Sexl Physik 7, Schulbuch

| 90 Energie aus Sonnenstrahlung Die Energie der Sonneneinstrahlung kann mit einem einfachen Versuch ungefähr bestimmt werden: Experiment: Energie der Sonnenstrahlung 90.1 Du brauchst: Scheibe aus Metall (z. B. Beilagscheibe aus Stahl mit kleinem Loch, Styroporbecher, schwarzer Sprühlack oder Kerze, Infrarot-Thermometer, Waage. Was ist zu tun? 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 End- temperatur 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 und berechne die Strahlungsleistung der Sonne pro 1 m 2 . Die Erde empfängt Sonnenenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung. Die Strahlungsleistung (Energie pro Sekunde), die auf eine Fläche von 1 m 2 senkrecht zur Strahlrichtung fällt, heißt Solarkonstante und beträgt oberhalb de Erdatmo- sphäre 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 durch- schnittlich 1100 kWh/m 2 , das sind pro Tag 3 kWh Energie pro Quadratmeter. Photovoltaik: Solarzellen wandeln Licht in elektrische Energie um. Sie bestehen aus Halbleitermaterial, das bei Lichteinfall durch den inneren Photoeffekt eine elektrische Gleichspannung erzeugt (s. Kapitel Halbleiter, S. 92). Einzelne Solarzellen werden zu größeren Einheiten, den Solarmodulen ( 90.3 ) , miteinander verschaltet und liefern durch Serienschaltung höhere Spannungen, bzw. durch Parallelschaltung höhere Stromstärken (s. Physik 5). Die typische Größe von Solarmodulen für die Installation auf Dächern und Fassaden beträgt etwa 1,5 m 2 , die typische Nennleistung pro Solarmodul liegt bei einer Lichteinstrah- lung von 1000 W/m 2 und einem Einfallswinkel von 90° zwischen 75  und 250 W  (Wirkungsgrad 5–20 % ). Große Photovoltaik-Kraftwerke auf freien Flächen, an Lärmschutzwänden etc. liefern Leistungen im Megawatt-Bereich und benötigen in Mitteleuropa ca. 10000 m 2 Solarmodule pro Megawatt. Zur Einspeisung der Energie ins Leitungsnetz muss die Gleichspannung in Wech- selspannung umgeformt und mit dem Stromnetz synchronisiert werden. Solarthermie: Solarthermische Anlagen werden einerseits für Heizung und Warmwasserbereitung einzelner Gebäude genutzt, andererseits dienen sie groß- technisch in Form von solarthermischen Kraftwerken zur Stromerzeugung. Auf vielen Hausdächern sind Sonnenkollektoren ( 90.5 ) montiert. Das Sonnen- licht 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 ei- nem Warmwasserspeicher wird die Wärme gespeichert. Solarthermische Kraftwerke nutzen im Gegensatz zur Photovoltaik nicht den Photoeffekt (s. S. 42), sondern die Wärme zur Dampferzeugung für den Antrieb von Generatoren. 90.1 In Österreich beträgt die jährliche Son- neneinstrahlung zwischen 1000 kWh/m 2 und 1500 kWh/m 2 . (Quelle: ZAMG) Sonnenstrahlen Styroporbecher Metallplatte Thermometer Sekunden 90.2 Experiment zur Bestimmung der Strah- lungsleistung der Sonne. 90.3 Solarmodul: Eine durchsichtige Anti- reflexschicht dient zum Schutz der Zellen und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Oberfläche. Solarzelle 90.4 Auf die Solar- zelle fällt mehr Licht, wenn sie zur Sonne hin ausgerichtet ist. Sonneneinstrahlung Glasabdeckung Absorber Rohre für die Solarflüssigkeit Isolierung Gehäuse 90.5 Schematischer Aufbau eines Sonnen- kollektors 90.6 Ein Parabolrinnenkraftwerk in Lebrija (Spanien) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv