Solarenergie - Physik


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:
- Energieumwandlung: den Weg von der Sonnenstrahlung zur elektrischen Energie oder Wärme beschreiben.
- Leistung: mit und rechnen.
- Wirkungsgrad: den nutzbaren Anteil der eingestrahlten Leistung bestimmen.
- Solarzelle: den photovoltaischen Effekt vereinfacht mit Halbleiter, Elektronen und Löchern erklären.
- 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:
Dabei ist das Plancksche Wirkungsquantum, die Frequenz, die Lichtgeschwindigkeit und die Wellenlänge. Kurzwelliges Licht besitzt pro Photon mehr Energie als langwelliges Licht.
Bestrahlungsstärke und Fläche
Die Bestrahlungsstärke gibt an, welche Strahlungsleistung auf einen Quadratmeter trifft. Ihre Einheit ist . Für eine bestrahlte Fläche gilt näherungsweise:
Ist das Modul gegenüber den Sonnenstrahlen geneigt, zählt vor allem die wirksame Projektionsfläche. Vereinfacht kann man schreiben:
Der Winkel liegt zwischen der Senkrechten auf das Modul und der Strahlrichtung. Bei senkrechtem Lichteinfall ist 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.
Ein Gerät mit , das eine Stunde arbeitet, setzt
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:
- Photon: Licht trifft auf das Halbleitermaterial.
- Elektron-Loch-Paar: Ausreichende Photonenenergie erzeugt bewegliche Ladungsträger.
- Elektrisches Feld: Der p-n-Übergang trennt Elektronen und Löcher.
- Spannung: Zwischen den Kontakten entsteht eine Potentialdifferenz.
- 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:
Der Wirkungsgrad vergleicht nutzbare elektrische Leistung und eintreffende Strahlungsleistung:
Mit folgt:
Der Wirkungsgrad liegt zwischen 0 und 1 und wird häufig in Prozent angegeben.
Rechenbeispiel
Ein Modul hat die Fläche . Die Bestrahlungsstärke beträgt . Der Wirkungsgrad sei .
Liefert das Modul diese Leistung fünf Stunden lang, ergibt sich im idealisierten Modell:
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 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.
- Bestrahlungsstärke: Mehr einfallende Strahlungsleistung führt meist zu größerem Photostrom.
- Einfallswinkel: Schräger Lichteinfall verringert die wirksame Fläche.
- Verschattung: Schatten kann einzelne Zellen und dadurch ganze Modulstränge bremsen.
- Temperatur: Bei vielen Siliciumzellen sinkt die Spannung, wenn die Zelltemperatur steigt.
- Spektrum: Nicht jede Wellenlänge wird gleich gut genutzt.
- 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:
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.
- Versuchsaufbau: Verbinde das Modul nacheinander mit verschiedenen Widerständen und miss Spannung sowie Stromstärke.
- Messreihe: Berechne für jeden Messpunkt .
- Winkelabhängigkeit: Verändere den Einfallswinkel, ohne den Abstand zur Lichtquelle zu ändern.
- Verschattung: Decke einen kleinen Teil des Moduls ab und vergleiche die Messwerte.
- 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
- Kilowatt und Kilowattstunde sind dasselbe. Falsch: Kilowatt misst Leistung, Kilowattstunde Energie.
- Solarzellen erzeugen nur bei Hitze Strom. Falsch: Entscheidend ist Licht; hohe Zelltemperaturen können die Spannung sogar verringern.
- Ein Batteriespeicher erzeugt Energie. Falsch: Er speichert Energie und gibt sie später mit Verlusten wieder ab.
- Photovoltaik und Solarthermie sind gleich. Falsch: Photovoltaik liefert Strom, Solarthermie vor allem Wärme.
- 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
Offene Aufgaben
Leicht
- Energieformen: Zeichne eine Energieumwandlungskette für eine Solarzelle und eine zweite für einen Sonnenkollektor.
- Solartechnik im Alltag: Fotografiere oder skizziere drei Anwendungen von Solarenergie in Deiner Umgebung und ordne sie Photovoltaik oder Solarthermie zu.
- Begriffsnetz: Gestalte ein Begriffsnetz mit Sonne, Photon, Solarzelle, Spannung, Stromstärke, Leistung und Energie.
- Erklärbild: Zeichne eine einfache Solarzelle und markiere Lichteinfall, p-Schicht, n-Schicht, elektrisches Feld und äußeren Stromkreis.
Standard
- Winkelmessung: Untersuche mit einem kleinen Solarmodul, wie die Leistung vom Einfallswinkel abhängt, und stelle die Werte in einem Diagramm dar.
- Verschattungsexperiment: Vergleiche vollständige Beleuchtung, Teilverschattung und starke Verschattung. Erkläre die Unterschiede.
- Leistungsberechnung: Entwickle drei realistische Rechenaufgaben zu , und .
- Schulgebäude: Untersuche anhand von Fotos oder Plänen, welche Dachflächen einer Schule grundsätzlich für Solarmodule geeignet erscheinen, und begründe Deine Auswahl physikalisch.
Schwer
- Kennlinie: Nimm eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf, berechne für jeden Messpunkt die Leistung und bestimme den Maximum Power Point.
- Modellkritik: Prüfe das Modell . Beschreibe, welche Einflüsse darin fehlen und wann es trotzdem nützlich ist.
- Energiesystem: Entwirf ein Konzept für die Versorgung eines kleinen Gartenhauses mit Solarmodul, Verbraucher und Speicher. Erstelle ein Energieflussdiagramm.
- Technikfolgen: Produziere einen Podcast oder ein Video, das physikalische Vorteile, technische Grenzen und Umweltaspekte der Solarenergie ausgewogen darstellt.


