht #
- amorphes Silizium (a-Si) #
- kristallines Silizium # GaAs-Zellen
hohe Wirkungsgrade, sehr temperaturbeständig, geringerer Leistungsabfall bei Erwärmung als kristalline Siliziumzellen, immer noch sehr teuer in der Herstellung, werden häufig in der Raumfahrt eingesetzt # CdTe
soll großtechnisch sehr günstig herstellbar sein, für eine Laborsolarzelle sind schon etwa 16% erreicht worden, Modul-Wirkungsgrade bisher noch deutlich unter 10 %, Langzeitverhalten noch nicht bekannt. # CIS-, CIGS-Zellen
CIS steht für Kupfer-Indium-Diselenid bzw. Kupfer-Indium-Disulfid. Es existiert eine Pilotfertigung zur Fertigung von Kupfer-Indium-Diselenid-Modulen in Marbach am Neckar sowie eine Pilotfertigung von Solarmodulen auf Basis von Kupfer-Indium-Disulfid in Berlin, und es entsteht derzeit eine Pilotfertigung von Solarmodulen aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid in Uppsala/Schweden.
Diese Hersteller planen ab 2006, Solarmodule in Massenproduktion herzustellen. # organische Solarzellen
Die organische Chemie liefert Werkstoffe, die eine kostengünstige Fertigung von Solarzellen erlauben. Bisheriger Nachteil ist ihr deutlich schlechterer Wirkungsgrad und die recht kurze Lebensdauer der Zellen. # Farbstoffzellen
oder auch Grätzel-Zellen nutzen organische Farbstoffe zur Umwandlung von Licht in elektrische Energie, ein Vorgang, der an die Photosynthese anlehnt.

Hersteller von Solarzellen (Auswahl)

Deutschland

- ANTEC SOLAR ENERGY AG, Arnstadt (Thüringen)
- Deutsche Cell GmbH (SolarWorld AG-Tochter), Freiberg (Sachsen)
- ErSol Solar Energy AG, Erfurt (Thüringen)
- Q-Cells AG, Thalheim (Sachsen-Anhalt)
- Schott Solar GmbH, Alzenau (Bayern)
- Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen)
- SULFURCELL Solartechnik GmbH, Berlin

Ausland

- GE Energy - Solar Power (USA) (früher Astropower)
- Isofoton (Spanien)
- Microsol Power Pvt. Ltd. (Indien)
- Photowatt (Frankreich)
- Solibro AB, Uppsala (Schweden)

Weblinks

- [http://www.pv-uni-netz.de/ PV-Uni-Netz.de]
- [http://www.solarserver.de/ Solarserver.de]
- [http://www.volker-quaschning.de/ Volker Quaschning (persönliche Homepage)]
- [http://www.asc.angstrom.uu.se/en/ Ångström Solar Center (Uppsala)] (englische Seite)
- [http://www.solarfoerderung.de/ Informationen rund um die Finanzierung von Solaranlagen]
- [http://www.solarintegration.de/ Informationsportal für solares Gestalten und Bauen] Kategorie:Solarenergie Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Umwelttechnik Kategorie:Diode ja:太陽電池 ko:태양 전지

Solarkollektor

Ein Sonnenkollektor ist eine Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus der Sonnenstrahlung. Ein Sonnenkollektor "sammelt" und absorbiert die im Sonnenlicht enthaltene Energie, wobei im Gegensatz zu photovoltaischen Anlagen auch der infrarote Strahlungsanteil (Wärmestrahlung) bei diffusem Licht genutzt wird.

