Die Sonne liefert uns täglich ein enormes Energiepotential, das in Deutschland den Energiebedarf um das etwa Achtzigfache übersteigt. Diese Energiequelle steht uns in den nächsten 5 Milliarden Jahren unerschöpflich, kostenlos und umweltfreundlich zur Verfügung und lässt sich auf verschiedene Art und Weise nutzen. Mit Hilfe der Solartechnik kann mit der Sonnenenergie Wärme und elektrischer Strom erzeugt werden.

Anbei finden Sie Hintergrundinformationen zu Sonnenstrahlung, Solarthermie, Photovoltaik und einem aktuellen Projekt in Seefeld.

Solarkonstante

Die Strahlungsleistung der Sonne am äußersten Rand der Erdatmosphäre ist nahezu konstant. Die gesamte Strahlungsleistung der Sonne, die pro Quadratmeter auf die Erde einfällt, das ist die Bestrahlungsstärke bzw. mittlere Energiedichte der Einstrahlung, wird durch die Solarkonstante beschrieben.

Die Größe der Solarkonstante unterliegt geringen Schwankungen, beeinflusst durch Änderungen der Sonnenaktivität (Sonnenflecken) und die Entfernung Erde-Sonne. Diese Unregelmäßigkeiten finden sich vor allem im UV-Bereich und sie betragen weniger als 5%. Für die Anwendungen in der Solartechnik sind sie daher unerheblich.
Der Mittelwert der Solarkonstante wird wie folgt angegeben: E = 1.367 W/m²

Globalstrahlung in Deutschland

Die mittleren Jahressummen der Globalstrahlung, ein für die Auslegung von Solaranlagen wichtiger Wert, liegen in Deutschland zwischen ca. 980 kWh/m² (Flensburg) und 1.200 kWh/m² (Freiburg) mit einem deutlichen Nord-/Süd-Anstieg, wobei klimatologisch bedingt auch regional starke Unterschiede auftreten können.

Einflussfaktoren Sonneneinstrahlung

Das Sonnenenergieangebot auf der Erde ist starken Schwankungen unterworfen und ist abhängig von astronomischen Gegebenheiten und meteorologischen Einflüssen wie

-    der Jahreszeit

-    der Tageszeit

-    der geografischen Breite

-    der Trübung der wolkenlosen Atmosphäre

-   den Bewölkungsverhältnissen

Solarthermie

Definition

Solarthermie ist die Umwandlung der solaren Einstrahlung, die von der unsichtbaren ultra-kurzwelligen Strahlung (Anteil ca. 6 %) über das für uns sichtbare Lichtspektrum (Anteil ca. 50 %) bis in den ebenso unsichtbaren langwelligen infraroten Strahlungsbereich (Anteil ca. 44 %) reicht, in Wärme.

In der Solartechnik wird dieser Umwandlungseffekt zur direkten Erwärmung von Wasser und Räumen, sowie zur indirekten Erwärmung von Räumen und Trinkwasser sowie zur Trocknung von Lebensmitteln usw. genutzt.

Von aktiver Nutzung spricht man, wenn entsprechend konstruierte Absorberflächen Sonnenwärme sammeln und diese Wärme mit Hilfe eines Mediums (z.B. Wasser, Luft, Öl, Frostschutz) zu einem Wärmespeicher transportiert wird, aus dem sie dann zeitverzögert ihrer Nutzung zugeführt wird (= thermische Solaranlage). Im Haushalt findet die Sonnenwärme vorwiegend zur Erwärmung von Wasser und Raumheizung Verwendung. In der Industrie ist darüber hinaus noch die Umwandlung in chemische Energie, elektrische Energie und mechanische Energie anzutreffen. Zunehmend werden solarbetriebene Absorptionskältemaschinen für die Gebäudeklimatisierung eingesetzt.

Bei der so genannten passiven Nutzung in der Solararchitektur erwärmt die Sonne direkt, also ohne technische Apparate, ein Gebäude z. B. durch entsprechend ausgerichtete Fensterflächen oder durch so genannte transparente Wärmedämmung, bei der das Sonnenlicht die äußerste Dämmschicht durchdringen kann und so die dahinter liegende Mauer erwärmt.

Photovoltaik

Geschichte

Die Photovoltaik dient der direkten Wandlung von einfallendem Licht in elektrische Energie. Die Geschichte der Photovoltaik beginnt im Jahr 1839, als der zugrundeliegende photoelektrische Effekt ent­deckt wurde. Es dauerte jedoch noch über einhundert Jahre, bis es zu einer Nutzung in der Energie­versorgung kam.

Im Jahr 1839 stieß Alexandre Edmond Becquerel (1820–1891) bei Experimenten auf den photo­elek­trischen Effekt. Bei Experimenten mit elektrolytischen Zellen, bei denen er eine Platin-Anode und -Kathode verwendete, maß er den zwischen diesen Elektroden fließenden Strom. Dabei stellte er fest, dass der Strom bei Licht geringfügig größer war als im Dunkeln. Damit entdeckte er die Grundlage der Photovoltaik, zu einer praktischen Anwendung kam es jedoch erst Generationen später.

1873 entdeckten der britische Ingenieur Willoughby Smith und sein Assistent Joseph May, dass Selen bei Belichtung seinen elektrischen Widerstand veränderte. Willoughby Smith ging mit dieser Ent­deckung an die Öffentlichkeit und löste damit weitere Forschungen zu diesem Thema aus.