Lernkontrolle
- Transfer Einfallswinkel: Zwei gleich große Module stehen unterschiedlich zur Sonne. Erkläre ohne Zahlen und anschließend mit dem Kosinusmodell, warum ihre Leistungen verschieden sein können.
- Fehleranalyse: Eine Person behauptet, ein 400-Watt-Modul erzeuge jeden Tag genau 9,6 Kilowattstunden. Untersuche die Aussage und formuliere eine bessere Abschätzung.
- Systemvergleich: Entscheide für die Aufgaben Warmwasserbereitung und Betrieb eines Laptops jeweils zwischen Photovoltaik und Solarthermie. Begründe die Energieumwandlungen.
- Messdaten auswerten: Werte eine vorgegebene Tabelle aus Spannung, Stromstärke und Einfallswinkel aus. Bestimme Leistung, Maximum Power Point und mögliche Messfehler.
- Verschattung erklären: Erkläre, weshalb ein kleiner Schatten bei in Reihe geschalteten Zellen eine größere Wirkung haben kann, als seine Fläche vermuten lässt.
- Speicher beurteilen: Erkläre, warum ein Batteriespeicher die zeitliche Verfügbarkeit verbessert, aber den Energieertrag der Module nicht vergrößert.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis sind besonders wichtig:
- Du erklärst die Energieumwandlung bei Photovoltaik und Solarthermie fachlich richtig.
- Du unterscheidest Leistung, Energie, Spannung, Stromstärke und Bestrahlungsstärke.
- Du wendest , und die Wirkungsgradformel sicher an.
- Du beschreibst den photovoltaischen Effekt mit Photon, Elektron-Loch-Paar und elektrischem Feld.
- Du wertest Messwerte oder Diagramme aus und benennst Unsicherheiten.
- Du beurteilst technische Aussagen mithilfe physikalischer Modelle und nachvollziehbarer Begründungen.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
aiMOOC-Projekte
Schulfach+


aiMOOCs



aiMOOC Projekte


THE MONKEY DANCE





|
LernweltNOAH fragen