Solarmodule sind bislang weit verbreitete Geräte zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Doch gibt es auch andere Möglichkeiten? Sonnenenergie wird auf fünf verschiedene Arten umgewandelt, unter anderem durch Photovoltaikzellen. Verschiedene Methoden der Solarenergiegewinnung nutzen thermische Energie für unterschiedliche Zwecke, vom privaten bis hin zu gewerblichen und industriellen.
Was ist Solarenergiegewinnung?
Solarenergiegewinnung ist eine Methode zur Stromerzeugung aus Wärme und Sonnenenergie. Alle Methoden und Techniken nutzen grundsätzlich Sonnenlicht zur Energieerzeugung. Solarenergiegewinnung reduziert die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zur Stromerzeugung und ist langfristig rentabel. Neue Innovationen führen zu effizienteren Methoden und Techniken der Solarenergiegewinnung. Neben den Methoden erfahren Sie mehr über die eingesetzte Solarenergiegewinnungstechnologie, den Einfluss der Solarmodulgröße sowie die Vor- und Nachteile dieser Methoden.
Welche verschiedenen Methoden gibt es zur Gewinnung von Solarenergie? Was sind Geräte zur Solarenergiegewinnung?
Solarenergiegewinnung ist der Prozess der Erfassung und Speicherung der von der Sonne abgestrahlten Sonnenenergie. Anschließend wird diese Wärme- und Lichtenergie durch ein geeignetes Verfahren in elektrische Energie umgewandelt. Es gibt etwa fünf verschiedene Methoden der Solarenergiegewinnung. Manchmal werden diese Methoden auch als Solarenergiegewinnungsgeräte bezeichnet.
1. Schwarze Körper
Schwarz absorbiert bekanntermaßen einen Großteil der Wärmeenergie, und dies ist eine weitere Methode zur Gewinnung von Solarenergie. Schwarz absorbiert die elektromagnetische Strahlung der Sonne, insbesondere deren Infrarotspektrum. Die Sonnenenergie wird durch diese Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt. Schwarze Körper, Behälter und Geräte können alle Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums absorbieren und emittieren . Dieses Verfahren wird zum Beheizen von Häusern und vor allem zur industriellen Warmwasserbereitung eingesetzt.
2. Thermische Energie aus geschmolzenem Salz
Diese Methode der Solarenergiegewinnung nutzt elektromagnetische Strahlung zum Schmelzen von Salz. Das geschmolzene Salz wird in einen Wärmetauscher geleitet, um Wasser zu erhitzen und in Dampf umzuwandeln. Dieser Dampf treibt Turbinen an, die wiederum Strom erzeugen. Isolierte Tanks ermöglichen auch an bewölkten Tagen eine stabile thermische Stromerzeugung.
3. Photovoltaik-Solarmodule
Dies ist die am weitesten verbreitete Methode zur Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität. Hierfür werden Solarmodule unterschiedlicher Größe eingesetzt. Die erzeugte Energiemenge hängt von der Anzahl der Module und deren Wirkungsgrad ab . Monokristalline oder polykristalline Module werden häufig zusammen mit Wechselrichtern und Batteriespeichern verwendet, um die Stromversorgung auch nach Sonnenuntergang sicherzustellen.
4. Solarwarmwasserbereiter
Thermische Solarkollektoren sammeln Sonnenenergie für diese Heizgeräte. Regionen mit sonnigem Klima nutzen diese Methode zur Solarenergiegewinnung. Der schwarze Heizkörper ähnelt einem Photovoltaikmodul, da die schwarze Oberfläche Wärmeenergie effizient absorbiert. Eine Pumpe zirkuliert kaltes Wasser im Inneren des Behälters, das die absorbierte Wärme aufnimmt. Dadurch kühlt sich der Behälter ab und das Wasser erwärmt sich.
Ein anderes System verzichtet auf eine Pumpe und nutzt stattdessen den Auftrieb des erwärmten Wassers. Dabei sinkt kaltes Wasser ab, warmes Wasser bleibt oben, und der Durchfluss verringert sich. Dieses Phänomen wird als Thermosiphon bezeichnet.
5. Vakuumröhren- oder Evakuierungsröhren-Solarwarmwasserbereiter
Es handelt sich um eine weitere Methode der Solarenergiegewinnung, eine Weiterentwicklung des herkömmlichen Solarwarmwasserbereiters. Vakuumröhren gewährleisten den Eintritt der Strahlungsenergie in das System und speichern gleichzeitig die Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie wird von Wärmerohren aufgenommen und in große Wassertanks geleitet. Dank der Vakuumröhren geht nur minimal Wärmeenergie verloren, und nahezu die gesamte absorbierte Strahlungsenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Im Folgenden erfahren Sie mehr über die Technologie der Solarenergiegewinnung.
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Was ist Solarenergiegewinnungstechnologie?
