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Solarenergie - Physik

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Solarenergie - Physik



Solarenergie - Physik


Einleitung

Solarenergie ist die Energie der Sonnenstrahlung. Sie erreicht die Erde als elektromagnetische Strahlung und kann in elektrische Energie oder Wärme umgewandelt werden. In diesem aiMOOC lernst Du die wichtigsten physikalischen Zusammenhänge kennen: Strahlungsleistung, Energieumwandlung, Photovoltaik, Solarthermie, Wirkungsgrad und elektrische Leistung.

Photovoltaikmodule auf einem Dach wandeln einen Teil der eintreffenden Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie um. Dabei wird kein Brennstoff verbrannt. Die abgegebene Leistung hängt jedoch von der Bestrahlungsstärke, der Fläche, dem Einfallswinkel, der Temperatur und der technischen Ausführung ab.


Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du:

  1. Energieumwandlung: den Weg von der Sonnenstrahlung zur elektrischen Energie oder Wärme beschreiben.
  2. Leistung: mit P=UI und E=Pt rechnen.
  3. Wirkungsgrad: den nutzbaren Anteil der eingestrahlten Leistung bestimmen.
  4. Solarzelle: den photovoltaischen Effekt vereinfacht mit Halbleiter, Elektronen und Löchern erklären.
  5. Experiment: Messwerte eines kleinen Solarmoduls aufnehmen, vergleichen und auswerten.


Sonnenstrahlung als Energiequelle

Die Sonne sendet Energie in Form von Photonen aus. Auf ihrem Weg durch die Erdatmosphäre wird ein Teil der Strahlung absorbiert, gestreut oder reflektiert. Am Erdboden kommt deshalb weniger Strahlungsleistung an als außerhalb der Atmosphäre.

Das Sonnenlicht enthält unterschiedliche Wellenlängen. Zum Spektrum gehören ultraviolette, sichtbare und infrarote Anteile. Für ein Photon gilt:

EPhoton=hf=hcλ

Dabei ist h das Plancksche Wirkungsquantum, f die Frequenz, c die Lichtgeschwindigkeit und λ die Wellenlänge. Kurzwelliges Licht besitzt pro Photon mehr Energie als langwelliges Licht.


Bestrahlungsstärke und Fläche

Die Bestrahlungsstärke G gibt an, welche Strahlungsleistung auf einen Quadratmeter trifft. Ihre Einheit ist W/m2. Für eine bestrahlte Fläche A gilt näherungsweise:

PStrahlung=GA

Ist das Modul gegenüber den Sonnenstrahlen geneigt, zählt vor allem die wirksame Projektionsfläche. Vereinfacht kann man schreiben:

PStrahlung=GAcos(α)

Der Winkel α liegt zwischen der Senkrechten auf das Modul und der Strahlrichtung. Bei senkrechtem Lichteinfall ist α=0 und der Kosinus gleich 1.

Die Karte verdeutlicht, dass die jährlich eintreffende Sonnenenergie regional verschieden ist. Jahreszeit, Tageslänge, Bewölkung, Höhenlage und Ausrichtung beeinflussen den möglichen Ertrag.


Leistung und Energie unterscheiden

Leistung beschreibt, wie schnell Energie umgewandelt wird. Die Einheit ist Watt. Energie beschreibt die insgesamt umgewandelte Menge. Sie wird zum Beispiel in Joule oder Kilowattstunden angegeben.

E=Pt

Ein Gerät mit P=1000W, das eine Stunde arbeitet, setzt

E=1000W1h=1kWh

um. Eine Kilowattstunde ist eine Energiemenge, kein Wert für Leistung.


Photovoltaik: Licht wird zu elektrischem Strom

Eine Solarzelle ist ein Halbleiterbauelement. Häufig wird Silicium verwendet. Durch gezielte Dotierung entstehen eine p-Schicht und eine n-Schicht. An ihrem Übergang bildet sich ein inneres elektrisches Feld.

Trifft geeignetes Licht auf die Zelle, können Photonen Elektronen aus Bindungen lösen. Dabei entstehen bewegliche Elektronen und sogenannte Löcher. Das elektrische Feld am p-n-Übergang trennt diese Ladungsträger. Werden die Kontakte über einen Verbraucher verbunden, fließt ein elektrischer Gleichstrom. Dieser Vorgang gehört zum inneren photoelektrischen Effekt.