Prinzip des Sonnenkollektors

Sonnenkollektoren erreichen bei der Verwertung der Sonnenstrahlung relativ hohe Wirkungsgrade - typischerweise zwischen 60 und 75 Prozent. In Europa fallen bei Sonnenschein je nach Jahreszeit und Sonnenstand zwischen 200 und 1000 W/m² ein (siehe auch Solarkonstante). Wichtigster Bestandteil des Kollektors ist der Absorber, der die Wärme aufnimmt und sie einem ihn durchfließenden Wärmeträger weitergibt. Mit Hilfe der Flüssigkeit dieses Wärmeträgers wird die Wärme aus dem Kollektor abgeführt und anschließend gespeichert (z.B. über Wärmetauscher) oder direkt als Prozesswärme verwendet. Um Wärmeverluste zu vermeiden, ist eine gute Isolierung des Absorbers gegenüber der Umgebung und auch eine Abschirmung der warmen Leitungen notwendig. Nach der Isolierungstechnik unterscheidet man
- Flachkollektoren, die herkömmliche Isolationsstoffe verwenden;
- Vakuumröhrenkollektoren, die die thermische Isolierung durch ein Vakuums erreichen, aber mehr als doppelt so teuer sind;
- Schwimmbadabsorber, die als Niedertemperatur-Kollektoren zur Schwimmbaderwärmung verwendet werden: Sie bestehen meist aus Kunststoff und sind in der Regel überhaupt nicht zusätzlich isoliert.
- Die einfachste Bauart (freilich kein Kollektor im strengen Sinn) ist ein dunkler, wassergefüllter Behälter mit großer Oberfläche. Bei Sonnenschein erwärmen sich geeignete Behälter in wenigen Stunden bis fast zur Siedetemperatur, was im Süden seit Jahrhunderten genützt wird. Sogar im Mitteleuropa kann ein gewöhnlicher Gartenschlauch Wassertemperaturen von über 60° erreichen. Der Sonnenkollektor ist der zentrale Bestandteil einer thermischen Solaranlage, die in der Regel zur Warmwassergewinnung genutzt wird, seltener auch zur Raumheizungsunterstützung. Eine Besonderheit ist der Thermosiphonkollektor, der für Solaranlagen konzipiert ist, die ohne Pumpe nach dem Schwerkraft-Umlaufprinzip arbeiten. Der Thermosiphonkollektor hat häufig bereits einen Warmwasserspeicher integriert und stellt damit eine komplette einfache Solaranlage dar, wie sie vor allem in südlichen Ländern (Griechenland, Türkei, Israel) auf vielen Dächern zu finden ist.

Aufbauschema

Israel Nebenstehendes Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Flachkollektors mit den wichtigsten Bauteilen. Die durch eine Glasplatte einfallenden Sonnenstrahlen treffen auf einen Absorber. Beim Auftreffen der Sonnenstrahlen wird kurzwellige, energiereiche Strahlung in langwellige Strahlung (Wärmestrahlung) umgewandelt. Die dabei freiwerdende Wärme darf nicht verlorengehen, weshalb der Kollektor allseitig wärmegedämmt ist. Wärme, die nicht direkt vom Absorber aufgenommen oder von diesem als Emission wieder abgestrahlt wird, wird durch die Glasscheibe zurück reflektiert. Sie ist somit im Kollektor gefangen. Dies ist der Effekt, der oft mit Wärmefalle oder Treibhauseffekt beschrieben wird. Der erhitzte Absorber überträgt die Wärme auf die in fest mit dem Absorber verbundenen Kupfer- oder Aluminiumrohren fließende Wärmeträgerflüssigkeit. Diese transportiert die gesammelte Wärmeenergie zu einem Verbraucher oder einem Wärmespeicher. Es gibt Solaranlagen mit offenem Flüssigkeitskreislauf, bei denen der Absorber direkt vom Brauchwasser durchströmt wird (vor allem bei Thermosiphonanlagen). In Regionen mit größerer Frostgefahr werden jedoch in der Regel getrennte Flüssigkeitskreisläufe verwendet, bei denen die Wärme aus dem in sich geschlossenen Solarkreislauf per Wärmetauscher auf das Brauchwasser übertragen wird. Gute Flachkollektoren erzeugen ca. 450kWh Wärmeenergie je m2 und Jahr, gute Vakuumkollektoren bis 600kWh/m2a und mehr.