Zur Gewinnung von Solarenergie gibt es die folgenden drei Haupttechnologien:
1. Konzentrierte Solarenergie (CSP)
Diese Technologie zur Gewinnung von Solarenergie nutzt die Wärme der Sonne, um elektrische Turbinen im Kraftwerksmaßstab anzutreiben. Spiegel bündeln das Sonnenlicht, das dann von herkömmlichen Dampfmaschinen oder Turbinen angetrieben wird und Strom erzeugt. Parabolrinnenkraftwerke, Parabolspiegelkraftwerke, kompakte lineare Fresnel-Reflektoren und Solartürme sind verschiedene Methoden, um das Prinzip der konzentrierten Solarenergie anzuwenden.
a ) Parabolische Mulde
Mithilfe gekrümmter Spiegel wird die Sonnenenergie auf ein Empfängerrohr gebündelt, das sich in der Mitte einer Mulde befindet. Das Empfängerrohr ist mit einer Hochtemperatur-Wärmeträgerflüssigkeit, beispielsweise synthetischem Öl, gefüllt, die Wärmeenergie absorbiert und eine Temperatur von 750 °F (ca. 400 °C) oder mehr erreicht. Diese Wärme wird durch einen Wärmetauscher geleitet, der wiederum Wasser erhitzt und so Dampf erzeugt. Konventionelle Dampfturbinen kommen in Gang, sobald der Dampf sie durchströmt. Einzelne Kollektoren können 4,5 bis 6 Meter hoch und etwa 90 bis 135 Meter lang sein.
b) Tellermotor
Die Oberfläche des Parabolspiegels ist mit gleichmäßig verteilten Spiegeln bedeckt , die die Wärmeenergie in einem festen Brennpunkt bündeln. Das Arbeitsmedium, beispielsweise Wasserstoff, im Receiver wird auf bis zu 1200 °F (ca. 650 °C) erhitzt und treibt so den Motor an. Jeder Parabolspiegel rotiert um zwei Achsen und folgt der Sonne im Laufe des Tages.
c) Kompakter linearer Fresnel-Reflektor (CLFR)
Es nutzt außerdem ein System aus gekrümmten Spiegeln in Trogform anstelle von kostengünstigen Flachspiegeln in langen parallelen Reihen. Erhöhte Receiver dienen der Konzentration der thermischen Energie und sind mit einem Rohrsystem verbunden, durch das Wasser fließt. Bei dieser Technologie zur Solarenergiegewinnung wird Wasser durch die konzentrierte thermische Energie zum Sieden gebracht, und der so erzeugte Dampf wird zur Stromerzeugung sowie für industrielle Anwendungen genutzt.
d) Kraftturm
Es nutzt ein zentrales Empfängersystem, das hocheffizient ist und auch bei hohen Betriebstemperaturen zuverlässig arbeitet . Heliostaten (computergesteuerte Spiegel) erfassen die thermische Energie über den Tag verteilt und bündeln sie auf den Empfänger an der Spitze eines hohen Turms. Diese thermische Energie erhitzt eine Transferflüssigkeit auf über 1000 °F (ca. 538 °C), wodurch Dampf erzeugt wird, der wiederum einen zentralen Generator antreibt.
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2. Photovoltaik (PV)
Mit dieser Methode wird Licht direkt in Strom umgewandelt. Photonen des Sonnenlichts treffen auf das Halbleitermaterial von Solarmodulen und ionisieren es. Dadurch werden die Atombindungen der Elektronen aufgebrochen und die Elektronen können frei schwingen. Die Halbleiterstruktur zwingt die Elektronen, sich in eine Richtung zu bewegen, wodurch elektrischer Strom entsteht. Allerdings wird nur ein bestimmter Prozentsatz des Lichts absorbiert, der Rest reflektiert. Weitere Arten der Photovoltaik sind gebäudeintegrierte Photovoltaik, konzentrierende Photovoltaikanlagen und Dünnschicht-Photovoltaik.
a) Gebäudeintegrierte Photovoltaik (BIPV): Dieses System erzeugt Strom für den Eigenverbrauch oder speist ihn ins Stromnetz ein. Es dient somit dem doppelten Zweck der Stromerzeugung und bildet gleichzeitig die äußere Schicht eines Gebäudes.
b) Konzentrierende Photovoltaikanlagen : Dieses System wird vorwiegend in Wüstenregionen eingesetzt und nutzt Spiegel und Linsen, um Sonnenenergie auf hocheffiziente Zellen zu konzentrieren. Für den reibungslosen Betrieb des Systems sind direktes Sonnenlicht und ein Nachführsystem erforderlich.
c) Dünnschicht-Photovoltaik : Diese Methode ist kostengünstiger als ihre Alternativen und dient häufig der Entwicklung experimenteller Technologien. Es handelt sich um eine Art von Solarzelle, die dünn und weniger effizient ist. Sie erfüllt denselben Zweck, jedoch langsamer.
