Solarenergie ist jede Art von Energie, die von der Sonne erzeugt wird.
Sonnenenergie entsteht durch Kernfusion, die in der Sonne stattfindet. Fusion tritt auf, wenn Protonen von Wasserstoffatomen im Sonnenkern heftig kollidieren und zu einem Heliumatom verschmelzen.
Dieser Prozess, bekannt als PP (Proton-Proton)-Kettenreaktion, emittiert eine enorme Menge an Energie. In ihrem Kern verschmilzt die Sonne jede Sekunde etwa 620 Millionen Tonnen Wasserstoff. Die PP-Kettenreaktion tritt in anderen Sternen auf, die etwa so groß sind wie unsere Sonne, und versorgt sie kontinuierlich mit Energie und Wärme. Die Temperatur für diese Sterne beträgt etwa 4 Millionen Grad auf der Kelvin-Skala (etwa 4 Millionen Grad Celsius, 7 Millionen Grad Fahrenheit).
In Sternen, die etwa 1,3 mal größer als die Sonne sind, treibt der CNO-Zyklus die Erzeugung von Energie an. Der CNO-Zyklus wandelt auch Wasserstoff in Helium um, ist jedoch auf Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff (C, N und O) angewiesen. Derzeit werden weniger als 2% der Sonnenenergie durch den CNO-Zyklus erzeugt.
Kernfusion durch die PP-Kettenreaktion oder CNO-Zyklus setzt enorme Mengen an Energie in Form von Wellen und Teilchen frei. Solarenergie fließt ständig von der Sonne weg und durch das Sonnensystem. Sonnenenergie erwärmt die Erde, verursacht Wind und Wetter und erhält Pflanzen- und Tierleben.
Die Energie, Wärme und das Licht der Sonne fließen in Form elektromagnetischer Strahlung (EMR) ab.
Das elektromagnetische Spektrum existiert als Wellen unterschiedlicher Frequenzen und Wellenlängen. Die Frequenz einer Welle gibt an, wie oft sich die Welle in einer bestimmten Zeiteinheit wiederholt. Wellen mit sehr kurzen Wellenlängen wiederholen sich mehrmals in einer gegebenen Zeiteinheit, so dass sie hochfrequent sind. Im Gegensatz dazu haben niederfrequente Wellen viel längere Wellenlängen.
Die überwiegende Mehrheit der elektromagnetischen Wellen ist für uns unsichtbar. Die hochfrequentesten Wellen, die von der Sonne emittiert werden, sind Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung (UV-Strahlen). Die schädlichsten UV-Strahlen werden fast vollständig von der Erdatmosphäre absorbiert. Weniger starke UV-Strahlen wandern durch die Atmosphäre und können Sonnenbrand verursachen.
Die Sonne emittiert auch Infrarotstrahlung, deren Wellen viel niederfrequenter sind. Die meiste Wärme von der Sonne kommt als Infrarotenergie an.
Zwischen Infrarot und UV liegt das sichtbare Spektrum, das alle Farben enthält, die wir auf der Erde sehen. Die Farbe Rot hat die längsten Wellenlängen (am nächsten am Infrarot) und Violett (am nächsten am UV) am kürzesten.
Natürliche Sonnenenergie
Treibhauseffekt
Die infraroten, sichtbaren und UV—Wellen, die die Erde erreichen, sind an einem Prozess beteiligt, der den Planeten erwärmt und Leben ermöglicht – dem sogenannten „Treibhauseffekt“.“
Etwa 30% der Sonnenenergie, die die Erde erreicht, wird zurück in den Weltraum reflektiert. Der Rest wird in die Erdatmosphäre absorbiert. Die Strahlung erwärmt die Erdoberfläche, und die Oberfläche strahlt einen Teil der Energie in Form von Infrarotwellen zurück. Wenn sie durch die Atmosphäre aufsteigen, werden sie von Treibhausgasen wie Wasserdampf und Kohlendioxid abgefangen.
Treibhausgase fangen die Wärme ein, die zurück in die Atmosphäre reflektiert wird. Auf diese Weise wirken sie wie die Glaswände eines Gewächshauses. Dieser Treibhauseffekt hält die Erde warm genug, um Leben zu erhalten.
Photosynthese
Fast alles Leben auf der Erde ist direkt oder indirekt von Sonnenenergie abhängig.
Erzeuger sind direkt auf Solarenergie angewiesen. Sie absorbieren Sonnenlicht und wandeln es durch einen Prozess namens Photosynthese in Nährstoffe um. Zu den Produzenten, auch Autotrophe genannt, gehören Pflanzen, Algen, Bakterien und Pilze. Autotrophe sind die Grundlage des Nahrungsnetzes.
Verbraucher verlassen sich bei Nährstoffen auf Produzenten. Pflanzenfresser, Fleischfresser, Allesfresser und Detritivoren sind indirekt auf Sonnenenergie angewiesen. Pflanzenfresser fressen Pflanzen und andere Produzenten. Fleischfresser und Allesfresser fressen sowohl Produzenten als auch Pflanzenfresser. Detritivores zersetzen Pflanzen- und Tiermaterial, indem sie es verbrauchen.
Fossile Brennstoffe
Die Photosynthese ist auch für alle fossilen Brennstoffe auf der Erde verantwortlich. Wissenschaftler schätzen, dass sich vor etwa 3 Milliarden Jahren die ersten Autotrophen in aquatischen Umgebungen entwickelten. Sonnenlicht ließ das Pflanzenleben gedeihen und sich entwickeln. Nachdem die Autotrophen gestorben waren, zersetzten sie sich und bewegten sich tiefer in die Erde, manchmal Tausende von Metern. Dieser Prozess dauerte Millionen von Jahren.
Unter intensivem Druck und hohen Temperaturen wurden diese Überreste zu dem, was wir als fossile Brennstoffe kennen. Mikroorganismen wurden zu Erdöl, Erdgas und Kohle.
Menschen haben Verfahren entwickelt, um diese fossilen Brennstoffe zu gewinnen und für Energie zu nutzen. Fossile Brennstoffe sind jedoch eine nicht erneuerbare Ressource. Sie brauchen Millionen von Jahren, um sich zu bilden.
Solarenergie nutzbar machen
Solarenergie ist eine erneuerbare Ressource, und viele Technologien können sie direkt für den Einsatz in Privathaushalten, Unternehmen, Schulen und Krankenhäusern nutzen. Einige Solarenergietechnologien umfassen Photovoltaikzellen und -paneele, konzentrierte Solarenergie und Solararchitektur.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Sonnenstrahlung einzufangen und in nutzbare Energie umzuwandeln. Die Methoden verwenden entweder aktive Solarenergie oder passive Solarenergie.
Aktive Solartechnologien verwenden elektrische oder mechanische Geräte, um Sonnenenergie aktiv in eine andere Energieform umzuwandeln, meistens Wärme oder Strom. Passive Solartechnologien verwenden keine externen Geräte. Stattdessen nutzen sie das lokale Klima, um Strukturen im Winter zu heizen und im Sommer Wärme zu reflektieren.
Photovoltaik
Photovoltaik ist eine Form der aktiven Solartechnologie, die 1839 vom 19-jährigen französischen Physiker Alexandre-Edmond Becquerel entdeckt wurde. Becquerel entdeckte, dass die daran befestigten Platinelektroden einen elektrischen Strom erzeugten, als er Silberchlorid in eine saure Lösung gab und es dem Sonnenlicht aussetzte. Dieser Prozess der Stromerzeugung direkt aus Sonnenstrahlung wird als photovoltaischer Effekt oder Photovoltaik bezeichnet.
Photovoltaik ist heute wohl die bekannteste Art, Sonnenenergie nutzbar zu machen. Photovoltaikanlagen beinhalten normalerweise Sonnenkollektoren, eine Sammlung von Dutzenden oder sogar Hunderten von Solarzellen.
Jede Solarzelle enthält einen Halbleiter, üblicherweise aus Silizium. Wenn der Halbleiter Sonnenlicht absorbiert, stößt er Elektronen los. Ein elektrisches Feld lenkt diese losen Elektronen in einen elektrischen Strom, der in eine Richtung fließt. Metallkontakte an der Ober- und Unterseite einer Solarzelle leiten diesen Strom zu einem externen Objekt. Das externe Objekt kann so klein wie ein solarbetriebener Taschenrechner oder so groß wie ein Kraftwerk sein.
Photovoltaik wurde erstmals in großem Umfang auf Raumfahrzeugen eingesetzt. Viele Satelliten, einschließlich der Internationalen Raumstation, verfügen über breite, reflektierende „Flügel“ von Sonnenkollektoren. Die ISS verfügt über zwei Solar Array Wings (SAWs), die jeweils etwa 33.000 Solarzellen verwenden. Diese Photovoltaikzellen versorgen die ISS mit Strom, sodass Astronauten die Station betreiben, monatelang sicher im Weltraum leben und wissenschaftliche und technische Experimente durchführen können.
