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Was ist Sonnenenergie?

Sonnenenergie ist die größte Energiequelle überhaupt. Sonnenenergie oder Solarenergie bezeichnet die von der Sonne erzeugte Energie. Die Sonne ist das Zentrum unseres Sonnensystems. Im Inneren des riesigen Kernreaktors wird durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium bei Temperaturen um 15 Millionen °C Energie gewonnen. An ihrer Oberfläche herrschen Temperaturen von rund 5700 °C. Von ihrer Oberfläche strömen Licht und Wärme ins All. Ein Teil dieser Strahlung gelangt auf die Erde und kann dort über Solarkraftwerke in Strom umgewandelt werden. Laut Schätzung liefert die Sonne täglich den weltweiten Energiebedarf von acht Jahren.

Bei den Solarkraftwerken unterscheidet man zwischen:

ammonit csp powerplant 

CSP (Concentrated Solar Power)
Parabolrinnen, Parabolspiegel oder Heliostate bündeln die Lichteinstrahlung auf einen Absorber, in dem extrem hohe Temperaturen entstehen. Die Wärme wird in einem nachgeschalteten Wärmekraftwerk in elektrischen Strom verwandelt.

ammonit pv powerplant

PV (Photovoltaik)
Eine Photovoltaikanlage besteht aus vielen miteinander verkoppelten Solarzellen. Über Halbleiterschichten wird in den Solarzellen Sonnenlicht in elektrischen Strom verwandelt.

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CPV (Concentrated Photovoltaics)
Bei der CPV-Technologie wird das Sonnenlicht mittels optischer Linsen oder gebogenen Spiegeln konzentriert und auf eine kleine PV-Fläche geleitet, um Strom zu erzeugen.

 

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Geschichte der Solarenergie

Bereits in der Antike hat man in nahezu allen Kulturen die Sonne als Energiequelle genutzt. Die aktive Nutzung der Sonnenenergie ist jedoch eine Errungenschaft der Neuzeit. Im Jahr 1839 entdeckte der französische Physiker Alexandre Edmund Bequerel den Photoeffekt und schuf damit die Voraussetzung für die heutigen Solarzellen. Er stellte beim Experimentieren mit Batterien mit galvanischem Element fest, dass die elektrische Spannung zunimmt, wenn diese mit Licht bestrahlt werden. Jedoch fehlt ihm die Erklärung für dieses Phänomen. Erst 1905 gelingt es Albert Einstein, die physikalischen Hintergründe der Photovoltaik zu ergründen.

Im Jahr 1883 entwickelt der New Yorker Charles Fritts aus Selenzellen den Vorläufer des Photovoltaikmoduls. Er schuf damit die Grundlage für weitere Arbeiten über den photoelektrischen Effekt.

Solarzellen aus Silizium sind noch recht neu: Der US-Konzern Bell Laboratories mit den Forschern Calvin Fuller, Daryl Chapin und Gerald Pearson schaffte es 1954 erstmals Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von bis zu 6% zu bauen. Die Photovoltaik wurde anschließend besonders im Umfeld der Raumfahrt-Technologie weiterentwickelt. Das Prinzip der Solarthermie wird bereits seit der Antike angewendet. Brenn- und Hohlspiegel für die Fokussierung von Lichtstrahlen gab es schon im Alten Ägypten sowie in Griechenland, wo die Olympische Fackel seit der Antike traditionell über Brennspiegel entzündet wird.

Der Schweizer Naturforscher Horace-Bénédict de Saussure erfand im 18. Jahrhundert den Vorläufer der heutigen Solar-Kollektoren. Es dauerte jedoch bis in die 70er Jahre des letzten Jahrhunderts, bis brauchbare Konzepte zur Solarthermie-Nutzung entwickelt wurden.

Die Solarenergieindustrie ist heute weltweit ein wichtiger Wachstumsmarkt und Wirtschaftsfaktor mit stetig steigenden Exportleistungen.