Absorbertechnik

Der Absorber soll direkte und diffuse Sonnenstrahlung möglichst gut auffangen und in Wärme umwandeln (Absorption). Zugleich soll er möglichst wenig Wärme wieder in Form von Strahlung abgeben (Emission). Technisch ausgedrückt: Er soll sich selektiv verhalten. In heißen Ländern werden häufig Absorber eingesetzt, die lediglich mit so genanntem Solarlack "beschichtet" sind. Dieser Solarlack ist sehr hitzebeständig und in der Regel schwarz, um so bestmögliche Absorptionswerte zu erreichen. Zugleich sind aber auch die Emissionswerte sehr hoch und damit schlecht; ein großer Teil der eingefangenen Wärme wird direkt wieder abgestrahlt. Um die Energieverluste zu minimieren, wird daher in weniger sonnenverwöhnten Ländern auf hoch-selektive Beschichtung gesetzt, die Absorptionswerte über 90 % und Emissionswerte unter 10 % aufweisen. Eine der ersten Beschichtungen, die diesem Anspruch entsprach und serienmäßig hergestellt werden konnte, war die so genannte Schwarzchrom-Beschichtung. Sie wurde in einem galvanischen Verfahren auf das aus Kupfer oder Aluminium bestehende Absorberblech aufgebracht. Sehr vereinfacht gesagt bestand sie aus mikroskopischen Chromhärchen, die das Sonnenlicht zwischen sich einfingen. Bis etwa 1997 war die Schwarzchrom-Beschichtung marktbeherrschend. Mittlerweile erlauben aber neuere Beschichtungen nicht nur höhere Wirkungsgrade, sondern gelten - vor allem wegen des Verzichts auf galvanische Prozesse - auch unter Produktions- und Recycling-Aspekten als umweltfreundlicher. Eine immer weniger verbreitete Alternative zu Schwarzchrom war eine ebenso galvanisch aufgebrachte Nickelbeschichtung ("Schwarznickel"). Am verbreitetsten ist heute eine aufgesputterte Schicht auf Titanbasis mit blauer Farbe, die gegenüber Schwarzchrom zwar leicht schlechtere Absorptionswerte aufweist, aber dafür deutlich niedrigere Emissionswerte und damit insgesamt einen besseren Wirkungsgrad erreicht. Die ersten serienreifen Beschichtungen dieser Art wurden in Form von Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen in Deutschland entwickelt und von der Fa. TiNox [http://www.tinox.de] auf den Markt gebracht. Theoretisch sind bei dieser Beschichtung je nach Schichtaufbau auch andere Farben möglich; diese erreichen aber bisher keine vergleichbaren Leistungswerte. Eine weitere Neuentwicklung ist die sunselect-Beschichtung des Glas- und Beschichtungsherstellers Interpane [http://www.sunselect.de], eine Ceramic-Metall-Struktur (vermutlich ebenfalls auf Titan-Basis), die wie die Titan-Nitrit-Oxid-Beschichtungen im Vakuum-Sputter-Verfahren aufgebracht wird und ebenfalls schwarzbläulich schimmert. Beide Beschichtungen lassen sich bisher nur auf Absorberblechen aus Kupfer aufbringen; entsprechende Techniken für Aluminiumabsorber sind erst seit kurzem auf dem Markt. Auch diese Aluminiumabsorber verwenden jedoch zur Wärmeabführung mittels der "Solarflüssigkeit" (siehe dazu Thermische Solaranlage) eine Verrohrung aus Kupfer, die per Laser-Schweißverfahren mit dem Absorber verbunden wird. Neben der Beschichtung unterscheiden sich Absorber verschiedener Hersteller auch in ihrem prinzipiellen Aufbau. Häufig sind Absorber, die aus einzelnen Finnen bestehen, etwa 10-15 cm schmalen Streifen, auf deren Rückseite jeweils ein dünnes Rohr aufgeschweißt ist, die dann an beiden Enden in ein Sammelrohr eingelötet werden, so dass eine Art "Harfe" entsteht. Daneben gibt es Flächenabsorber, die aus einem einzigen Absorberblech bestehen; die Verrohrung ist bei diesen meist serpentinenartig auf der Rückseite aufgelötet oder -geschweißt. Eine dritte Bauform sind die Kissenabsorber. Wie Flächenabsorber bestehen sie aus einem einzigen durchgehenden Absorberblech, auf die aber rückseitig statt einer Rohrleitung ein pressgeformtes zweites Blech aufgebracht ist; die Wärmeträgerflüssigkeit strömt zwischen diesen beiden Blechen. Grundsätzlich weisen Flächenabsorber die besten Leistungswerte auf. Da anfangs die Hersteller der neuen hochselektiven Beschichtung nur Kupferbleche verarbeiten konnten, die eine bestimmte Breite nicht überschritten, werden vor allem in älteren Kollektormodellen noch überwiegend Absorberfinnen eingesetzt. Zudem erlauben Absorberfinnen mehr unterschiedliche Kollektor-Bauformen.