Weltweit wurden Photovoltaik-Kraftwerke gebaut. Die größten Stationen befinden sich in den USA, Indien und China. Diese Kraftwerke emittieren Hunderte von Megawatt Strom, der zur Versorgung von Privathaushalten, Unternehmen, Schulen und Krankenhäusern verwendet wird.
Photovoltaik kann auch in kleinerem Maßstab installiert werden. Sonnenkollektoren und -zellen können an den Dächern oder Außenwänden von Gebäuden befestigt werden und liefern Strom für die Struktur. Sie können entlang von Straßen zu leichten Autobahnen platziert werden. Solarzellen sind klein genug, um auch kleinere Geräte wie Taschenrechner, Parkuhren, Müllverdichter und Wasserpumpen mit Strom zu versorgen.
Konzentrierte Solarenergie
Eine andere Art von aktiver Solartechnologie ist konzentrierte Solarenergie oder konzentrierte Solarenergie (CSP). Die CSP-Technologie verwendet Linsen und Spiegel, um Sonnenlicht von einem großen Bereich auf einen viel kleineren Bereich zu fokussieren (zu konzentrieren). Dieser intensive Strahlungsbereich erwärmt eine Flüssigkeit, die wiederum Strom erzeugt oder einen anderen Prozess antreibt.
Solaröfen sind ein Beispiel für konzentrierte Solarenergie. Es gibt viele verschiedene Arten von Solaröfen, einschließlich Solarkrafttürmen, Parabolrinnen und Fresnel-Reflektoren. Sie verwenden die gleiche allgemeine Methode, um Energie zu erfassen und umzuwandeln.
Solarkraftwerke verwenden Heliostaten, flache Spiegel, die sich drehen, um dem Sonnenbogen durch den Himmel zu folgen. Die Spiegel sind um einen zentralen „Kollektorturm“ angeordnet und reflektieren das Sonnenlicht in einen konzentrierten Lichtstrahl, der auf einen Brennpunkt des Turms scheint.
In früheren Konstruktionen von Solarkraftwerken erhitzte das konzentrierte Sonnenlicht einen Wasserbehälter, der Dampf erzeugte, der eine Turbine antrieb. In jüngerer Zeit verwenden einige Solarkraftwerke flüssiges Natrium, das eine höhere Wärmekapazität aufweist und die Wärme über einen längeren Zeitraum speichert. Dies bedeutet, dass die Flüssigkeit nicht nur Temperaturen von 773 bis 1.273 K (500 bis 1.000 ° C oder 932 bis 1.832 ° F) erreicht, sondern auch weiterhin Wasser kochen und Strom erzeugen kann, selbst wenn die Sonne nicht scheint.
Parabolrinnen und Fresnel-Reflektoren verwenden ebenfalls CSP, aber ihre Spiegel sind anders geformt. Parabolspiegel sind gekrümmt und haben eine sattelähnliche Form. Fresnel-Reflektoren verwenden flache, dünne Spiegelstreifen, um Sonnenlicht einzufangen und auf ein Flüssigkeitsrohr zu richten. Fresnel-Reflektoren haben mehr Oberfläche als Parabolrinnen und können die Sonnenenergie auf etwa das 30-fache ihrer normalen Intensität konzentrieren.
Konzentrierte Solarkraftwerke wurden erstmals in den 1980er Jahren entwickelt. Die größte Anlage der Welt ist eine Reihe von Anlagen in der kalifornischen Mojave-Wüste. Diese Solaranlage (SEGS) erzeugt jährlich mehr als 650 Gigawattstunden Strom. Andere große und wirksame Pflanzen wurden in Spanien und Indien entwickelt.
Konzentrierter Solarstrom kann auch in kleinerem Maßstab genutzt werden. Es kann beispielsweise Wärme für Solarkocher erzeugen. Menschen in Dörfern auf der ganzen Welt verwenden Solarkocher, um Wasser für die Abwasserentsorgung zu kochen und Essen zu kochen.
