Sexl Physik 7, Schulbuch

Energie aus Sonnenstrahlung Die Energie der Sonneneinstrahlung kann mit einem einfachen Versuch ungefähr bestimmt werden: Experiment: Energie der Sonnenstrahlung 26.1 E 1 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 Styropor- becher 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 1m 2 . Die Erde empfängt Sonnenenergie in Form von elektromagnetischer Strahlung. Die Strahlungsleistung (Energie pro Sekunde), die auf eine Fläche von 1m 2 senkrecht zur Strahlrichtung fällt, heißt Solarkonstante und beträgt oberhalb der Erdatmo- sphäre ca. 1,4 kW/m 2 . An der Erdoberfläche ergeben sich je nach Sonnenstand und Luftreinheit Werte bis 800W/m 2 . 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 eine elektrische Gleichspannung er- zeugt (s. Kapitel Halbleiter, S. 28). Einzelne Solarzellen werden zu größeren Einheiten, den Solarmodulen ( 26.3) , miteinander verschaltet und liefern durch Serienschaltung höhere Spannungen, bzw. durch Parallelschaltung höhere Stromstärken. Die typische Größe von Solar- modulen für die Installation auf Dächern und Fassaden beträgt etwa 1,5m 2 , die ty- pische Nennleistung pro Solarmodul liegt bei einer Einstrahlung von 1 000W/m 2 und einem Einfallswinkel von 90° zwischen 75 und 250W (Wirkungsgrad 5–20% ). Große Photovoltaik-Kraftwerke auf freien Flächen, an Lärmschutzwänden etc. liefern Leistungen im Megawatt-Bereich und benötigen in Mitteleuropa ca. 10 000m 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 ( 26.5 ) montiert. Das Sonnen- licht fällt in einen wärmegedämmten Kasten mit einer Glasabdeckung. In ihm wird ein geschwärztes Absorberblech durch die Sonnenstrahlung erwärmt. Die Glas- scheibe 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. Solarzelle Sonneneinstrahlung Glasabdeckung Absorber Rohre für die Solarflüssigkeit Isolierung Gehäuse 26.4 Auf die Solarzelle fällt mehr Licht, wenn sie zur Sonne hin ausgerichtet ist. 26.5 Schematischer Aufbau eines Sonnenkollektors 26.1 In Österreich beträgt die jährliche Sonnen- einstrahlung zwischen 1000 kWh/m 2 und 1500 kWh/m 2 . (Quelle: ZAMG) Sonnenstrahlen Styroporbecher Metallplatte Thermometer Sekunden 26.2 Experiment zur Bestimmung der Strahlungsleistung der Sonne. 26.3 Solarmodul: Eine durchsichtige Anti- reflexschicht dient zum Schutz der Zellen und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Oberfläche. 26.6 Ein Parabolrinnenkraftwerk in Lebrja (Spanien) 26 ENERGIE Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv