Photovoltaik Strom von der Sonne

Transkript

1 Vortrag KinderUni 24. September Liebe Kinder, Folie Einführung Photovoltaik Strom von der Sonne Strom von der Sonne, Strom aus Sonnenlicht? Das soll unser heutiges Thema sein. Dazu werde ich euch viele neue vielleicht auch bekannte Dinge rund um die Sonne und ihre Energie erzählen und darstellen. Sofort möchte ich das Wort Photovoltaik erklären: Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos - das griechische Wort für Licht - und Volta - nach dem Italiener Alessandro Volta, einem Forscher im Bereich der Elektrizität zusammen. Zunächst möchte ich uns vorstellen. Das ist Herr Petsch, er wird für Euch anschauliche Experimente durchführen, damit Ihr das ganze noch besser versteht. Mein Name ist Gerd Becker, ich halte diese Vorlesung. Ich werde Bilder und kleine Filme zeigen und Euch erklären, wie aus den Sonnenstrahlen Strom gewonnen werden kann. Und am Schluss wird Frau Maschek mit einem Mikrofon herumgehen, Ihr könnt Fragen stellen. Jetzt fangen wir an: Folie Sonne und Planeten Die Sonne ist sehr weit von uns weg, 150 Mio. km. Das Licht braucht über 8 Minuten um zu uns auf die Erde zu kommen. Wie Ihr sicher wisst, kreist die Erde als Planet um die Sonne. Sie hat aber noch mehr Planeten, hier in diesem Bild seht ihr einige. Gleich eine Frage an Euch: Wie heißt der Planet, der der Sonne am nächsten ist? Der, der der Sonne am nächsten ist, ist der Merkur. Dann kommen die Venus und dann die Erde, der blaue Planet. Etwas weiter weg von der Sonne ist dann der Mars. Folie Sonnenstrahlen durch Weltall und Luft Die Sonne schickt nun ihre Strahlen in das Weltall. Ein kleiner Teil kommt zur Erde. Im Weltall ist nichts, was sie bremst oder schwächt. Erst die Lufthülle der Erde bremst die Sonnenstrahlen ab. Auf diesem Bild sehen wir einen Schnitt durch die Erde mit ihrer Lufthülle. Ihr seht, dass es eine Rolle spielt wie lang der Weg der Sonnenstrahlen bis zur Erdoberfläche ist. Der Weg eines Sonnenstrahles bis zum Äquator der Erde ist deutlich kürzer, als bis zu uns, die wir auf der Nordhälfte der Erde leben.

2 Vortrag KinderUni 24. September Folie Sonnenstrahlung Deutschland Daher kommt es, dass es im Süden von Deutschland mehr Sonnenstrahlung gibt als im Norden. Im Süden ist ihr Weg kürzer. Auf dieser Karte kann man das gut erkennen, die roten Gebiete in Deutschland erhalten mehr Sonnenstrahlen als die helleren Gebiete im Norden. Folie Kann man die Sonnenenergie nutzen? Wie kann man die Sonnenstrahlen nutzen? Wenn ihr in der Sonne liegt, spürt ihr, dass es euch schön warm wird, weil die Sonnenstrahlen Energie haben. Wenn man viele Sonnenstrahlen konzentriert, kann man damit auch Wasser in einem Topf warm machen. Dazu braucht man dann aber einen gewölbten Spiegel, den man vielleicht habt ihr das Wort schon gehört - als Parabolspiegel bezeichnet. Folie Solarzelle Schwieriger wird es, wenn man Strom aus den Sonnenstrahlen gewinnen will. Dazu benötigt man Solarzellen, oder genauer gesagt, photovoltaische Solarzellen. Zunächst wollen wir zeigen, was man mit Solarzellen als Beispiel machen kann. Wir haben jetzt einige Lampen als künstliche Sonne aufgebaut. Dazu wird Herr Petsch einige ganz einfache Versuche zeigen: Solarer Radfahrer, Springbrunnen, Drehscheibe, Radio. Der Strom für Betrieb all dieser Geräte kommt aus den Solarzellen, die ich jetzt genauer erklären werde. Folie Sonnenstrahlen und Strom Hier seht ihr das Bild einer solchen Zelle, an die außen eine Glühlampe angeschlossen ist, die zum Leuchten elektrischen Strom benötigt. In dieser Zelle befinden sich zwei Räume. Den einen Raum bezeichnet man als Plus oder Positiv, den anderen als Minus oder Negativ. Zwischen diesen beiden Räumen ist ein Übergang, den wir Ingenieure als pn-übergang oder Positiv-Negativ-Übergang bezeichnen. In dieser Zelle befinden sich winzig kleine Elektronen, die man nicht einmal mit einem Mikroskop erkennen könnte und ebenso winzig kleine so genannte Löcher. Wenn man zwischen diesen Kontakten oben und der Rückseite zum Beispiel eine Lampe anschließt, und die Sonne schein auf die Solarzelle, kann man den Strom abnehmen.