Solarkocher bieten viele Vorteile gegenüber Holzöfen: Sie sind keine Brandgefahr, produzieren keinen Rauch, benötigen keinen Brennstoff und reduzieren den Lebensraumverlust in Wäldern, in denen Bäume für Brennstoff geerntet würden. Solarkocher erlauben Dorfbewohnern auch, Zeit für Ausbildung, Geschäft, Gesundheit oder Familie während der Zeit auszuüben, die vorher für das Sammeln des Brennholzes verwendet wurde. Solarkocher werden in so unterschiedlichen Gebieten wie dem Tschad, Israel, Indien und Peru eingesetzt.
Solararchitektur
Im Laufe eines Tages ist Sonnenenergie Teil des Prozesses der thermischen Konvektion oder der Bewegung von Wärme von einem wärmeren Raum zu einem kühleren. Wenn die Sonne aufgeht, beginnt sie Objekte und Material auf der Erde zu erwärmen. Im Laufe des Tages absorbieren diese Materialien Wärme aus der Sonnenstrahlung. Nachts, wenn die Sonne untergeht und die Atmosphäre abgekühlt ist, geben die Materialien ihre Wärme wieder an die Atmosphäre ab.
Passive Solarenergietechniken nutzen diesen natürlichen Heiz- und Kühlprozess.
Häuser und andere Gebäude nutzen passive Solarenergie, um Wärme effizient und kostengünstig zu verteilen. Die Berechnung der „thermischen Masse“ eines Gebäudes ist ein Beispiel dafür. Die thermische Masse eines Gebäudes ist der Großteil des Materials, das den ganzen Tag über erhitzt wird. Beispiele für die thermische Masse eines Gebäudes sind Holz, Metall, Beton, Ton, Stein oder Schlamm. Nachts gibt die thermische Masse ihre Wärme zurück in den Raum. Effektive Lüftungssysteme – Flure, Fenster und Luftkanäle — verteilen die erwärmte Luft und sorgen für eine moderate, gleichmäßige Innentemperatur.
Passive Solartechnik wird häufig bei der Gestaltung eines Gebäudes eingesetzt. Zum Beispiel kann der Ingenieur oder Architekt in der Planungsphase des Baus das Gebäude auf den täglichen Weg der Sonne ausrichten, um wünschenswerte Mengen an Sonnenlicht zu erhalten. Diese Methode berücksichtigt den Breitengrad, die Höhe und die typische Wolkendecke eines bestimmten Gebiets. Darüber hinaus können Gebäude mit Wärmedämmung, thermischer Masse oder zusätzlicher Verschattung gebaut oder nachgerüstet werden.
Weitere Beispiele für passive Solararchitektur sind Kühldächer, Strahlungsbarrieren und Gründächer. Kühle Dächer sind weiß gestrichen und reflektieren die Sonnenstrahlung, anstatt sie zu absorbieren. Die weiße Oberfläche reduziert die Wärmemenge, die in das Innere des Gebäudes gelangt, was wiederum die Energiemenge reduziert, die zur Kühlung des Gebäudes benötigt wird.
Strahlungsbarrieren funktionieren ähnlich wie kühle Dächer. Sie bieten eine Isolierung mit hochreflektierenden Materialien wie Aluminiumfolie. Die Folie reflektiert statt absorbiert Wärme und kann die Kühlkosten um bis zu 10% senken. Neben Dächern und Dachböden können Strahlungsbarrieren auch unter Fußböden installiert werden.
Gründächer sind Dächer, die vollständig mit Vegetation bedeckt sind. Sie benötigen Erde und Bewässerung, um die Pflanzen zu unterstützen, und eine wasserdichte Schicht darunter. Begrünte Dächer reduzieren nicht nur die aufgenommene oder verlorene Wärmemenge, sondern sorgen auch für Vegetation. Durch Photosynthese absorbieren die Pflanzen auf begrünten Dächern Kohlendioxid und geben Sauerstoff ab. Sie filtern Schadstoffe aus Regenwasser und Luft und gleichen einige der Auswirkungen des Energieverbrauchs in diesem Raum aus.
Begrünte Dächer haben in Skandinavien seit Jahrhunderten Tradition und sind in letzter Zeit in Australien, Westeuropa, Kanada und den Vereinigten Staaten populär geworden. Zum Beispiel bedeckte die Ford Motor Company 42.000 Quadratmeter (450.000 Quadratfuß) ihrer Montagewerksdächer in Dearborn, Michigan, mit Vegetation. Neben der Reduzierung der Treibhausgasemissionen reduzieren die Dächer den Regenwasserabfluss, indem sie mehrere Zentimeter Niederschlag absorbieren.