Vom Photon zum Stromkreis

Der Ablauf lässt sich in fünf Schritten zusammenfassen:

  1. Photon: Licht trifft auf das Halbleitermaterial.
  2. Elektron-Loch-Paar: Ausreichende Photonenenergie erzeugt bewegliche Ladungsträger.
  3. Elektrisches Feld: Der p-n-Übergang trennt Elektronen und Löcher.
  4. Spannung: Zwischen den Kontakten entsteht eine Potentialdifferenz.
  5. Strom: In einem geschlossenen äußeren Stromkreis bewegen sich Ladungen durch den Verbraucher.

Nicht jedes Photon liefert nutzbare elektrische Energie. Manche Photonen besitzen zu wenig Energie, andere geben überschüssige Energie als Wärme ab. Zusätzlich entstehen optische und elektrische Verluste.


Von der Zelle zur Anlage

Eine einzelne Solarzelle liefert nur eine begrenzte Spannung und Stromstärke. Viele Zellen werden zu einem Solarmodul verschaltet. Mehrere Module bilden einen Strang oder einen größeren Generator.

In einer typischen Anlage übernimmt der Wechselrichter eine zentrale Aufgabe: Er wandelt den Gleichstrom der Module in Wechselstrom um. Dieser kann im Gebäude genutzt oder in ein Stromnetz eingespeist werden. Ein Batteriespeicher kann Energie zeitlich verschieben, erzeugt aber selbst keine zusätzliche Energie.


Reihenschaltung und Parallelschaltung

Bei einer idealisierten Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der Zellen. Die Stromstärke ist in allen Zellen gleich. Bei einer Parallelschaltung addieren sich die Stromstärken, während die Spannung gleich bleibt.

Das erklärt, warum Teilverschattung problematisch sein kann: In einer Reihenschaltung kann eine schwach beleuchtete Zelle den Strom des gesamten Strangs begrenzen. Bypassdioden können solche Auswirkungen verringern.


Elektrische Leistung und Wirkungsgrad

Für die elektrische Leistung gilt:

Pel=UI

Der Wirkungsgrad η vergleicht nutzbare elektrische Leistung und eintreffende Strahlungsleistung:

η=PelPStrahlung

Mit PStrahlung=GA folgt:

η=UIGA

Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0 und 1 und wird häufig in Prozent angegeben.


Rechenbeispiel

Ein Modul hat die Fläche A=1,8m2. Die Bestrahlungsstärke beträgt G=800W/m2. Der Wirkungsgrad sei η=20%.

PStrahlung=800W/m21,8m2=1440W

Pel=0,201440W=288W

Liefert das Modul diese Leistung fünf Stunden lang, ergibt sich im idealisierten Modell:

E=288W5h=1440Wh=1,44kWh

In der Wirklichkeit verändert sich die Leistung ständig. Deshalb ist die Rechnung ein Modell.


Kennlinie und Maximum Power Point

Spannung und Stromstärke einer Solarzelle sind nicht unabhängig voneinander. Zu jedem Betriebszustand gehört ein Punkt auf der Strom-Spannungs-Kennlinie. Das Produkt UI ist an einem bestimmten Punkt maximal. Dieser Punkt heißt Maximum Power Point, kurz MPP.

Ein MPP-Tracker im Wechselrichter passt den Arbeitspunkt so an, dass die Anlage unter den aktuellen Bedingungen möglichst viel Leistung liefert.


Was beeinflusst die Leistung?

Die elektrische Leistung eines Moduls wird durch mehrere Größen beeinflusst.

  1. Bestrahlungsstärke: Mehr einfallende Strahlungsleistung führt meist zu größerem Photostrom.
  2. Einfallswinkel: Schräger Lichteinfall verringert die wirksame Fläche.
  3. Verschattung: Schatten kann einzelne Zellen und dadurch ganze Modulstränge bremsen.
  4. Temperatur: Bei vielen Siliciumzellen sinkt die Spannung, wenn die Zelltemperatur steigt.
  5. Spektrum: Nicht jede Wellenlänge wird gleich gut genutzt.
  6. Verschmutzung: Staub oder Laub verringern die eintreffende Strahlung.

Ein kalter, sonniger Tag kann daher für Photovoltaik günstiger sein als ein sehr heißer Tag mit gleicher Bestrahlungsstärke.


Direkte und diffuse Strahlung

Direkte Strahlung erreicht das Modul aus der Richtung der Sonne. Diffuse Strahlung wurde in der Atmosphäre oder an Wolken gestreut und trifft aus vielen Richtungen ein. Photovoltaik arbeitet auch bei diffusem Licht, allerdings meist mit geringerer Leistung als bei starker direkter Bestrahlung.