Solarglas

Das für den Kollektor verwendete Glas soll möglichst viel energiereiche Strahlung in den Kollektor einfallen lassen und nur die vom Absorber emittierte oder reflektierte Wärmestrahlung wieder zurück ins Kollektorinnere reflektieren. Für Hochleistungskollektoren wird daher heute meist ein spezielles Solarglas verwendet, das diese Anforderungen besser erfüllt als normales Fensterglas. Chemisch unterscheidet es sich von diesem hauptsächlich durch den geringeren Eisengehalt. Optisch sichtbar wird dieser Unterschied beim Blick auf die Kante einer Solarglas-Scheibe: Während Fensterglas beim Blick auf die Kante grünlich wirkt, ist Solarglas auch aus dieser Blickrichtung klar. Eine weitere Anforderung ist die Bruchfestigkeit gegenüber Hagel und Schneelast (ähnlich wie bei Dachfenstern), die bei möglichst geringer Scheibendicke erreicht werden soll.

Erfinder

Das Prinzip der Solarthermie wird seit langem angewandt: Brenn- und Hohlspiegel gab es schon in der Antike. Die Verwendung von Sonnenenergie geht auf den griechischen Mathematiker und Erfinder Archimedes von Syrakus (285-212 v. Chr) zurück, der angeblich mit Hilfe von Brennspiegeln die römische Flotte in Brand setzte. Im 18. Jahrhundert erfand der Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure die Vorläufer der heutigen Solar-Kollektoren. Er baute im 18. Jhd. einen einfachen Holzkasten mit schwarzem Boden und Glasabdeckung. Mit diesem ersten Sonnenkollektor erreichte er eine Temperatur von 87°C.

Geschichtliches zur Nutzung der Photovoltaik

Mitte des 19. Jahrhunderts gelang es erstmals dem Franzosen Mouchot, die Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln. Das Prinzip der Photovoltaik wurde bereits 1839 vom Franzosen Becquerel entwickelt und durch den Einsatz von Silizium als Halbleitermaterial ca. 80 Jahre später in eine effiziente Form überführt. Die Photovoltaik wurde zu einem festen Bestandteil der Raumfahrt und sichert vielfach die Stromversorgung von Raumsonden.

Einsatzbereiche: Haushalt bis Industrie

Die bekannteste Anwendung der aus Sonnenenergie gewonnenen Hitze ist die Warmwassererzeugung im Haushalt. Bei geeigneter Auslegung von Kollektorfläche und Speichervolumen reicht sie bei uns während des gesamten Sommerhalbjahres zum Waschen und Baden.
Die ersten großflächigen Anwendungen waren seit der Energiekrise der 1970er-Jahre die Beheizung von öffentlichen und zunehmend auch privaten Schwimmbädern. Auch Industriebetriebe nutzen die Sonnenenergie seit langem als Beitrag zur Prozessenergie, wobei zumindest eine Vorwärmung der Wärmeträger möglich ist. Auch das Anwärmen von Biomassekulturen - etwa zur Erzeugung von Biogas ist längst zur Marktreife gediehen. Etwas anspruchsvoller ist in der Haustechnik die solare Beheizung oder die Kühlung. Beim sog. Energiehaus ist eine fast vollständige Übernahme der Heizung durch die Sonnenstrahlung möglich. Bei Standardheizungen kann sie im Jahresschnitt bis zu einigen Zehnerprozenten zur Heizenergie beitragen und daher die Heizkosten merklich senken. Eine Amortisation der relativ teuren großflächigen Kollektoren und der Armaturen ist laut Firmenangaben in cca. 20 Jahren zu erwarten. Um auch an bewölkten und regnerischen Tagen genügend Heißwasser sicherzustellen, ist in der Thermischen Solaranlage meist ein Wärmespeicher eingebaut, der für Haushalte - je nach Familiengröße - von etwa 300 bis 1000 Liter Wasserfüllung reicht. Übliche Marktgeräte heizen die untere Hälfte, deren Konvektion bei ausreichendem Sonnenschein dann den ganzen Boiler erwärmt. Bei bedecktem Wetter ist eine Zusatzheizung mit Strom oder dem Heizkessel üblich. Von den thermischen Sonnenkollektoren zu unterscheiden sind die Solarzellen bzw. Solarmodule, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln (Photovoltaik). Siehe auch: Thermische Solaranlage, Thermochemischer Wärmespeicher, Sonnenofen, Aufwindkraftwerk

