Regenerative Energieversorgung

Übergreifend

Regenerative Energieversorgung

  • Was sind die Quellen für erneuerbare Energien?
  • Wie nutzen wir die Sonnenenergie?
  • Woher kommen Wind- und Wasserkraft?
  • Wie sieht die Energiegewinnung der Zukunft aus?

Es gibt viele Beispiele an denen man sehen kann, dass Licht Energie transportiert. Wir zeigen dir hier ein paar davon.

Sonnenbrand

Auf dem Bild ist ein Sonnenbrand dargestellt. Die Lichtenergie wird dabei in innere Energie (→ Erwärmung) umgewandelt. Die dadurch bedingte Erweiterung der Blutgefäße in der Haut führt zu stärkerem Blutfluss, was zu einer Rötung der Haut führt.

Laserschweißen

Beim Laserschweißen bringt das sehr intensive und fokussierte Licht eines Lasers die zu verschweißenden Teile zum Schmelzen, so dass eine innige Verbindung hergestellt werden kann. Lichtenergie wird in innere Energie umgewandelt.

Photosynthese

Eine der wichtigsten Energieumwandlungen aus Sonnenlicht ist die Photosynthese (Aufbau pflanzlicher Biomasse). Bei diesem Vorgang wird mithilfe von Sonnenenergie aus Wasser und Kohlendioxid (CO2) Kohlenwasserstoff gebildet. Der im Kohlendioxid der Luft enthaltene Kohlenstoff wird so als Biomasse gespeichert und kehrt erst bei der Verwesung und Vermoderung der Biomasse wieder in den Naturkreislauf zurück. Durch die Photosynthese werden etwa 0,1 % der Sonnenstrahlung über einen längeren Zeitraum in den Pflanzen gespeichert. Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt.

Solarkollektor

Mit der Lichtenergie wird die Oberfläche und damit auch das Wasser im Kollektor erwärmt. Es findet eine Umwandlung von Lichtenergie in innere Energie statt. Reicht die Sonneneinstrahlung zur Erwärmung des Brauchwassers nicht aus, so kann durch eine Nachheizung (mit Öl oder Gas) die erforderliche Temperatur des Brauchwassers erreicht werden.

Fluoreszenz

Mit dem für uns unsichtbaren ultravioletten Licht kann man gewisse Substanzen bestrahlen, die dann ein für unser Auge sichtbares Licht abstrahlen. Es findet hier eine Umwandlung von Lichtenergie in Lichtenergie statt, jedoch ist die Photonenenergie in diesem Fall bei der Einstrahlung größer als die Photonenenergie des emittierten Lichts (Regel von Stokes). Hinweis: Bei der sogenannten Phosphoreszenz leuchtet die bestrahlte Substanz -im Gegensatz zur Fluoreszenz - noch etwas nach.

Solarzelle

Das Sonnenlicht bewirkt in den Solarzellen eine Ladungstrennung und somit eine Gleichspannung. Durch den Wechselrichter (blau, links oben) wird diese Gleichspannung in eine Wechselspannung umgeformt und kann somit in das Leitungsnetz eingespeist werden (linke blaue Leitung mit Energie-Zähler). Der Haushalt erhält dann vom Netzwerkbetreiber eine Vergütung. Reicht die Sonneneinstrahlung zum Betrieb der elektrischen Geräte gerade nicht aus, so kann der Haushalt elektrische Energie aus dem Netz entnehmen (rechte blaue Leitung mit Energie-Zähler). Hier wird Lichtenergie in elektrische Energie umgewandelt.

Die Redaktion der Sendung mit der Maus hatet auf ihrer Homepage eine Bauanleitung für einen Solarofen, aus der hier ausschnittsweise einige Bilder gezeigt werden.

Linda und Heike stehen auf der Terrasse vor ihrem Haus und neben ihnen steht ein Solarofen, den sie gemeinsam mit ihrem Vater und dem Redaktionsteam der Sendung mit der Maus gebaut haben. Wenn die Sonne scheint, kann man darin richtig backen oder kochen.

Aus Holzteilen wird ein Kasten zusammengeleimt.
Aus Aluminiumblech wird die Unterseite gebogen und eingesetzt. Hierzu ist Blech notwendig, da es Temperaturen bis nahe 200°C aushalten muss.
Das Aluminiumblech wird mit schwarzer Farbe angemalt.
Grund: Schwarz absorbiert Licht. Absorption bedeutet, die Lichtenergie wird beim Auftreffen auf die Farbschicht in Wärmeenergie umgewandelt, die sich dann durch Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung auf die Umgebung verteilt.
Aus zwei Glasscheiben wird ein Deckel für den Kasten gebaut. Durch Glas geht zwar die Lichtstrahlung in den Kasten, die Wärmestrahlung aber nicht mehr aus dem Kasten. Die Doppelverglasung verhindert durch die schlechte Wärmeleitung der dazwischen eingesperrten Luft eine zu schnelle Wärmeabgabe nach oben.
Die Unterseite und die Rückseite des Aluminiumblechs wird mit einer Wollmatte isoliert und mit einer dünnen Holzverschalung geschlossen, damit das Isoliermaterial an seinem Platz bleibt. Dadurch wird verhindert, dass die Wärmeenergie nach unten aus dem Kasten entweicht.
Silberfolie wird auf eine Sperrholzplatte geklebt und diese mit Scharnieren oben befestigt. Dadurch soll auch Licht, das auf die Folie fällt durch Reflexion zusätzlich in den Solarofen gelenkt werden.
Der Reflektordeckel wird durch einen Stab in die richtige Stellung gebracht. (Die Sonne steht ja bei uns nie höher als 65°) und der Backtest kann bei Sonnenschein erfolgen.
Nach 40 Minuten sind die Semmeln bei ca. 170° im Solarbackofen resch.

Mit einem einfachen Versuch kann die Umwandlung von der Energie des Lichts in elektrische Energie auch an der Schule ausprobiert werden.

Aufbau und Durchführung

1 Lämpchen
2 Lämpchen

Man beleuchtet eine Solarzelle, an welcher der Strom gemessen wird einmal mit einer Glühlampe und dann mit zwei dieser Glühlampen.

Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zur Untersucheung der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie durch eine Solarzelle

Beobachtung

Wird die Solarzelle durch eine Lampe beleuchtet fließt der Strom I0.

Wird die Solarzelle durch zwei Lampen beleuchtet, so fließt in etwa der Strom 2·I0.

 
Aufgabe

Erläutere knapp, wie man aus dem Versuch lernen kann, dass der doppelten Lichtenergie die doppelte elektrische Energie entspricht.

Lösung

Wenn die beiden Lämpchen gleichartig sind, verdoppelt sich beim Wegziehen der Abdeckung die pro Zeiteinheit auftreffende Lichtenergie. Da die Spannung an der Solarzelle im Kurzschlussbetrieb gleich bleibt, sich der Strom aber verdoppelt, wird bei der Bestrahlung mit zwei Lämpchen die elektrische Energie pro Zeiteinheit (im Vergleich zur Bestrahlung mit einem Lämpchen) wegen Pel = U·I verdoppelt.

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