3. Solares Heiz- und Kühlsystem (SHC)
Diese Technologie nutzt Wärmeenergie, um Wasser und Luft zu erwärmen und gleichzeitig kaltes Wasser und Luft bereitzustellen. Solare Warmwasserbereitung, Photovoltaik mit thermischer Technologie und Solarlufttechnologie sind verschiedene Methoden, die bei der Nutzung dieser Technologie zum Einsatz kommen.
a) Solar-Luft-Technologie
Mithilfe dieser Technologie zur Solarenergiegewinnung wird die Luft in Gewerbe- und Industriegebäuden erwärmt und dient neben der Raumheizung auch der Trocknung landwirtschaftlicher Erzeugnisse. Das System ist meist an der Wand montiert, um insbesondere im Winter eine maximale Absorption der Sonnenstrahlung zu ermöglichen.
An einer Südwand sind perforierte Solarkollektoren im Abstand von mehreren Zentimetern angebracht, um einen Lufthohlraum zu schaffen. Von der Wand wird die obere Luft angesaugt und an einem sonnigen Tag auf Temperaturen zwischen -30 und 100 °C erwärmt. Diese erwärmte Luft wird über einen Anschluss zur Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage (HLK) geleitet.
b) Solar-Photovoltaik mit thermischer Technologie (PVT)
Ein optimiertes Solarmodul auf dem Dach dient der Warmwasserbereitung und Stromerzeugung. Zur Steigerung der Stromproduktion kühlt ein Photovoltaik-Thermalkollektor die Photovoltaik-Komponenten und liefert gleichzeitig Wärmeenergie. Mit einer vierfach höheren Leistung als ein herkömmliches Photovoltaikmodul erhöht sich die elektrische Ausbeute um bis zu 20 %. Die Systemgröße kann von klein bis industriell variieren.
c) Solare Warmwasserbereitung
Ein Warmwasserspeicher, isolierte Rohre und ein Solarkollektor sind die Hauptelemente. Sie werden mit elektronischen Steuerungen und Frostschutzsystemen für kältere Regionen kombiniert. Die aus der thermischen Energie gewonnene Wärme wird auf Trinkwasser übertragen, das in Warmwasserspeicher fließt. Zur Unterstützung bleibt eine Zusatzheizung an den Warmwasserspeicher angeschlossen. Im Folgenden erfahren Sie mehr über den Einfluss der Solarmodulgröße auf die Energiegewinnung.
Siehe auch: Welche 4 Arten von Solarmodulen gibt es?
Welchen Einfluss hat die Größe des Solarmoduls auf die Energiegewinnung?
Die Größe von Solarmodulen hat direkten Einfluss auf deren Energieausbeute und damit auf deren Effizienz. Die Größe von Solarmodulen kann deren Effizienz erhöhen oder verringern und somit die Solarenergieausbeute beeinflussen. Ebenso kann eine verschmutzte Solaranlage mit reduzierter Oberfläche die Energieausbeute beeinträchtigen. Die effizienzbestimmenden Parameter sind:
1. Fläche (Dichte) : Sie misst die Energieausbeute in Watt pro Quadratfuß. Das bedeutet, dass größere Paneele mit höherer Wattzahl zu einer höheren Energieerzeugung führen.
2. Zelle : Die Effizienz der Zelle wird analog über ihre Leistung gemessen. Je mehr Zellen, desto höher die Effizienz und desto mehr Solarenergie wird gewonnen.
3. Modul : Dies ist der Gesamtwirkungsgrad der Solarzellen bzw. des Solarmoduls. Ein Modul mit einem Wirkungsgrad von 15 % absorbiert nur 15 % der einfallenden Sonnenenergie. Effizientere Solarmodule erzeugen daher tendenziell mehr Energie.
Was sind die Vor- und Nachteile von Techniken zur Gewinnung von Solarenergie?
Nachdem man sich über Methoden der Solarenergiegewinnung informiert hat, ist es ratsam, auch deren Vor- und Nachteile zu kennen. Obwohl die Solarenergie eine saubere Energiequelle darstellt , gibt es dennoch einige Nachteile.
1. Vorteile von Techniken zur Gewinnung von Solarenergie
- Der CO2-Fußabdruck wird durch einen umweltfreundlicheren Ansatz reduziert.
- Die Technologie ist fortschrittlich und ausgereift und bietet neue Innovationen für mehr Effizienz.
- Nachhaltiger Energieproduzent
2. Nachteile von Solarenergiegewinnungstechniken
- Nicht völlig umweltfreundlich, da bei der Herstellung von Silizium-Solarmodulen Treibhausgase freigesetzt werden.
- Die Hersteller sind bei der Rohstoffversorgung auf andere Länder angewiesen, was zu langen Lieferketten führt.
- Schwere und starre Platten reduzieren die Einsatzmöglichkeiten. Platzbedarf und Kosten sind ebenfalls nachteilig.
Methoden zur Solarenergiegewinnung werden üblicherweise im großen Maßstab eingesetzt, Sie können sich aber auch für eine kleinere Variante für Ihr Haus oder Büro entscheiden. Es gibt verschiedene Optionen auf dem Markt. Für einige Methoden sind Solarenergiegewinnungsgeräte für den privaten Gebrauch leicht erhältlich und installierbar. Für eine bessere Energieausbeute sind jedoch bei der Installation im kleinen Maßstab Solarmodule erforderlich.
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