Wie funktioniert eine Solaranlage?

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Wieso verschwenden wir Zeit für das Bohren nach Öl oder für den Kohleabbau, wenn wir im Himmel ein riesiges Kraftwerk haben, das uns ununterbrochen mit sauberer Energie versorgt? Die Sonne, ein Ball voller Nuklearkraft, hat genug Energie, um weitere 5 Milliarden Jahre im Universum zu überleben – diese Energie können wir kontinuierlich nutzen und daraus sauberen Strom produzieren.

Solarkraft klingt womöglich ungewöhnlich oder futuristisch, doch hat sie bereits einen festen Platz eingenommen. Sicherlich hast auch du eine Armbanduhr oder einen Taschenrechner, der mit Sonnenkraft aufgeladen wird. Viele Menschen haben auch solarbetriebene Leuchten im Garten. Raumschiffe und Satelliten sind außerdem in den meisten Fällen solarbetrieben. Die NASA hat sogar ein solarbetriebenes Flugzeug gebaut! Angesichts des Klimawandels und immer weiter steigender Temperaturen, wird die Solarkraft künftig einen festen Platz in den erneuerbaren Energien einnehmen. Doch wie funktioniert eine Solaranlage überhaupt?

Was ist Solarkraft und wie viel Energie kann von der Sonne gewonnen werden?

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Die meisten Solaranlagen befinden sich auf Dächern

Solarkraft ist echt beeindruckend. Durchschnittlich bekommt jeder Quadratmeter der Erdoberfläche 164 Watt Solarenergie ab. In anderen Worten: man könnte auf jeden Quadratmeter der Erde eine 150W-Lampe aufstellen und die Erde mit Hilfe der Solarenergie erleuchten. Noch ein kleiner Vergleich: würde man 1 % der Sahara mit Solarpanels bestücken, könnte man die ganze Welt mit Strom versorgen. Das ist das Gute an Solarkraft – es gibt viel davon, weitaus mehr, als wir je nutzen könnten.

Es gibt aber auch einen Nachteil am Ganzen. Die Sonnenenergie, die auf der Erde ankommt, ist ein Mix aus Licht und Wärme. Beides ist außerordentlich wichtig – das Licht lässt Pflanzen wachsen und versorgt uns mit Essen, während die Wärme dafür sorgt, dass wir überleben können. Wir können aber nicht das Licht oder die Wärme alleine nutzen, um ein elektrisches Gerät wie einen Fernseher zu betreiben. Die Energie muss erst in eine Energieart wie Strom umgewandelt werden, damit wir sie nutzen können. Und genau das ist die Aufgabe von Solarpanels.

Was sind Solarpanels?

Ein Solarpanel ist ein großes flaches Rechteck, dessen Größe von einer Heizung bis zur einer Tür reicht. Das Panel besteht aus verschiedenen Sonnenkollektoren, die Solarzellen genannt werden. Diese Solarzellen werden von einer Glasschicht geschützt. Die Solarzellen sind üblicherweise faustgroß, achteckig und blau-schwarz gefärbt. Genau wie Batteriezellen, wurden Solarzellen dafür konstruiert, um Strom herzustellen. Während die Batteriezellen den Strom aus verschiedenen Chemikalien herstellen, stellt eine Solarzelle den Strom mit Sonnenlicht her. Manchmal werden die Solarzellen auch Photovoltaik-Zellen genannt (PV). Sie benutzen Sonnenlicht („Photo“ ist griechisch für Licht) und sie stellen Strom her („voltaik“ ist eine Referenz zum italienischen Elektro-Pionier Alessandro Volta).

Jede Zelle generiert einige Volt Strom. Sie werden bei einem Solarkraftwerk kombiniert, um höhere Spannungen und Volt-Zahlen zu erzielen. Die Zellen werden aus Silizium gewonnen, das auch im Sand ziemlich häufig vorkommt. Wenn die Sonne auf die Solarzelle strahlt, sorgt die Energie dafür, dass Elektronen das Silizium verlassen. Da sie das aber nicht können, bewegen sie sich im Kreis und erzeugen Strom. Diese Erklärung ist ziemlich einfach, weshalb wir einen detaillierteren Blick auf Solarzellen werfen möchten.