Weblinks

- [http://www.thema-energie.de www.thema-energie.de] - Deutsche Energie-Agentur (dena): Portal für Energiesparen und Erneuerbare Energien: :[http://www.thema-energie.de/category/show_category.cfm?cid=18 - Wissenskatalog Energie: Solarwärme] :[http://www.thema-energie.de/article/show_article.cfm?id=2352 - Interaktiver Solarförderberater] Kategorie:Wärmeerzeuger Kategorie:Solarenergie Kategorie:Umwelttechnik

Solar-Stirling

In Solar-Stirling-Anlagen wird solarthermische Energie in mechanische Energie unter Benutzung eines Stirlingmotors umgewandelt. Solar-Stirling-Anlagen, die einen Generator betreiben um elektrischen Strom zu produzieren, erreichen mit bis zu 30% einen besseren Wirkungsgrad als Photovoltaik-Anlagen. Solar-Stirling-Anlagen können auch bei Bewölkung oder nachts betrieben werden, wenn eine andere Hitzequelle, wie zum Beispiel die Verbrennung eines Energieträgers (Gas), eingesetzt wird. Weitere Anwendungen von Solar-Stirling-Anlagen könnten solare Kühlung oder Meerwasserentsalzung sein.

Siehe auch

Stirlingprozess, Flachplatten-Stirlingmotor Kategorie:Stirlingmotor Kategorie:Umwelttechnik Kategorie:Solarenergie

Stirlingmotor

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine zur Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit. Er ist ein Heißluftmotor und in einer Variante auch als Flachplatten-Stirlingmotor bekannt. Flachplatten-Stirlingmotor

Überblick

Der Stirlingmotor ist eine Maschine, in der ein Gas als Arbeitsmedium in einem geschlossenen Raum erwärmt wird, Volumenänderungsarbeit auf einen Arbeitskolben überträgt und in mechanische Arbeit umsetzt. Das Gas wird danach abgekühlt und wieder komprimiert. So entsteht ein Kreisprozess.

Abgrenzung von anderen Motorarten und Besonderheiten

Beim Stirlingmotor bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Das bedeutet, dass er, abgesehen von einer ggf. durch Verbrennung betriebenen externen Wärmequelle, ohne die Emission von Abgasen arbeitet. Darin unterscheidet sich dieser Motor z.B. von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, denn bei Dampfmaschinen wird der Wasserdampf außerhalb des Zylinders erhitzt, in den Zylinder geleitet und nach der (ggf. mehrstufigen) Entspannung abgelassen. Bei Verbrennungsmotoren, wie z.B. dem Ottomotor oder dem Dieselmotor wird das Gas (Kraftstoff-Luft-Gemisch) innerhalb des Zylinders durch Verbrennung erhitzt und nach der Entspannung ausgetauscht. Die äußere Wärmezufuhr und anschließende Kühlung des Gases schafft beim Stirlingmotor erhebliche Probleme hinsichtlich des Wärmedurchgangs durch eine dicke Zylinderwand, wie sie wegen der hohen Drücke erforderlich ist. Eine übliche kurzzeitige alternierende Erwärmung und anschließende Kühlung wäre nicht möglich gewesen. Man löste das Problem, indem die Motoren mit einer stetig heißen Zone und einer stetig kalten Zone ausgestattet wurden. Beim unten abgebildeten einzylindrigen Beta-Typ bewegt sich der Arbeitskolben in der fortwährend gekühlten Kaltzone (oben), während sich der Verdrängerkolben immer in der Heißzone befindet. Beim Alpha-Typ besteht der Motor aus zwei getrennten Zylindern, einem heißen Arbeitszylinder und einem kalten Kompressorzylinder. Der problematische Wärmeaustausch wird verbessert, wenn ein innerer Wärmeaustausch über einen Regenerator erfolgt, vergleichbar einer Abwärmerückgewinnung zur Vorwärmung. Die zwischengespeicherte Wärme muss nicht abgeführt und zugeführt werden, wodurch sich die Kühl- bzw. Heizflächen verringern lassen. Beim Beta-Typ wirkt der Verdrängerkolben zugleich als Regenerator, beim Alpha-Typ sitzt er zwischen den Zylindern. Das Gas wird in stetem Wechsel durch den Regenerator in die Heißzone und dann in die Kaltzone geschoben. Dabei wird es von außen erhitzt, gekühlt und nimmt intern vom Regenerator Wärme auf und gibt an diesen Wärme ab. Die im Regenerator bewegte Wärmemenge kann bis zum vierfachen der zugeführten Wärme betragen. Eine weitere Besonderheit der Stirlingmotoren besteht konstruktionsbedingt in deren hohem Totraumanteil. Der Stirlingmotor benötigt im Gegensatz zum Ottomotor keinen besonderen Treibstoff, sondern ist lediglich auf die Zuführung von Wärme angewiesen. Da die Quelle dieser Wärme unerheblich ist, kann beispielsweise Sonnenenergie, thermisch nutzbare Abwärme oder Wärme im Boden ausgenutzt werden. Der Stirlingmotor ist außerdem gegen den Vakuummotor abzugrenzen.