Auch Gründächer und kühle Dächer können dem „Urban Heat Island“-Effekt entgegenwirken. In geschäftigen Städten kann die Temperatur konstant höher sein als in der Umgebung. Viele Faktoren tragen dazu bei: Städte sind aus Materialien wie Asphalt und Beton gebaut, die Wärme absorbieren; hohe Gebäude blockieren Wind und seine Kühleffekte; und hohe Mengen an Abwärme werden durch Industrie, Verkehr und hohe Bevölkerungszahlen erzeugt. Die Nutzung des verfügbaren Platzes auf dem Dach zum Pflanzen von Bäumen oder die Reflexion von Wärme mit weißen Dächern kann den lokalen Temperaturanstieg in städtischen Gebieten teilweise mildern.
Solarenergie und Menschen
Da das Sonnenlicht in den meisten Teilen der Welt nur etwa die Hälfte des Tages scheint, müssen Solarenergietechnologien Methoden zur Speicherung der Energie in dunklen Stunden umfassen.
Thermische Massesysteme verwenden Paraffinwachs oder verschiedene Salzformen, um die Energie in Form von Wärme zu speichern. Photovoltaikanlagen können überschüssigen Strom an das lokale Stromnetz senden oder die Energie in wiederaufladbaren Batterien speichern.
Die Nutzung von Solarenergie hat viele Vor- und Nachteile.
Vorteile
Ein großer Vorteil der Nutzung von Solarenergie ist, dass es sich um eine erneuerbare Ressource handelt. Wir werden für weitere 5 Milliarden Jahre eine stetige, unbegrenzte Versorgung mit Sonnenlicht haben. In einer Stunde erhält die Erdatmosphäre genug Sonnenlicht, um den Strombedarf jedes Menschen auf der Erde für ein Jahr zu decken.
Solarenergie ist sauber. Nach dem Bau und der Inbetriebnahme der solartechnischen Ausrüstung benötigt die Solarenergie keinen Brennstoff mehr, um zu arbeiten. Es emittiert auch keine Treibhausgase oder giftigen Materialien. Die Nutzung von Solarenergie kann die Auswirkungen auf die Umwelt drastisch reduzieren.
Es gibt Orte, an denen Solarenergie sinnvoll ist. Häuser und Gebäude in Gebieten mit viel Sonnenlicht und geringer Wolkendecke haben die Möglichkeit, die reichlich vorhandene Energie der Sonne zu nutzen.
Solarkocher bieten eine hervorragende Alternative zum Kochen mit Holzöfen – auf die immer noch 2 Milliarden Menschen angewiesen sind. Solarkocher bieten eine sauberere und sicherere Möglichkeit, Wasser zu desinfizieren und Lebensmittel zu kochen.
Solarenergie ergänzt andere erneuerbare Energiequellen wie Wind- oder Wasserkraft.
Haushalte oder Unternehmen, die erfolgreiche Solarmodule installieren, können tatsächlich überschüssigen Strom produzieren. Diese Hausbesitzer oder Unternehmer können Energie zurück an den Stromversorger verkaufen, wodurch Stromrechnungen reduziert oder sogar eliminiert werden.
Nachteile
Die wichtigste Abschreckung bei der Nutzung von Solarenergie ist die erforderliche Ausrüstung. Solartechnische Anlagen sind teuer. Der Kauf und die Installation der Ausrüstung können Zehntausende von Dollar für einzelne Häuser kosten. Obwohl die Regierung Menschen und Unternehmen, die Solarenergie nutzen, häufig ermäßigte Steuern anbietet und die Technologie Stromrechnungen eliminieren kann, sind die anfänglichen Kosten für viele zu hoch, um sie in Betracht zu ziehen.
Solaranlagen sind ebenfalls schwer. Um Sonnenkollektoren auf dem Dach eines Gebäudes nachzurüsten oder zu installieren, muss das Dach stark, groß und auf den Sonnenweg ausgerichtet sein.
Sowohl die aktive als auch die passive Solartechnik hängen von Faktoren ab, die außerhalb unserer Kontrolle liegen, wie Klima und Bewölkung. Lokale Bereiche müssen untersucht werden, um festzustellen, ob Solarenergie in diesem Bereich wirksam wäre oder nicht.
Sonnenlicht muss reichlich vorhanden und konsistent sein, damit Solarenergie eine effiziente Wahl ist. An den meisten Orten auf der Erde macht die Variabilität des Sonnenlichts es schwierig, es als einzige Energiequelle zu implementieren.