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Verschiedene Nutzungsmöglichkeiten der Solarenergie

Technologie der Solarthermie und der Photovoltaik

Seminararbeit 2005 29 Seiten

Chemie - Physikalische und Theoretische Chemie

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Technologien
2.1 Photovoltaik
2.1.1 Photoeffekt
2.1.2 Die Herstellung von Solarzellen
2.1.2.1 Monokristalline Solarzellen
2.1.2.2 Polykristalline Solarzellen
2.1.2.3 Dünnschicht-Solarzellen aus amorphem Silizium
2.1.3 Einsatzbereiche photovoltaischer Energiegewinnung
2.1.3.1 Autonome Systeme
2.1.3.2 Netzgekoppelte Systeme
2.1.4 Historische Entwicklung
2.2 Solarthermie
2.2.1 Funktionsweise und Einsatzbereiche solarthermischer Energiegewinnung
2.2.1.1 Solarkollektoren
2.2.1.2 Solarthermische Kraftwerke
2.2.1.2.1 Parabolrinnenkraftwerke
2.2.1.2.2 Solarturmkraftwerke
2.2.1.2.3 Aufwindkraftwerke

3 Perspektiven solarer Energiegewinnung

4 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schema der Dotierung

Abbildung 2: Schema des p/n-Übergangs

Abbildung 3: Beispiele von autonomen Systemen

Abbildung 4: Luftaufnahme der Solaranlage Geiseltalsee

Abbildung 5: Schema eines Parabolrinnenkraftwerkes

Abbildung 6: Foto eines Parabolrinnenkraftwerkes

Abbildung 7: Schema eines Solarturmkraftwerkes

Abbildung 8: Foto eines Solarturmkraftwerkes

Abbildung 9: Computeranimation eines Aufwindkraftwerkes

1 Einleitung

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

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

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

2 Technologien

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

Beide Technologien nutzen die von der Sonne in Form von Licht abgestrahlte Energie.3 An der Außenhülle der Erdatmosphäre erreicht diese Strahlung 1353 Watt pro Quadratmeter. Dieser Wert wird auch als Solarkonstante bezeichnet. Beim Durchgang durch die Erdatmo- sphäre wird diese Strahlung durch teilweise Absorption und Streuung geschwächt.4 Auf der Erdoberfläche beträgt die Solarkonstante 1000 Watt pro Quadratmeter. Dieser Wert wird auf einer waagerechten Fläche, bei im Zenit stehender Sonne erreicht.5 Diese Bedingungen herrschen nur am Äquator auf Meereshöhe und werden durch die Atmosphä- rische Messzahl AM 1 beschrieben. Als weitere wichtige Kennzahl hat sich die Atmosphä- rische Messzahl AM 1,5 etabliert, die den Wert der Strahlung unter einem Winkel von 41,5 Grad gegen den Horizont beschreibt. Unter diesen Bedingungen durchstrahlt die Strahlung die 1,5 fache Menge an Luft wie bei AM 1.6