Bauarten

Merkmal Zylinderanordnung

...

Merkmal Getriebe

...

Funktionsweise

In dem Motor bewegen sich zwei Kolben: der so genannte Verdrängerkolben (VK) und der Arbeitskolben (AK). Beide Kolben sind um 90 Grad versetzt an einem Schwungrad befestigt, mit dem mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Diese wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht, der Verdrängerkolben wird nur mitgenommen um das Gas zu verschieben. Der Arbeitsablauf des Stirlingmotors kann in die folgenden erklärten 4 Takte unterteilt werden: Schwungrad Bild 1->2: Das Gas wird im Inneren des Stirlingmotors im heißen Bereich erhitzt, indem von außen Wärme zugeführt wird (Q zu). Durch die Erwärmung dehnt sich das Gas isotherm (T = const.) aus. Dadurch wird der Arbeitskolben (AK) nach oben geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben (VK) bewegt, da Arbeitskolben und Verdrängerkolben an einem Rad befestigt sind, allerdings um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der Verdrängerkolben kaum bewegt. In diesem Takt wird durch den Arbeitskolben am Rad Arbeit verrichtet. Bild 2->3: Das Rad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben (VK) verschiebt deshalb das Gas vom heißen Bereich in den kalten Bereich (isochore Abkühlung (V = const.)). Meistens übernimmt der Verdrängerkolben hier auch gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmespeichers, des so genannten Regenerators, der einen Teil der Wärmeenergie des Gases zwischenspeichert und das Gas dadurch abkühlt. Zudem wird das Gas z. B. durch Kühlrippen oder zusätzliche Luftkühlung (Q ab) abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Motor fällt, da das Gas abgekühlt wird. Bild 3->4: Dadurch, dass der Druck fällt, verrichtet nun der Luftdruck solange Arbeit, bis im Arbeitsraum der Druck der Atmosphäre erreicht ist. Darauf folgt die eigentliche Kompression (isotherme Kompression (T = const.)) hierzu muss Arbeit zugeführt werden. Diese Arbeit wird üblicherweise durch eine Schwungmasse aufgebracht. Die Position des Verdrängerkolbens ändert sich bei diesem Prozessabschnitt kaum. Bild 4->1: Das Rad dreht sich wieder wegen Trägheit weiter und dadurch wird der Verdrängerkolben nach oben bewegt. Dies hat zur Folge, dass das Gas aus dem oberen kühlen Bereich in den heißen Bereich verschoben wird (isochore Erwärmung (V = const.)). Der Regenerator gibt dabei die im 2. Takt gespeicherte Wärme an das Gas ab und erwärmt es zusätzlich zur Erwärmung von außen. Der Zyklus beginnt von vorne.