Solarzellen im Detail

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Kombinierte Solarzellen

Silizium ist das Material, aus welchem Transistoren (kleine Schalter) in Mikrochips produziert werden – Solarzellen funktionieren ähnlich. Silizium ist ein Halbleiter. Einige Materialien, wie beispielsweise Metall, lassen Strom einfach durch sie hindurch fließen. Diese Materialien werden Leiter genannt. Andere Materialien wiederum, wie Plastik oder Holz, lassen Strom gar nicht fließen. Diese werden Isolatoren genannt. Halbleiter lassen Strom auch nicht fließen, doch unter gewissen Umständen können wir sie in Leiter verwandeln.

Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus zwei verschiedenen Lagen Silizium, die speziell behandelt wurden, um Strom auf eine besondere Weise leiten zu können. Die untere Lage wurde so bearbeitet, dass sie einige Elektronen zu wenig hat. Sie wird p-type oder positive type Silizium genannt (Elektronen sind eigentlich negativ geladen und diese Lage hat zu wenige von ihnen). Die obere Lage enthält zu viele Elektronen. Sie wird n-type oder negative type Silizium genannt.

Platzieren wir das n-type Silizium auf dem p-type Silizium, entsteht in der Mitte eine Barriere. Keine der Elektronen kann auf die andere Lage gelangen und es entsteht auch kein Strom. Würden wir eine Taschenlampe anschließen, würde sie auch nicht leuchten. Wenn aber Licht auf das Sandwich gelangt, geschieht etwas Besonderes. Das Licht können wir uns als einen Strom von energiegeladenen „Lichtpartikeln“ vorstellen, die Photonen genannt werden. Während die Photonen in das Sandwich eindringen, geben sie ihre Energie an die im Silizium befindlichen Atome ab. Die Energie bewegt die Elektronen aus dem p-type Silizium und bringt sie in das n-type Silizium, woraus ein Energiekreislauf entsteht. Je mehr Licht scheint, desto stärker und schneller bewegen sich die Elektronen. Dieser Prozess wird von Wissenschaftlern oft als photoelektrischer Prozess bezeichnet.

Wie funktionieren Solarzellen?

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  1. Eine Solarzelle ist ein Sandwich aus n-type Silizium (blau) und p-type Silizium (rot)
  2. Wenn Sonnenlicht auf die Zelle scheint, bombardieren Photonen (Lichtpartikel) die obere Lage.
  3. Die Photonen (gelbe Kleckse) tragen die Energie durch die Zelle nach unten.
  4. Die Photonen übertragen ihre Energie an die Elektronen (grüne Kleckse) in der unteren p-type Silizium-Lage.
  5. Die Elektronen benutzen diese Energie, um die Barriere zu überwinden und in die obere n-type Silizium-Lage zu gelangen, wodurch ein Kreislauf entsteht. Die Lampe beginnt zu leuchten.

Was ist Solarthermie?

PV-Zellen wandeln Sonnenlicht in Strom um. Doch gibt es auch andere Energiearten, die gewonnen werden können? Es gibt sie! So können Solarthermie-Panels auf dem Dach Warmwasser statt Strom gewinnen. Die Funktionsweise unterscheidet sich dabei vollkommen von den PV-Zellen, weil kein Strom hergestellt wird. Sie ähneln zwar den Solarpanels, doch wird aus der großen dunklen Glasschicht Wärme gewonnen. Im Inneren der Panels fließt Wasser, das durch die Sonnenwärme erwärmt wird und anschließend in einen Tank gelangt, von dem aus es in den Wasserhahn gelangt. Das nicht verwendete Wasser gelangt wieder in die Solarthermie-Panels, wo es wieder aufgewärmt wird.

Viele Häuser werden so konstruiert, dass sie sich selbst durch Passivsolargewinn aufwärmen. Große Glasflächen werden dabei so ausgerichtet, dass sie die Sonnenwärme absorbieren und daraus Wärme erzeugen. Insbesondere in kälteren Gebieten Europas und Nordamerikas wird auf diese Weise die Wärmerechnung massiv gesenkt. In wärmeren Gebieten ist es eine Herausforderung, die Sonne aus Gebäuden zu bannen und sie kühl zu halten. Üblicherweise haben die Gebäude dort eine dicke Isolierung und kleine Fenster, um den Passivsolargewinn so gering wie möglich zu halten.

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Manfred Strecker
Manfred Strecker ist Politikwissenschaftler und Mitglied bei Greenpeace. Manfred untersucht seit seinem Jugendalter Möglichkeiten, die Umwelt nachhaltig durch Technologie zu verbessern und schreibt darüber auf Energieinitiative.org .
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