Solarthermie: Licht wird zu Wärme

Bei der Solarthermie absorbiert eine dunkle Fläche Sonnenstrahlung. Ihre innere Energie und damit meist ihre Temperatur steigen. Eine Flüssigkeit transportiert die Wärme zu einem Speicher oder Wärmetauscher.

Ein Sonnenkollektor ist keine Solarzelle. Der Kollektor liefert vor allem Wärme, die Solarzelle liefert elektrische Energie.


Solarthermische Kraftwerke

In einem solarthermischen Kraftwerk konzentrieren Spiegel die direkte Sonnenstrahlung. Ein Wärmeträger wird erhitzt. Die Wärme kann Dampf erzeugen, der eine Turbine und einen Generator antreibt.

Dabei läuft eine längere Energieumwandlungskette ab:

Strahlungsenergiethermische Energiemechanische Energieelektrische Energie

Bei jeder Stufe treten Verluste auf. Photovoltaik wandelt Strahlungsenergie dagegen ohne Turbine direkt in elektrische Energie um.


Anwendungen

Photovoltaik versorgt Taschenrechner, Messstationen, Gebäude, Fahrzeuge und Raumfahrzeuge. Sie eignet sich besonders dort, wo Licht vorhanden ist und elektrische Leitungen fehlen oder ergänzt werden sollen.

Auch die Internationale Raumstation nutzt große Solarzellenflächen. Im Weltraum fehlen Wolken, dennoch müssen Ausrichtung, Temperatur, Strahlungsbelastung und Speicherung berücksichtigt werden.


Neue Solarzelltypen

Neben klassischen Siliciumzellen werden unter anderem Dünnschicht-, Tandem-, organische und Perowskit-Solarzellen erforscht. Ziele sind höhere Wirkungsgrade, geringerer Materialverbrauch, flexible Bauformen und neue Anwendungen.

Neue Zelltypen müssen nicht nur im Labor effizient sein. Für den Einsatz zählen auch Lebensdauer, Stabilität, Rohstoffe, Herstellung und Recycling.


Photovoltaik und Solarthermie im Vergleich

Merkmal Photovoltaik Solarthermie
Hauptprodukt Elektrische Energie Wärme
Zentrale Umwandlung Innerer photoelektrischer Effekt Absorption und Erwärmung
Typisches Bauteil Solarzelle Sonnenkollektor
Wichtige Größe Spannung und Stromstärke Temperatur und Wärmestrom
Mögliche Speicherung Batterie oder andere Stromspeicher Warmwasserspeicher oder Wärmespeicher

Beide Techniken nutzen Sonnenstrahlung, aber sie liefern unterschiedliche Energieformen. Welche Technik sinnvoll ist, hängt vom benötigten Produkt ab.


Experiment: Leistung eines Solarmoduls untersuchen

Du benötigst ein kleines Schul-Solarmodul, ein Multimeter, verschiedene Widerstände, ein Maßband und eine sichere Lichtquelle oder Sonnenlicht. Arbeite nur mit Schutzkleinspannung.

  1. Versuchsaufbau: Verbinde das Modul nacheinander mit verschiedenen Widerständen und miss Spannung sowie Stromstärke.
  2. Messreihe: Berechne für jeden Messpunkt P=UI.
  3. Winkelabhängigkeit: Verändere den Einfallswinkel, ohne den Abstand zur Lichtquelle zu ändern.
  4. Verschattung: Decke einen kleinen Teil des Moduls ab und vergleiche die Messwerte.
  5. Auswertung: Stelle Leistung und Winkel oder Leistung und Widerstand in einem Diagramm dar.

Für eine vertiefte Messung kannst Du die Strom-Spannungs-Kennlinie aufnehmen und den Maximum Power Point bestimmen.


Sicherheit

Blicke niemals direkt in die Sonne und bündele Sonnenlicht nicht auf Augen oder Haut. Führe keine Arbeiten auf Dächern durch. Öffne keine Wechselrichter und verbinde Schulmodule niemals direkt mit dem Stromnetz. Solarthermische Bauteile und gebündeltes Licht können sehr heiß werden.


Vorteile und Grenzen aus physikalischer Sicht

Solarenergie ist erneuerbar und während des Betriebs ohne Brennstoff nutzbar. Photovoltaikanlagen besitzen keine Turbine und arbeiten geräuscharm. Ihre Leistung schwankt jedoch mit Tageszeit, Wetter, Jahreszeit und Standort. Für eine zuverlässige Versorgung sind deshalb Netze, Speicher, regelbare Verbraucher oder weitere Energiequellen wichtig.

