SOLAR
Solartechnik bezeichnet die Methoden und Technologien zur Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energieformen.
Sie umfasst Photovoltaiksysteme, die Sonnenstrahlen direkt in Strom verwandeln, und Solarthermieanlagen, die die Wärme der Sonne für Heizzwecke oder zur Stromerzeugung nutzen.
Solartechnik spielt heute eine zentrale Rolle im globalen Bestreben, den Klimawandel zu bekämpfen, indem sie eine emissionsfreie Energiequelle bietet. Sie fördert die Energieunabhängigkeit, senkt die Stromkosten und stimuliert die wirtschaftliche Entwicklung durch die Schaffung von Arbeitsplätzen im Bereich der erneuerbaren Energien.
Zudem ermöglicht Solartechnik den Zugang zu sauberer Energie in entlegenen Gebieten, was die Lebensqualität verbessert und nachhaltiges Wachstum unterstützt.
Diese Technik spielt eine Schlüsselrolle im Übergang zu erneuerbaren Energien und unterstützt den Klimaschutz durch die Reduktion von Treibhausgasemissionen.
PHOTOVOLTAIK
Funktionsweise der Photovoltaikanlagen
Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht mittels Solarzellen, die aus Halbleitermaterialien wie Silizium bestehen, direkt in elektrischen Strom um. Wenn Licht auf die Zellen trifft, regt es Elektronen an und erzeugt so einen elektrischen Stromfluss, der als Energie genutzt wird.
Ein Wechselrichter wandelt diesen Gleichstrom anschließend in Wechselstrom um, der im Haus genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist werden kann.
Vorteile der Photovoltaik
- Reduzierung fossiler Brennstoffabhängigkeit: Photovoltaiksysteme verringern den Bedarf an Kohle, Öl und Gas, was zu einer nachhaltigeren Energieversorgung führt.
- Senkung der Energiekosten: Solarenergie kann Stromrechnungen reduzieren, da Sonnenlicht kostenlos ist und die Betriebskosten von PV-Anlagen relativ niedrig sind.
- Erzeugung erneuerbarer Energie: Photovoltaikanlagen nutzen die unerschöpfliche Energie der Sonne, was eine nachhaltige Stromerzeugung ermöglicht.
- Beitrag zum Umweltschutz durch CO₂-Einsparung: Die Nutzung von Solarenergie statt fossiler Brennstoffe reduziert Treibhausgasemissionen und trägt zum Klimaschutz bei.
- Steigerung der Energieautonomie: Haushalte und Unternehmen können mit PV-Anlagen ihren eigenen Strom erzeugen, was die Abhängigkeit von externen Energielieferanten mindert.
- Finanzielle Vorteile durch Fördermittel und Vergütungen: Viele Regierungen bieten Anreize und Einspeisetarife für die Erzeugung von Solarenergie, was die Investition in Photovoltaik attraktiver macht.
Anwendungsbereiche der Photovoltaik
Photovoltaik findet Einsatz in privaten Haushalten zur Stromversorgung und reduziert so die Energiekosten. In der Industrie dient sie als Quelle für Prozessenergie und unterstützt nachhaltige Produktionsmethoden. Im städtischen Umfeld treibt Photovoltaik die Entwicklung von Smart Grids und E-Mobilitätslösungen voran.
SOLARTHERMIE
Funktionsweise der Solarthermieanlagen
Solarthermieanlagen fangen Sonnenwärme mit Kollektoren ein und übertragen diese auf ein Wärmeträgermedium. Dieses erhitzte Medium fließt dann durch das System, um Wasser zu erwärmen oder in manchen Systemen zur Unterstützung der Raumheizung beizutragen. So wird Sonnenenergie effizient für Heizzwecke und Warmwasserbereitung genutzt.
Vorteile der Solarthermie
- Effiziente Wärmebereitstellung: Solarthermie nutzt Sonnenenergie, um Wasser und Räume effizient zu heizen.
- Energiekosteneinsparung: Senkt langfristig die Kosten für Warmwasser und Heizung.
- Reduktion von CO2-Emissionen: Trägt zur Verringerung des ökologischen Fußabdrucks bei.
- Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen: Verringert die Abhängigkeit von Gas und Öl.
- Geringe Betriebskosten: Nach der Installation sind die Betriebskosten minimal.
- Staatliche Förderungen: Viele Länder bieten Zuschüsse und finanzielle Anreize für Solarthermieanlagen.
- Lange Lebensdauer: Solarthermische Systeme haben eine hohe Lebenserwartung bei entsprechender Wartung.