3 Vortrag KinderUni 24. September Folie Elektron und Loch Man kann sich das so vorstellen, dass die Elektronen kleine Männchen sind. Am liebsten sitzen Sie auf einem Stuhl. Aber manchmal, wenn jemand sie vom Stuhl wegscheucht, dann müssen sie sich einen neuen Stuhl suchen. Wenn Sie dann aufstehen, bleibt ein Loch zurück, der Stuhl wird also als Loch bezeichnet. Folie Photoeffekt Was passiert wenn Sonnenstrahlen auf ein Männchen auf einem Stuhl treffen? Sonnenstrahlen bestehen auch aus winzig kleinen Teilen, den so genannten Photonen. Photon kommt aus dem Griechischen und bedeutet wie das bereits oben erwähnte Wort Photos - Licht. Wenn nun ein Photon auf die Solarzelle trifft, dann schlägt es mit seiner Energie ein Männchen von seinem Platz. Wenn das Photon zu langsam ist, rührt sich das Männchen nicht. Bei genügend großer Geschwindigkeit aber springt es auf. Das wollen wir praktisch zeigen. Hier sitzen zwei Elektronen auf ihren Hockern. Wenn nun ein Photon kommt, und die Geschwindigkeit oder Energie - ist zu klein, passiert nichts. Nur wenn die Geschwindigkeit des Photons groß genug ist, springt das Elektron auf und hinterlässt ein Loch. Folie Albert Einstein Ihr habt sicher alle schon den Namen Albert Einstein gehört. Dieser Effekt, dass die Photonen Elektronen freisetzen, der wurde von Albert Einstein entdeckt, dafür erhielt er im Jahr 1921 den Nobelpreis. Folie Elektronenbewegung Wie ich Euch eben gesagt habe, kann man sich die Solarzelle als zwei Räume vorstellen, den p-raum mit dem + Zeichen und den n-raum mit dem Zeichen. Auf der einen (positiven) Seite des pn-überganges gibt es mehr Stühle als Männchen, auf der anderen (negativen) Seite mehr Männchen als Stühle. Das ganze ist nun so angelegt, dass durch den pn-übergang die Männchen nur in eine Richtung gehen können, nämlich von + nach -. Außen ist hier eine Lampe angeschlossen, die man auch als Verbraucher bezeichnet.

4 Vortrag KinderUni 24. September Um Strom zu machen, benötigt man jetzt nur noch die Sonnenstrahlen und den eben erklärten Photoeffekt. Dieses Männchen wird dann über den Positiv-Negativ- Übergang in den negativen Raum geschubst. Dort gibt es zu wenige Stühle. Die Männchen wollen aber gerne sitzen, sie suchen die Stühle. Um wieder auf einen Stuhl zu kommen, müssen sie den Weg außen herum über den Verbraucher nehmen. Im Verbraucher reiben sie sich etwa im dieser Glühlampe und geben Energie ab. Die Photonen, die von der Sonne kommen, schubsen also Elektronen Männchen - von ihrem Platz. Diese Männchen Elektronen - gehen dann durch den Verbraucher in die negative Schicht und von dort aus wieder in die positive Schicht. Dieser Strom von Männchen - Elektronen - ist das, was wir als elektrischen Strom bezeichnen. Folie Solarmodule Wir können also aus Sonnenlicht Strom machen. Will man viel Sonnenlicht auffangen um daraus viel Strom zu erzeugen, braucht man viele Solarzellen, die hier in einem so genannten Modul zusammengefasst sind. Ihr könnt euch merken: viele Solarzellen zusammen ergeben ein Modul. Hier seht ihr ein solches Modul. (Modul steht schon neben mir). Ihr seht, es leuchtet blau. Diese blaue Schicht bewirkt, dass die Oberfläche möglichst wenig der aufgefangenen Sonnenstrahlen wieder hergibt. Um viel Strom zu erzeugen muss man viele dieser Module nutzen. Das seht ihr hier auf diesem Bild. Dies ist eine Photovoltaik-Anlage auf einer Schule und der Strom wird in der Schule genutzt. Was wichtig ist, dabei entstehen weniger Belastungen der Umwelt als bei Kohle- und Ölkraftwerken. Folie Wie muss man ein Modul aufstellen Jetzt wollen wir uns damit befassen, wie man diese Module aufstellen muss, damit sie möglichst viele Sonnenstrahlen einfangen. Da wir uns hier im Zelt befinden, haben wir uns wie gesagt - eine künstliche Sonne mitgebracht. Das sind Scheinwerfer, deren Lichtstrahlen so ähnlich wirken wie die Strahlen der Sonne. Herr Petsch wird Euch Versuche zeigen. Hier seht ihr eine Garteneisenbahn, die ihren Strom von einem Solarmodul bekommt. Wenn jetzt die Sonne scheint, fährt diese Eisenbahn. Aber fährt sie immer gleich schnell? Herr Petsch wird jetzt den Winkel ändern, mit dem das Modul zur Sonne schaut. Wann fährt die Eisenbahn am schnellsten? Dann, wenn das Modul mit seiner ganzen Fläche zur Sonne schaut.