Auch Herstellung, Transport, Flächenbedarf, Lebensdauer und Recycling benötigen Energie und Material. Eine vollständige Bewertung betrachtet daher den gesamten Lebensweg und nicht nur den Betrieb.


Häufige Denkfehler

  1. Kilowatt und Kilowattstunde sind dasselbe. Falsch: Kilowatt misst Leistung, Kilowattstunde Energie.
  2. Solarzellen erzeugen nur bei Hitze Strom. Falsch: Entscheidend ist Licht; hohe Zelltemperaturen können die Spannung sogar verringern.
  3. Ein Batteriespeicher erzeugt Energie. Falsch: Er speichert Energie und gibt sie später mit Verlusten wieder ab.
  4. Photovoltaik und Solarthermie sind gleich. Falsch: Photovoltaik liefert Strom, Solarthermie vor allem Wärme.
  5. Bei Wolken ist die Leistung immer null. Falsch: Diffuses Licht kann weiterhin elektrische Leistung erzeugen.


Interaktive Aufgaben


Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Energieform trifft zuerst auf eine Solarzelle? (Strahlungsenergie) (!Chemische Energie) (!Kernenergie) (!Lageenergie)




Welche Formel beschreibt die elektrische Leistung? (P gleich U mal I) (!P gleich U durch I) (!P gleich I durch U) (!P gleich U plus I)




Was trennt in einer Siliciumsolarzelle Elektronen und Löcher? (Das elektrische Feld am p-n-Übergang) (!Der Aluminiumrahmen) (!Die Glasscheibe) (!Der Wechselrichter)




Welche Einheit gehört zur Bestrahlungsstärke? (Watt pro Quadratmeter) (!Kilowattstunde) (!Volt pro Sekunde) (!Ohm pro Meter)




Was ist die Hauptaufgabe eines Wechselrichters? (Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln) (!Sonnenlicht speichern) (!Das Modul kühlen) (!Wärme in Masse umwandeln)




Was geschieht bei einer idealen Reihenschaltung von Solarzellen mit den Spannungen? (Sie addieren sich) (!Sie werden immer null) (!Sie bleiben unabhängig von der Zellzahl gleich) (!Sie werden in Wärme umgerechnet)




Was beschreibt der Wirkungsgrad? (Den Anteil der nutzbaren Ausgangsleistung an der zugeführten Leistung) (!Die Dauer eines Sonnentags) (!Die Masse eines Solarmoduls) (!Die Zahl der Wolken)




Welches Bauteil liefert hauptsächlich Wärme? (Sonnenkollektor) (!Solarzelle) (!Wechselrichter) (!Elektromotor)




Wann ist die wirksame bestrahlte Fläche im einfachen Winkelmodell maximal? (Bei senkrechtem Lichteinfall) (!Bei vollständiger Verschattung) (!Bei einem Winkel von neunzig Grad zur Flächennormale) (!In völliger Dunkelheit)




Wofür steht MPP bei einer Solarzelle? (Punkt maximaler Leistung) (!Punkt minimaler Photonenenergie) (!Messung permanenter Polarität) (!Modul paralleler Pole)





Memory

Photovoltaik Elektrische Energie aus Licht
Solarthermie Wärme aus Sonnenstrahlung
Wechselrichter Gleichstrom zu Wechselstrom
Wirkungsgrad Verhältnis von Nutzen zu Zufuhr
Bestrahlungsstärke Strahlungsleistung je Fläche
p-n-Übergang Inneres elektrisches Feld
Kilowattstunde Einheit einer Energiemenge
Maximum Power Point Arbeitspunkt größter Leistung





Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu. Thema
Photon Lichtquant
Solarzelle Direkte Stromerzeugung
Sonnenkollektor Wärmeerzeugung
Wechselrichter Stromartumwandlung
Batteriespeicher Zeitliche Verschiebung der Energienutzung






Kreuzworträtsel

Photon Wie heißt ein Lichtquant?
Silicium Welcher Halbleiter wird häufig für Solarzellen verwendet?
Spannung Welche elektrische Größe wird in Volt gemessen?
Leistung Welche Größe wird in Watt gemessen?
Kollektor Welches Bauteil gewinnt bei Solarthermie Wärme?
Inverter Wie heißt der Wechselrichter auch mit einem englischen Fachwort?





