Energie aus Sonnenstrahlung Die Energie der Sonneneinstrahlung kann mit einem einfachen Versuch ungefähr bestimmt werden (30.1): Experiment: Energie der Sonnenstrahlung 30.1 E1 Du brauchst: Scheibe aus Metall (z. B. Beilagscheibe aus Stahl mit kleinem Loch), Styroporbecher, schwarzer Sprühlack oder Kerze, (Infrarot-) Thermometer, Waage. Schwärze die Metallscheibe mit Kerzenruß oder Lack. Lege sie in den Styroporbecher und setze die geschwärzte Seite 1 Minute lang so der Sonne aus, dass die Sonnenstrahlen möglichst senkrecht auf die Scheibe fallen. Miss Anfangs- und Endtemperatur und berechne daraus mittels der spezifischen Wärmekapazität von Stahl (ca. 500 J/ (K·kg)) und der Masse der Scheibe die eingestrahlte Energie. Bestimme die Größe der bestrahlten Fläche, berechne die Strahlungsleistung der Sonne pro 1 m2. 30.2 E2 An das Parabolrinnen-Kraftwerk in Andasol (Spanien) (30.2) ist ein thermischer Speicher angeschlossen, der ein Salz enthält, welches tagsüber mit überschüssiger Energie geschmolzen wird und diese so als Schmelzwärme speichert. Auf diese Weise kann das Kraftwerk auch bis zu 7,5 Stunden nach Sonnenuntergang die volle Nennleistung liefern. Plane ein Experiment, mit dem die Energiespeicherung in einer Flüssigkeit oder in einem Salz mit geeignetem Schmelzpunkt a) demonstriert und b) die gespeicherte Energiemenge gemessen werden kann. Die Erde empfängt Sonnenenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung. Die Strahlungsleistung (Energie pro Sekunde), die auf eine Fläche von 1 m2 senkrecht zur Strahlrichtung fällt, heißt Solarkonstante und beträgt oberhalb der Erdatmosphäre ca. 1,4 kW/m2. An der Erdoberfläche ergeben sich je nach Sonnenstand und Luftreinheit Werte bis 800 W/m2. In Österreich liefert die Sonne pro Jahr durchschnittlich 1 100 kWh/ m2, das sind pro Tag 3 kWh Energie pro Quadratmeter (30.3). Photovoltaik: Solarzellen wandeln Licht in elektrische Energie um. Sie bestehen aus Halbleitermaterial, das bei Lichteinfall eine elektrische Gleichspannung erzeugt (siehe Kapitel Halbleiter, S. 34). Einzelne Solarzellen werden zu größeren Einheiten, den Solarmodulen (30.4), miteinander verschaltet und liefern durch Serienschaltung höhere Spannungen, bzw. durch Parallelschaltung höhere Stromstärken. Die typische Größe von Solarmodulen für die Installation auf Dächern und Fassaden beträgt etwa 1,5 m2, die typische Nennleistung pro Solarmodul liegt bei einer Einstrahlung von 1 000 W/m2 und einem Einfallswinkel von 90° zwischen 75 und 250W (Wirkungsgrad 5–20%) (30.5). Große PhotovoltaikKraftwerke auf freien Flächen, an Lärmschutzwänden etc. liefern Leistungen im Megawatt-Bereich und benötigen in Mitteleuropa ca. 10 000 m2 Solarmodule pro Megawatt. Zur Einspeisung der Energie ins Leitungsnetz muss die Gleichspannung in Wechselspannung umgeformt und mit dem Stromnetz synchronisiert werden. Solarthermie: Solarthermische Anlagen werden einerseits für Heizung und Warmwasserbereitung einzelner Gebäude genutzt, andererseits dienen sie großtechnisch in Form von solarthermischen Kraftwerken zur Stromerzeugung. Auf vielen Hausdächern sind Sonnenkollektoren (30.6) montiert. Das Sonnenlicht fällt in einen wärmegedämmten Kasten mit einer Glasabdeckung. In ihm wird ein geschwärztes Absorberblech durch die Sonnenstrahlung erwärmt. Die Glasscheibe verhindert Wärmeverluste des erwärmten Absorbers durch Strahlung und Wind. Der Absorber überträgt die Wärme auf eine Flüssigkeit (meist Wasser), die durch Rohre gepumpt wird, welche mit dem Absorber verbunden sind. In einem Warmwasserspeicher wird die Wärme gespeichert. 30.1 Experiment zur Bestimmung der Strahlungsleistung der Sonne. Sonnenstrahlen Styroporbecher Metallplatte Thermometer Sekunden 30.2 Ein Parabolrinnen-Kraftwerk in Andasol (Spanien). Es liefert Energie für etwa 200 000 Menschen. 30.3 In Österreich beträgt die jährliche Sonneneinstrahlung zwischen 1 000 kWh/m2 und 1 500 kWh/m2 (Quelle: GeoSphere Austria) 30.4 Solarmodul: Eine durchsichtige Antireflexschicht dient zum Schutz der Zellen und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Oberfläche. 30.5 Auf die Solarzelle fällt mehr Licht, wenn sie zur Sonne hin ausgerichtet ist. Solarzelle 30.6 Schematischer Aufbau eines Sonnenkollektors Sonneneinstrahlung Glasabdeckung Absorber Rohre für die Solarflüssigkeit Isolierung Gehäuse 30 Energie 2 Energieversorgung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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