Anwendungsbereiche der Solarthermie
Solarthermieanlagen dienen in Wohngebäuden zur Bereitstellung von Warmwasser und unterstützen die Heizsysteme. In Schwimmbädern erhitzen sie das Wasser umweltfreundlich und kostengünstig. Gewerbliche Einrichtungen nutzen Solarthermie für Prozesswärme, was den Energieverbrauch minimiert.
Arten von Solarmodulen
Monokristalline Solarmodule: Beste Effizienz, aus einzelnen Siliziumkristallen gefertigt.
- Polykristalline Solarmodule: Gute Effizienz, aus mehreren Siliziumkristallen zusammengesetzt.
- Dünnschichtsolarmodule: Flexibel, geringere Effizienz, aber kostengünstig.
- CIGS-Solarmodule (Kupfer-Indium-Gallium-Selenid): Dünnschichttechnologie mit relativ hoher Effizienz.
- Amorphe Siliziummodule: Eine Form der Dünnschichttechnologie, günstig in der Herstellung.
- PERC-Solarmodule (Passivated Emitter Rear Cell): Höhere Effizienz durch verbesserte Rückseitenpassivierung.
- Bifaziale Solarmodule: Können Licht von beiden Seiten aufnehmen und in Strom umwandeln.
- Glas-Glas-Solarmodule: Bestehen aus zwei Glasschichten, sind robust und langlebig.
SOLARPANELS
Effizienz der Solarmodule
Monokristalline Solarmodule führen mit einer Effizienz von etwa 15–20 %.
Polykristalline Module folgen mit einer Effizienz von rund 13–16 %.
Dünnschichtmodule, darunter auch CIGS, variieren typischerweise zwischen 10 und 13 % Effizienz.
Amorphe Siliziummodule liegen bei etwa 7–10 %. PERC-Solarmodulesteigern die Effizienzum bis zu 5 % gegenüber Standardzellen. Bifaziale Module erhöhen die Gesamteffizienz, indem sie reflektiertes Licht nutzen. Glas-Glas-Module bieten zwar eine erhöhte Langlebigkeit, aber ihre Effizienz entspricht in der Regel der des verwendeten Zelltyps.
Modulwirkungsgrad
Wechselrichter
Funktion des Wechselrichters
Der Wechselrichter wandelt den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der für Haushaltsgeräte und das Stromnetz benötigt wird. Er optimiert zudem die Leistung der Solaranlage, indem er die Stromproduktion an die Netzbedingungen anpasst.
Arten von Wechselrichtern
- String-Wechselrichter: Verbinden eine Serie von Solarmodulen, geeignet für einheitliche Ausrichtung ohne Verschattung.
- Mikro-Wechselrichter: Einzelne Module werden unabhängig geregelt, ideal für ungleichmäßige Dachflächen.
- Leistungsoptimierer: Kombination aus String-Wechselrichter und Modul-Optimierung, maximiert die Leistung jedes einzelnen Moduls.
- Hybrid-Wechselrichter: Ermöglichen sowohl die Netzeinspeisung als auch die Anbindung an Batteriespeicher.
- Multistring-Wechselrichter: Erlauben den Anschluss mehrerer Modulstränge, flexibel bei unterschiedlichen Ausrichtungen und Neigungen.
- Zentralwechselrichter: Große Anlagenkapazitäten, vorwiegend in Gewerbe und Industrie eingesetzt.
Voraussetzungen für die Installation von Solartechnik
Einflussfaktoren auf den Standort
Sonnenlichtverfügbarkeit: Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung bevorzugen.
- Dachausrichtung und -neigung: Idealerweise Südausrichtung und eine Neigung von 30 bis 35 Grad.
- Verschattung: Vermeidung von Standorten mit Verschattung durch Bäume oder Gebäude.
- Klimabedingungen: Regionen mit weniger extremen Wetterbedingungen sind vorteilhafter.
- Lokale Energiepreise: Hohe Strompreise können die Amortisation beschleunigen.
- Staatliche Anreize: Regionen mit Förderprogrammen sind attraktiver.
- Netzanbindung: Nähe zum Stromnetz für die Einspeisung überschüssigen Stroms.
Dachbeschaffenheit
Voraussetzungen für die Installation auf dem Dach
Das Dach muss stabil und tragfähig sein, um die Last der Solarmodule zu tragen. Eine Südausrichtung ist optimal, aber auch Ost- oder Westausrichtungen sind möglich. Zudem sollte das Dach möglichst wenig verschattet sein, um die Sonneneinstrahlung maximal zu nutzen.