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

2.1 Photovoltaik

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

2.1.1 Photoeffekt

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

Als Halbleiter werden feste Stoffe bezeichnet, die in kristalliner oder amorpher Struktur vorliegen und elektrischen Strom erst bei Temperaturen weit über dem absoluten Null- punkt leiten können. Die Leitfähigkeit der Halbleiter nimmt mit steigender Temperatur zu. Typische Halbleiter sind Silizium und Germanium, welche beide in der vierten Haupt- gruppe sind und jeweils vier Valenzelektronen aufweisen (vgl. Abbildung 1a).11 Durch eine gezielte Verunreinigung des Halbleiters (Dotierung) mit Atomen anderer Stoffe wird erreicht, dass dieser entweder hauptsächlich Elektronen (n-Leiter), welche negativ geladen sind, oder positive Ladungsträger, so genannte Defektelektronen (p-Leiter) enthält. Die positiven Ladungsträger werden auch als „Löcher“ bezeichnet. Die Dotierung des Halb- leiters geschieht in der Regel mit Phosphor oder Bor.12 Dabei werden Atome des Halblei- ters entfernt und durch Phosphor oder Bor ersetzt. Phosphor, welcher Teil der fünften Hauptgruppe ist, besitzt fünf Valenzelektronen. Wird nun ein Halbleiter mit Phosphor do- tiert, weist dieser einen Überschuss von Valenzelektronen auf, weil das überschüssige Elektron im Halbleitergitter keine kovalente Bindung absättigen kann - dem Elektron fehlt ein Partner. Dadurch ist dieses Elektron schwächer gebunden als alle anderen Valenzelekt- ronen. Bei niedrigen Temperaturen zieht der fünffach positiv geladene Phosphorkern die- ses Elektron noch an. Die Anziehung lässt jedoch mit steigender Temperatur nach, bis das Elektron an das Halbleitergitter abgegeben wird: Somit enthält das Halbleitergitter haupt- sächlich Elektronen, weshalb es als n-Leiter bezeichnet wird (vgl. Abbildung 1b). Halblei- ter, die mit Bor, welches drei Valenzelektronen besitzt, dotiert werden, haben einen Elekt- ronenmangel. Das Bor-Atom hat, wenn es in das Halbleitergitter eingepflanzt wird, das Bestreben, genau wie der Halbleiter, vier Elektronen an sich zu binden. Das fehlende vierte Elektron holt sich das Bor-Atom aus dem Halbleitergitter, wodurch dort ein Loch entsteht. Solche Löcher sind aufgrund des dort fehlenden Elektrons positiv geladen, weshalb von p-Halbleitern gesprochen wird (vgl. Abbildung 1c).13 Durch die Dotierung des Halbleiters wird dessen Leitfähigkeit also stark verbessert bzw. sie kann gezielt gesteuert werden.14

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schema der Dotierung.15

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schema des p/n-Übergangs.18

Wird nun eine solche Struktur von p- und n-Halbleiter beleuchtet, treffen die im Licht ent- haltenen Photonen auf Elektronen in der Sperrschicht und schlagen diese aus dem Atom- verband – sowohl auf der p- als auch auf der n-Seite. Analog dazu entstehen genauso viele Löcher wie freie Elektronen. Um nun das Ladungsgleichgewicht wieder herzustellen, dif- fundieren die frei geschlagenen Elektronen aus dem p-Halbleiter in den n-Halbleiter, wel- cher, wie bereits erwähnt am Übergang positiv geladen ist und die Löcher vom n-Halbleiter in den p-Halbleiter, der am Übergang negativ geladen ist. Dadurch entsteht im n-Halbleiter ein Überschuss von Elektronen und im p-Halbleiter ein Überschuss von Lö- chern. Durch Metallkontakte, welche an beiden Seiten der Halbleiterdiode angebracht sind, kann der Überschuss ausgeglichen werden. Dazu muss an die beiden Metallkontakte ein Stromkreis mit Lastwiderstand angelegt werden. Wird dieser Stromkreis geschlossen, wandern die Elektronen vom n-Halbleiter zurück zum p-Halbleiter und füllen dort wieder die Löcher. Durch diesen Stromkreis fließt elektrischer Gleichstrom. Dieser Prozess wie- derholt sich so lange, wie Licht auf die Halbleiterdiode einfällt und Elektronen aus dem Atomverband schlägt.19

[...]


1 Vgl. Auer, J. (2005), S. 2.

2 Vgl. Auer, J. (2005), S. 2.

3 Vgl. Seltmann, T. (2000), S. 13.

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

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

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

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

8 Vgl. Seltmann, T. (2000), S. 27.

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

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

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

12 Vgl. Künzel, M. (1981), S. 21.

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

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

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

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

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

18 In Anlehnung an: http://de.wikipedia.org/wiki/P-n-%C3%9Cbergang.

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

Details

Seiten
29
Jahr
2005
ISBN (eBook)
9783640633562
ISBN (Buch)
9783640633579
Dateigröße
818 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v151723
Institution / Hochschule
Universität Mannheim – Institut für Physikalische und Chemische Technologie
Note
2,0
Schlagworte
Solarenergie Photovoltaik alternative Energiequellen erneuerbare Energie Solarthermie Sonnenenergie Solartechnologie Solarzellen Solarkollektoren Parabolrinnenkraftwerke Solarthermische Kraftwerke Solarturmkraftwerke Aufwindkraftwerke

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