LearningApps


Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Sonne überträgt Energie als elektromagnetische

.
Die Strahlungsleistung pro Fläche heißt

.
Eine Solarzelle nutzt den inneren

Effekt.
Am p-n-Übergang trennt ein elektrisches

die Ladungsträger.
Die elektrische Leistung berechnet sich aus Spannung mal

.
Der Anteil der nutzbaren Leistung heißt

.
Ein Wechselrichter erzeugt aus Gleichstrom

.
Ein Sonnenkollektor liefert hauptsächlich

.
Das Produkt aus Leistung und Zeit ergibt die

.
Der Arbeitspunkt mit der größten Leistung heißt

.




Offene Aufgaben


Leicht

  1. Energieformen: Zeichne eine Energieumwandlungskette für eine Solarzelle und eine zweite für einen Sonnenkollektor.
  2. Solartechnik im Alltag: Fotografiere oder skizziere drei Anwendungen von Solarenergie in Deiner Umgebung und ordne sie Photovoltaik oder Solarthermie zu.
  3. Begriffsnetz: Gestalte ein Begriffsnetz mit Sonne, Photon, Solarzelle, Spannung, Stromstärke, Leistung und Energie.
  4. Erklärbild: Zeichne eine einfache Solarzelle und markiere Lichteinfall, p-Schicht, n-Schicht, elektrisches Feld und äußeren Stromkreis.


Standard

  1. Winkelmessung: Untersuche mit einem kleinen Solarmodul, wie die Leistung vom Einfallswinkel abhängt, und stelle die Werte in einem Diagramm dar.
  2. Verschattungsexperiment: Vergleiche vollständige Beleuchtung, Teilverschattung und starke Verschattung. Erkläre die Unterschiede.
  3. Leistungsberechnung: Entwickle drei realistische Rechenaufgaben zu P=UI, E=Pt und η=Pnutz/Pzu.
  4. Schulgebäude: Untersuche anhand von Fotos oder Plänen, welche Dachflächen einer Schule grundsätzlich für Solarmodule geeignet erscheinen, und begründe Deine Auswahl physikalisch.


Schwer

  1. Kennlinie: Nimm eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf, berechne für jeden Messpunkt die Leistung und bestimme den Maximum Power Point.
  2. Modellkritik: Prüfe das Modell P=GAη. Beschreibe, welche Einflüsse darin fehlen und wann es trotzdem nützlich ist.
  3. Energiesystem: Entwirf ein Konzept für die Versorgung eines kleinen Gartenhauses mit Solarmodul, Verbraucher und Speicher. Erstelle ein Energieflussdiagramm.
  4. Technikfolgen: Produziere einen Podcast oder ein Video, das physikalische Vorteile, technische Grenzen und Umweltaspekte der Solarenergie ausgewogen darstellt.




Text bearbeiten Bild einfügen Video einbetten Interaktive Aufgaben erstellen



Lernkontrolle

  1. Transfer Einfallswinkel: Zwei gleich große Module stehen unterschiedlich zur Sonne. Erkläre ohne Zahlen und anschließend mit dem Kosinusmodell, warum ihre Leistungen verschieden sein können.
  2. Fehleranalyse: Eine Person behauptet, ein 400-Watt-Modul erzeuge jeden Tag genau 9,6 Kilowattstunden. Untersuche die Aussage und formuliere eine bessere Abschätzung.
  3. Systemvergleich: Entscheide für die Aufgaben Warmwasserbereitung und Betrieb eines Laptops jeweils zwischen Photovoltaik und Solarthermie. Begründe die Energieumwandlungen.
  4. Messdaten auswerten: Werte eine vorgegebene Tabelle aus Spannung, Stromstärke und Einfallswinkel aus. Bestimme Leistung, Maximum Power Point und mögliche Messfehler.
  5. Verschattung erklären: Erkläre, weshalb ein kleiner Schatten bei in Reihe geschalteten Zellen eine größere Wirkung haben kann, als seine Fläche vermuten lässt.
  6. Speicher beurteilen: Erkläre, warum ein Batteriespeicher die zeitliche Verfügbarkeit verbessert, aber den Energieertrag der Module nicht vergrößert.




Lernnachweis

Für einen Lernnachweis sind besonders wichtig:

  1. Du erklärst die Energieumwandlung bei Photovoltaik und Solarthermie fachlich richtig.
  2. Du unterscheidest Leistung, Energie, Spannung, Stromstärke und Bestrahlungsstärke.
  3. Du wendest P=UI, E=Pt und die Wirkungsgradformel sicher an.
  4. Du beschreibst den photovoltaischen Effekt mit Photon, Elektron-Loch-Paar und elektrischem Feld.
  5. Du wertest Messwerte oder Diagramme aus und benennst Unsicherheiten.
  6. Du beurteilst technische Aussagen mithilfe physikalischer Modelle und nachvollziehbarer Begründungen.




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