SOLAR LAB
Das Set aus Experimenten und Lernmaterialien erproben wir mit Studierenden und Schüler*innen in unserem hauseigenen Schülerlabor iLUP (Innovation Lab Uni Potsdam), damit wir sicher gehen können, dass dem Lernerfolg nichts im Wege steht.
Im letzten Schritt skalieren wir die Experimentiermaterialien zu einem Klassensatz hoch und verpacken alle Materialien in eine stabile Box … é voila, fertig ist ein neues boXperiment.
Unser erstes boXperiment beschäftigt sich mit dem faszinierenden Bereich der Organischen Elektronik. Neugierig?! Im nachfolgenden Video können Sie das boXperiment zur Organischen Elektronik im Einsatz sehen.
Organic Photo Electronics
OPE, das steht für Organic Photo Electronics und beschreibt im Kontext des Koffers kleine, selbstgebaute Zellen. Dabei handelt es sich zum einen um OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) und zum anderen um OPVs (Organic Photovoltaics).
OLEDs sind in der modernen Welt nicht mehr wegzudenken – überall sind sie präsent, ob in Displays oder als flächendeckende Beleuchtung. Immer handelt es sich um kleine Zellen, die an eine Spannungsquelle angeschlossen Licht emittieren. Elektrische Energie wird dabei in Strahlungsenergie (Licht) umgewandelt.
OPVs hingegen generieren eine Spannung, indem sie Licht absorbieren. So können beispielsweise Motoren mithilfe von Licht angetrieben werden. Strahlungsenergie wird hier in elektrische Energie umgewandelt.
Ein organisches Polymer bildet in beiden Fällen das Herzstück der Zelle. Es fungiert in den Zellen als Halbleiter und wandelt die jeweilige Energieform in die andere um. Organische Halbleiter sind vielseitig einsetzbar und können kostengünstig synthetisiert und verarbeitet werden.
Der OPE-Koffer richtet sich an Bildungsinstitutionen unterschiedlichster Art, insbesondere jedoch an Schulen und Hochschulen. Lernende können mit den enthaltenen Materialien eigenhändig eine solche Zelle (sowohl OLED, als auch OPV) bauen und untersuchen. Ist die Spannung der selbst hergestellten OPV hoch genug, so kann auch der beiliegende kleine Motor betrieben werden. Im Kontext des Klimawandels und der FFF-Bewegung lässt sich das Thema optimal in den Unterricht integrieren.
Die im Koffer enthaltenen Materialien sind sogenannte low-cost-Varianten, die den in der Großindustrie verwendeten sehr ähneln. Die Polymere sind solche, die auch in der Forschung eingesetzt werden.
Der OPE-Koffer ist interdisziplinär einsetzbar, er verbindet die Chemie mit der Physik, weshalb er gern von Lehrkräften für z.B. Projektarbeiten genutzt wird. Aber er lässt sich auch ideal in den Chemieunterricht zu Themen wie Polymere, Farbstoffe oder Elektrochemie integrieren.
Da nahezu alle Materialien (mit Ausnahme der Polymere) wiederverwendet werden können, ist der Koffer auch ressourcenschonend. Mit einem Koffer können bis zu 240 Zellen gebaut werden. Ein „Refill-Kit“ für die Verbrauchsmaterialien gibt es ebenfalls im Shop.
Weiterhin erhalten Sie mit dem Kauf der Box ein 100-seitiges Begleitheft mit Hintergrundinformationen, Arbeitsblättern, Lernmodellen, Gefährdungsbeurteilungen u.v.m. inkl. Word- und PPT-Vorlagen zur individuellen Anpassung an Ihren Unterricht.
Eigenbau-OPV-Schritt
Video Vorbereitung des FTO-Glas
0:10 Schritt 1a: Bestimmung der leitfähigen Seite des FTO-Glases mittels Multimeter. - Determine the conductive side of the FTO-Glass with a multimeter.
0:50 Schritt 1b: Reinigen des FTO-Glases. - Cleaning of the FTO-Glass.
2:00 Schritt 1c: Auftragen von PEDOT:PSS.- Application of PEDOT:PSS.
Eine weitere Box zum ebenso spannenden Gebiet der gedruckten Elektronik ist in Entwicklung (2021 erhältlich)
University of Potsdam - Institute of Chemistry - Dep. of Chemistry Education
Prof. Dr. Amitabh Banerji
Karl-Liebknecht-Str. 24-25
14476 Potsdam
House 25, Room: D1.10-1.11
Phone: +49 (0) 331 977 5182
Email: abanerji@uni-potsdam.de