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Photovoltaik: Funktionsweise und Eigenschaften einer Solarzelle

Photovoltaik bezeichnet die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mittels Solarzellen. Der Umwandlungsvorgang beruht auf dem Photoeffekt, welcher die Freisetzung von positiven und negativen Ladungen in einem Festkörper durch Lichteinstrahlung beschreibt. Die Mehrzahl der weltweit produzierten Solarzellen besteht aus dem Halbleitermaterial Silizium. Zwei Siliziumschichten mit unterschiedlichen Ladungsüberschüssen formen den Hauptbestandteil der Solarzelle. Zwischen den Schichten bildet sich eine Grenzschicht aus, die freigesetzte Ladungen nur mittels Sonnenlicht passieren können. Über metallische Kontakte auf der Vorder- und Rückseite kann der Strom genutzt werden. Auf der Rückseite befindet sich in der Regel eine ganzflächige Kontaktschicht; auf der Vorderseite ein dünnes Gitter, damit Licht ungehindert auf die Oberfläche fallen kann.

Solarzellen sind meist 10x10cm groß; in jüngster Zeit im häufiger 15x15cm. Zum Schutz der Zelle und zur Verminderung von Reflexionsverlusten an der Zelloberfläche wird eine durchsichtige Antireflexionsschicht auf die Zelle aufgetragen.

Die an der Solarzelle abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial, z.B. bei Silizium ca. 0,5V. Während die Spannung nur gering von der Lichteinstrahlung abhängig ist, so steigt die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke an. Die Leistung einer Solarzelle ist temperaturabhängig. Höhere Zelltemperaturen führen zu niedrigeren Leistungen und damit zu einem schlechteren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel der eingestrahlten Lichtmenge in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Je nach Kristallart werden drei Zelltypen unterschieden: monokristallin, polykristallin und amorph.

Material Wirkungsgrad in %
(Labor)
Wirkungsgrad in %
(Produktion)
Monokristallines Silizium ca. 24 14 ... 17
Polykristallines Silizium ca. 18 13 ... 15
Amorphes Silizium ca. 13 5 ... 7

 

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Funktionsweise der Solarthermie

Im Gegensatz zur Photovoltaik, wo Solarzellen elektrischen Strom direkt aus Sonnenlicht umwandeln, erzeugen thermische Solarkraftwerke indirekt Strom aus Sonnenlicht. Die Wandlung der einfallenden Sonnenstrahlung in thermische Energie erfolgt durch das Prinzip der Absorption. Das kann durch Sonnenkollektoren geschehen, die die Sonnenstrahlung direkt absorbieren. Große thermische Solarkraftwerke arbeiten mit Konzentratoren, die auf dem Prinzip der Reflexion basieren (Hohlspiegel oder eine Vielzahl der Sonne nachgeführter Einzelspiegel). Das Sonnenlicht wird über die Konzentratoren fokussiert, wodurch eine erhöhte Lichtintensität auf dem Absorber und damit eine höhere Temperatur im Wärmeträgermedium erzielt werden kann.

Bei den thermischen Solarkraftwerken gibt es unterschiedliche Methoden der Stromgewinnung, wobei drei davon mit konzentrierenden Spiegelflächen arbeiten.

Parabolrinnen
Parabolrinnen bündeln die Sonnenstrahlung auf ein Absorberrohr, das ein Thermoöl enthält, welches als Dampf eine Turbine und somit einen Stromgenerator antreibt.

Parabolspiegel
Parabolspiegel sind große, zweiachsige Spiegel, in deren Brennpunkt sich ein Stirlingmotor befindet, an den direkt ein Stromgenerator angeschlossen ist. Bei Versuchen wurden bei großen Anlagen dieses Typs Wirkungsgrade von etwa 20 Prozent erzielt.

Heliostaten-Solarturmkraftwerk
Diese Solarkraftwerke arbeiten mit großflächigen Spiegeln, die sich Heliostaten nennen und das einfallende Sonnenlicht auf einen zentralen Absorber an der Spitze eines Turmes konzentrieren. Daher spricht man bei dieser Art auch von einem „Solarturmkraftwerk“. Durch die Bündelung auf die Turmspitze erzeugt diese Art des Solarkraftwerkes sehr hohe Temperaturen, die ein nachgeschaltetes Wärmekraftwerk dann zur Stromerzeugung nutzen kann.

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