Theoretische Erklärung

Zustandsänderungen

Luftdruck Das Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert. Für die Zustandsänderungen gilt unter Verwendung folgender Abkürzungen:

Q, W

= Wärmemenge , Arbeit in kJ

m

= Menge des Arbeitsgases in kg

c_v

= spezifische Wärmekapazität bei v=konst. in kJ/kgK

R

= Gaskonstante in J/kgK

T_o,T_u

= obere, untere Prozesstemperatur in K

V_2,V_3

= Volumen in oberem Totpunkt in m³

V_1, V_4

= Volumen in unterem Totpunkt in m³
Takt 1-2 ist eine isotherme Ausdehnung, bei der Arbeit vom Gas verrichtet wird. Die zugeführte Wärme Q_zu entspricht der verrichteten Arbeit W_ab nach der Formel:

Q_ = W_ = m\cdot R\cdot T_0\ln \frac

Takt 2-3 ist eine isochore Abkühlung bei der das Gas durch Wärmeabfuhr an den Regenerator wieder auf den Ausgangszustand gebracht wird, die abzuführende Wärmemenge beträgt:

Q_ = m\cdot c_V\cdot (T_o - T_u)

Takt 3-4 ist eine isotherme Kompression, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit gleich der abzuführenden Wärmemenge Q_ab ist:

Q_ = W_ = m\cdot R\cdot T_u\ln \frac

Takt 4-1 ist eine isochore Erwärmung, deren Wärmemenge vom Regenerator an das Gas abgegeben wird, diese beträgt:

Q_= m\cdot c_V\cdot (T_o - T_u)

Nutzarbeit

komprimiert Im oben dargestellten pV-Diagramm ist die vom Graphen umschlossene Fläche die von der Maschine verrichtete Arbeit, im T-s-Diagramm wird sie in diesem Fall als Differenz der zugeführten und abgeführten Wärme dargestellt und ergibt die schraffierte Fläche. Ermittelt wird die Nutzarbeit aus der Energiebilanz entsprechend der linken Skizze:
zugeführte Energien = abgeführte Energien

Q_= Q_ + W_t

W_t = Q_ - Q_

mit obigen Beziehungen für Q_zu und Q_ab wird

W_t = m\cdot R\cdot T_0\ln \frac - m\cdot R\cdot T_u\ln \frac

; mit

\frac=\frac=\frac

und man erhält die Nutzarbeit zu:

W_t=m\cdot R\ln \frac\cdot (T_0 -T_U)

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad

\eta===

Wirkungsgrad Im T-s-Diagramm stellen sich die zugeführten Wärmemengen als Flächen dar und sind im Fall der isothermen Zustandsänderungen Rechteckflächen:

Q_=T_o\cdot (s_2-s_1)

Q_=T_u\cdot (s_3-s_4)

mit

wird die Nutzarbeit:

wie oben ist der Wirkungsgrad:

\eta= =  =

Die Maschine arbeitet zwischen der hohen Temperatur T_o und der niedrigen Temperatur T_u. Die Differenz dieser beiden Temperaturen ist entscheidend für den Wirkungsgrad welcher theoretisch die gleichen Werte wie beim Carnot-Prozess erreicht. Praktisch liegt er darunter, wie es bei realen Maschinen der Fall ist. Der Carnot-Wirkungsgrad kann aber mit einem präzise gefertigten Stirling-Motor sehr gut angenähert werden.

Merkmale

Carnot-Wirkungsgrad
- Der Wirkungsgrad von Stirlingmotoren erreicht theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad und ist damit höher als der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren (mit innerer Verbrennung).
- Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern kann auch Solarenergie o. ä. nutzen.
- Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen, z.B. der Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivo Kolin (Universität Zagreb 1989)
- Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht, sind beliebige Brennstoffe möglich. Außerdem kann die Verbrennung kontinuierlich und von außen erfolgen und erlaubt so günstige Abgaswerte.
- Fehlende Explosions- und Abgasgeräusche machen einen Stirlingmotor sehr leise.
- Der Verbrauch von Schmieröl ist gering.
- Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehr langsam und für Kraftfahrzeuge nicht geeignet.
- Andere Methoden der Leistungsregelung sind aufwendig.
- Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmetauscher und sind deshalb schwer.
- Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor völlig frei von Massenkräften laufen.
- Es gibt zahlreiche Bauformen, was vielseitige Anwendbarkeit und Weiterentwickelbarkeit ermöglicht.

