Solarenergie

Lösung: Klassenarbeit – Solarenergie

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Teil 1: Wissensfragen (50 Punkte)

1. Was versteht man unter Solarenergie? Erläutere den Unterschied zwischen Photovoltaik und Solarthermie. (10 Punkte)

Lösung: Solarenergie ist die Energie, die aus Sonnenstrahlung gewonnen wird. Photovoltaik wandelt Sonnenlicht direkt in Elektrizität um, während Solarthermie Sonnenlicht in Wärmeenergie umwandelt, die zur Wassererwärmung oder Heizungsunterstützung genutzt werden kann.

2. Welche technischen Phänomene liegen der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität bei der Photovoltaik zugrunde? Erkläre dabei den photoelektrischen Effekt und den pn-Übergang. (10 Punkte)

Lösung: Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Photonen auf ein Halbleitermaterial wie Silizium treffen und Elektronen freisetzen. Der pn-Übergang entsteht durch die Dotierung von Silizium mit p-Typ und n-Typ-Materialien, wodurch eine elektrische Grenzschicht entsteht, die den Fluss von Elektronen steuert.

3. Nenne drei verschiedene Arten von Solarzellen und beschreibe deren wesentliche Merkmale. (10 Punkte)

Monokristalline Solarzellen: Hohe Effizienz, da sie aus einem einzelnen, reinen Siliziumkristall bestehen. Wirkungsgrade bis zu 22%.
Polykristalline Solarzellen: Günstiger, aber weniger effizient, da sie aus mehreren Kristallen bestehen. Wirkungsgrad bis zu 18%.
Dünnschichtsolarzellen: Dünne Schichten von Halbleitermaterialien wie Cadmiumtellurid oder CIGS, flexibel und leicht, aber oft weniger effizient.

4. Was versteht man unter der Schockley-Queisser-Grenze und wie beeinflusst sie den maximalen Wirkungsgrad einer Solarzelle? (10 Punkte)

Lösung: Die Schockley-Queisser-Grenze beschreibt das theoretische Maximum für den Wirkungsgrad von Solarzellen (etwa 33,7%), basierend auf der Bandlückenenergie des Halbleitermaterials. Über diese Grenze hinaus ist es nicht möglich, mehr Energie in elektrischen Strom umzuwandeln, da ein Teil der Sonnenstrahlung als Wärme verloren geht.

5. Welche Herausforderungen bestehen bei der Integration von Solarenergie in das Stromnetz? Nenne mindestens zwei Herausforderungen und mögliche Lösungen. (10 Punkte)

Lösung:

Schwankende Verfügbarkeit: Da Solarenergie nur bei Sonnenschein verfügbar ist, muss sie mit Speichertechnologien wie Batterien kombiniert werden, um Energie für bewölkte Tage oder nachts zu speichern.
Netzstabilität: Die Einspeisung schwankender Solarenergie erfordert eine bessere Steuerung der Netzfrequenz und intelligente Netze, um eine stabile Versorgung zu gewährleisten.

Teil 2: Anwendungsaufgaben (30 Punkte)

1. Berechne den Wirkungsgrad einer Solarzelle, wenn von einer einfallenden Sonnenstrahlung von 1.000 W/m² auf eine Solarzelle eine elektrische Leistung von 200 W erzeugt wird. (10 Punkte)

Lösung: Wirkungsgrad = (erzeugte elektrische Leistung / einfallende Sonnenstrahlung) × 100 Wirkungsgrad = (200 W / 1.000 W/m²) × 100 = 20%

2. In einem Solarkraftwerk werden Spiegel verwendet, um Sonnenlicht zu bündeln. Wie nennt man diese Art von Solaranlage? Erkläre, wie solche Anlagen funktionieren und welche Art von Energie sie hauptsächlich erzeugen. (10 Punkte)

Lösung: Diese Anlagen werden Konzentrationssolarkraftwerke genannt. Sie bündeln das Sonnenlicht mit Spiegeln oder Linsen, um hohe Temperaturen zu erzeugen. Diese Hitze wird verwendet, um Wasser in Dampf zu verwandeln, der dann eine Turbine antreibt und so elektrischen Strom erzeugt.

3. Ein Haushalt möchte seine Heizungsanlage mit Solarthermie unterstützen. Erläutere, wie eine Solarthermieanlage funktioniert und welche technischen Komponenten dafür benötigt werden. (10 Punkte)

Lösung: Eine Solarthermieanlage nutzt Kollektoren, um Sonnenlicht zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln. Diese Wärme wird über einen Wärmetauscher auf ein Speichermedium wie Wasser übertragen, das dann in einem Wärmespeicher aufbewahrt wird und zur Unterstützung der Heizung oder zur Warmwasserbereitung dient.

Teil 3: Reflexion und Diskussion (20 Punkte)

1. Diskutiere die Vor- und Nachteile der Nutzung von Solarenergie in Deutschland. Gehe dabei auf klimatische Bedingungen, Speichertechnologien und Kosten ein. (10 Punkte)

Lösung: Vorteile:

Deutschland hat Potenzial für Solarenergie trotz des weniger intensiven Sonnenlichts im Vergleich zu südlicheren Ländern.
Solarenergie ist eine umweltfreundliche Energiequelle und kann langfristig zur Klimaneutralität beitragen.

Nachteile:

Die klimatischen Bedingungen in Deutschland, insbesondere im Winter, reduzieren die Energieausbeute.
Hohe Speicherkosten für Batterien oder andere Speichertechnologien sind noch eine Herausforderung.
Anfangsinvestitionen sind hoch, aber langfristig gibt es Kostenvorteile.

2. Welche Rolle könnte Solarenergie in einer nachhaltigen und CO2-neutralen Zukunft spielen? Nenne mögliche Szenarien und technologische Entwicklungen, die diese Entwicklung unterstützen könnten, wie z.B. die Nutzung von Perowskit-Solarzellen oder die Kombination mit anderen erneuerbaren Energiequellen. (10 Punkte)

Lösung: Solarenergie wird eine entscheidende Rolle in einer CO2-neutralen Zukunft spielen, da sie eine der wenigen wirklich unbegrenzten Energiequellen ist. Die Entwicklung von Perowskit-Solarzellen könnte die Effizienz und die Kosten erheblich verbessern. In Kombination mit Windkraft, Wasserkraft und Speichertechnologien wie Batterien oder Wasserstoff wird Solarenergie eine wichtige Säule der globalen Energieversorgung sein.