5 Vortrag KinderUni 24. September Mit dieser Carrera-Rennbahn kann man Autos fahren lassen. Es reichen sogar kleine Module, man kann ein richtiges rennen damit durchführen. Gewinnen tut derjenige, dessen Modul am meisten Sonne bekommt. Dieser Springbrunnen bekommt seinen Strom von einem Solarmodul. Wenn die Sonne am Morgen von der Seite auf das Modul scheint, spritzt das Wasser nicht hoch. Am höchsten wird es, wenn das Modul direkt zur Sonne schaut, also mittags. Nachmittags, wenn die Sonne nicht mehr direkt auf das Modul scheint, spritzt es wieder nicht so hoch. Man sieht also, man muss die Module wie Nummer 1 aufstellen, damit sie viel Sonne bekommen. Folie Verschiedene Typen von Modulen Wie beim Auto es Diesel- und Benzinfahrzeuge gibt, gibt es auch verschiedene Typen von Modulen. Manche schaffen es besser, das Sonnenlicht umzuwandeln die sind dann teurer, manche schlechter. Folie Immer der Sonne nach Wann würden die Modulflächen die meisten Sonnenstrahlen bekommen? Doch dann, wenn sie immer zur Sonne ausgerichtet wären. Darum hat man sich überlegt, dass man sie beweglich montiert und sie so immer der Sonne nachfolgen können. Die Bahn der Sonne ist an jedem Tag verschieden, daher braucht man einen Computer, der ausrechnet wo die Sonne steht und in welche Richtung die Module sehen müssen. Das nennt man Zweiachsige Nachführung. In diesem Film sieht man Module, die sich immer nach der Sonne ausrichten. Die Bewegung der Anlage wurde einen ganzen Tag gefilmt. Folie Auch bei Wolken wird Strom erzeugt Wie ihr wisst, scheint die Sonne aber nun nicht immer. Es gibt Tage mit vielen Wolken. Da scheint die Sonne zwar nicht direkt, aber es ist noch hell, durch die Wolken kommt so genannte diffuse Strahlung und mit der kann man auch Strom machen, wenn auch nicht soviel wie direkt mit der Sonne. Folie Wechselrichter Wenn man den Strom der Module in die großen elektrischen Leitungen einspeisen will, braucht man ein technisches Gerät, das Wechselrichter heißt. Die Module erzeugen nämlich nur das, was wir Ingenieure Gleichstrom nennen. Kühlschränke oder Haarföns oder Fernseher brauchen aber Wechselstrom.

6 Vortrag KinderUni 24. September Folie Solarauto Aber nachts scheint die Sonne nicht, aber Strom wird trotzdem gebraucht, man müsste ihn also speichern. Wie heißt ein Gerät, mit dem man Strom speichern kann? Ja, mit der Batterie kann man den Strom, den man bei Sonnenschein erzeugt hat, speichern. Auch hierfür haben wir ein praktisches Beispiel. Herr Petsch zeigt Euch jetzt ein ganz besonderes Fahrzeug und lässt es auch fahren. Dieses Fahrzeug hat Solarzellen auf dem Dach und es kann damit fahren. Wenn die Sonne jetzt untergeht, fährt es trotzdem weiter, weil es im Inneren eine Batterie hat, die den Strom gespeichert hat. Dieses Roboterfahrzeug heißt Sojourner und ein solches mit 10,6 kg Gewicht Fahrzeug ist schon auf dem Mars gefahren. Zunächst fährt Sojourner in der Sonne, dann wird das Licht ausgeschaltet. Mit der Batterie kann man Strom in kleineren Mengen speichern, so etwas macht man zum Beispiel auch auf Berghütten. Wenn die Sonne scheint, wird die Batterie aufgeladen, wenn nicht, nutzt man die Batterie. Wir kommen zum Ende: Ihr habt nun viel Neues erfahren. Um das ganze noch mal zu wiederholen, habe ich einen kleinen Film vorbereitet, den ich Euch jetzt zeige. Wiederholung mit Flash-Animation Zum ersten Bild der Flash-Animation: Eine weitere Frage an euch: Am Anfang habe ich das Planetensystem gezeigt, hier ist es noch einmal. Der Mars wo der Sojourner gefahren ist - ist etwas weiter von der Sonne weg als die Erde. Ist die Sonnenstrahlung auf dem Mars größer oder kleiner als auf der Erde? Richtig, sie muss kleiner sein, weil der Mars weiter weg ist. Zum letzten Bild der Flash Animation: Wie ihr sicher wisst, ist es für unsere Erde sehr wichtig, dass wir nicht mehr so viel Öl oder Kohle verbrennen um weniger Schadstoffe zu erzeugen. Daher ist es sehr wichtig, wenn wir in Zukunft mehr Sonnenenergie nutzen, also den Strom mit Hilfe der Sonne erzeugen. Das könnte so aussehen, wie hier dargestellt, mit vielen Solarmodulen auf Dächern. Samstag, 24. September 2005 Be