Mögliche Anwendungen

Des weiteren kann der Stirlingmotor als Kühler oder als Wärmepumpe eingesetzt werden. Dabei wird der Stirlingmotor mechanisch angetrieben und transportiert Wärme vom kalten in den heißen Bereich. Es handelt sich in diesem Fall um einen umgekehrten Kreisprozess. Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt, sie seien die Motoren der Zukunft. Bisher haben sie sich aber nicht auf breiter Front durchgesetzt. Eine bereits bestehende Anwendung ist beispielsweise als Kühlaggregat in Wärmebildkameras. Mögliche Anwendungsbereiche sind:
- Kältemittelfreie Kühlprozesse,
- Kleine dezentrale Blockheizkraftwerke zur Erzeugung von Elektrizität und Heizwärme, beispielsweise in der Geothermie.
- Antrieb von Yachten und Booten bei großer Laufruhe. Darüber hinaus wird daran gearbeitet, Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der dritten Welt einzusetzen. Hierbei wird als Wärmequelle die Sonneneinstrahlung verwendet. Der große Vorteil gegenüber Dieselmotoren ist der wesentlich geringere Wartungsaufwand, was die Investition eines solchen Motors als Wasserpumpe nachhaltiger macht, da er auch weiterbetrieben werden kann, wenn keine Entwicklungsgelder mehr investiert werden können, beispielsweise für Wartung und Instandhaltung. Weitere Informationen finden sich unter Weblinks mit Details zur Anwendung als Wasserpumpe. Eine technische Besonderheit des Stirlingmotors ist die Möglichkeit der extremen Miniaturisierung. Dies macht ihn besonders geeignet für den Einsatz als Wärmepumpe in Satelliten und Raumschiffen. In der Medizintechnik wird zur Zeit ein Stirlingmotor entwickelt, der als Pumpe für eine Hydraulikflüssigkeit arbeitet, die wiederum die Blutpumpe von Herzunterstützungssystemen antreibt. Zum Einsatz kommt ein Freikolbenmotor mit einem thermischen Energiespeicher, der eine Speicherkapazität von acht Stunden aufweist und in einer Stunde wieder zu laden ist. Das System hat eine thermische Leistung von 21 W bei einer Leistungsabgabe von 3,3 W und wird derzeit an Tieren erprobt.

Geschichte

Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Er ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Stirling wollte mit seinem Motor eine Alternative zu den damals aufkommenden Hochdruckdampfmaschinen bieten, die zahlreiche Opfer durch Kesselexplosionen forderten. Eine erste Blüte erlebte der Stirlingmotor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzel-Energiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. Er war für damalige Verhältnisse in kleinen Ausführungen ein Massenprodukt und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar. Er wurde beispielsweise für den Antrieb von Ventilatoren verwendet. Eine Weiterentwicklung erlebte der Stirlingmotor in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts durch die niederländische Firma Philips. Das Unternehmen baute in diesem Zeitraum große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden und transportablen Kraftmaschine für die Stromerzeugung der energieintensiven Elektronenröhren in Gegenden ohne Stromversorgung. In diesem Zusammenhang entwickelte man den Philips-Stirlingmotor, einen Motor mit einem Zylinder und zwei Kolben, die auf eine gemeinsame Kurbelwelle wirkten. Beide Kolben waren mit einem Rhombengestänge miteinander verbunden, die Kolbenstange des inneren Kolbens wirkte dabei durch die hohlgebohrte Kolbenstange des äußeren Kolbens. Diese Bauart lief völlig ohne Unwucht und ließ sich beinahe beliebig verkleinern. Durch den Zweiten Weltkrieg wurde die Entwicklung unterbrochen. Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts stellte sich Frage der Energieversorgung von Radios durch den Einsatz der ersten Transistoren nicht mehr. Dafür forschten diverse Industrieunternehmen weiter am Stirlingmotor als Schiffs- und Automobilantrieb sowie wegen der Vielstofftauglichkeit im militärischen Bereich, ohne auf diesen Gebieten eine konkurrenzfähige Serienreife zu erzielen. Ab ca. 1975 gewinnt der Stirlingmotor an Bedeutung im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken (BHKW) und Kraft-Wärme-Kopplung. In Kleinst-BHKWs kommt dabei auch die besondere Bauform des Stirling-Freikolbenmotors, verblockt mit einem Linear-