1876 entdeckte dann William Grylls Adams zusammen mit seinem Schüler Richard Evans Day, dass Selen Elektrizität produziert, wenn man es Licht aussetzt. Obwohl Selen nicht geeignet ist, genügend elektrische Energie zur Versorgung damals verwendeter elektrischer Bauteile zu Verfügung zu stellen, war hiermit der Beweis erbracht, dass ein Feststoff Licht direkt in elektrische Energie wandeln kann, ohne den Umweg über Wärme oder kinetische Energie. 1883 baute der New Yorker Charles Fritts ein erstes Modul (den Vorläufer des Photovoltaikmoduls) aus Selenzellen. Erst jetzt kam es zu grund­legenden Arbeiten über den photoelektrischen Effekt, bei vielen Wissenschaftlern der damaligen Zeit aber auch zu großen Zweifeln an der Seriosität dieser Entdeckung. 1884 legte Julius Elster (1854–1920) zusammen mit Hans Friedrich Geitel (1855–1923) bedeutende Arbeiten über den licht­elek­tri­schen Effekt (Photoeffekt) vor. Heinrich Rudolph Hertz (1857–1894) entdeckte ebenfalls 1887 den licht­elektrischen Effekt, dessen genaue Untersuchung er seinem Schüler Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs (1859–1922) übergab. Im gleichen Jahr und unabhängig von Hallwachs kam auch Augusto Righi (1850–1920) zur Entdeckung der Elektronenemission beim Photoeffekt. Zu Ehren der Erkennt­nisse von Hallwachs wurde der lichtelektrische Effekt (auch äußerer Photoeffekt genannt) früher auch als Hallwachs-Effekt bezeichnet. Auch Philipp Eduard Anton Lenard (1862–1947) und Joseph John Thomson trugen am Ende des 19. Jahrhunderts weiter zur Erforschung des licht­ele­k­tri­schen Effekts bei. 1907 lieferte Albert Einstein eine theoretische Erklärung des licht­elek­trischen Effekts, die auf seiner Lichtquantenhypothese von 1905 beruhte. Dafür erhielt er 1921 den Nobel­preis für Physik.

Robert Andrews Millikan (1868–1953) konnte 1912–1916 die Einstein’schen Überlegungen zum Photo­effekt experimentell bestätigen und wurde unter anderem dafür 1923 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Ein weiterer wichtiger Schritt für die Grundlagen der Halbleitertechnik und der Photovoltaik war das 1916 von Jan Czochralski (1885–1953) entdeckte und nach ihm benannte Kristallziehverfahren. Es wurde erst in den 1940er Jahren weiterentwickelt und kam in den 1950er Jahren mit dem stei­gen­den Bedarf nach Halbleiterbauteilen in größerem Maßstab zur praktischen Anwendung.

1940 stellte Russell S. Ohl (1898–1967) bei Versuchen unerwartet fest, dass bei Beleuchtung einer von ihm untersuchten Siliziumprobe das angeschlossene Messgerät eine Änderung anzeigte. Er bemer­kte, dass durch die Beleuchtung des Siliziums ein Strom erzeugt werden konnte. Durch wei­tere Untersuchungen konnten die Ergebnisse bestätigt werden. Ohl war bei den Bell Laboratories auch an der Entdeckung beteiligt, bei Halbleitern durch gezielte Dotierung mit Fremdstoffen die elek­trischen Eigenschaften zu ändern und so einen p-n-Übergang zu schaffen.

1948 kam es zu einem ersten Konzept der Halbleiter-Photovoltaik mit Schottky-Dioden durch Walter Schottky (1886–1976), und 1950 erstellte William Bradford Shockley (1910–1989) ein theoretisches Modell für den p-n-Übergang und schuf damit auch die Voraussetzung für das Verständnis der heutigen Solarzellen.

Die Bell Laboratories in New Jersey waren in diesen Jahren eines der weltweit aktivsten und erfolgreichsten Forschungslaboratorien. 1953 wurden dort von Daryl Chapin (1906–1995), Calvin Fuller (1902–1994) und Gerald Pearson (1905–1987) kristalline Silizium-Solarzellen, jeweils ca. 2 cm² groß, mit Wirkungsgraden von über 4 Prozent produziert. Eine Zelle erreichte sogar 6 Prozent Wirkungs­grad – am 25. April 1954 wurden die Ergebnisse der Öffentlichkeit präsentiert. Die New York Times brachte das Ereignis am nächsten Tag auf der Titelseite. Die Solarzellen hatten einen definierten p-n-Übergang und gute Kontaktierungsmöglichkeiten, wodurch erstmals wichtige Voraus­setzungen für die industrielle Produktion gegeben waren. 2002 wurde eine 1955 von den Bell Laboratories hergestellte, eingekapselte und damals mit 6 Prozent Wirkungsgrad vermessene Zelle erneut vermessen und wies noch 5,1 Prozent Wirkungsgrad auf. Nach weiteren Verbesserungen konnte der Wirkungsgrad von Solarzellen auf bis zu 11 Prozent gesteigert werden.

Definition

Unter Photovoltaik oder Fotovoltaik versteht man die direkte Umwandlung von Strahlungsenergie, vor­nehmlich Sonnenenergie, in elektrische Energie. Seit 1958 ist sie zur Energieversorgung der meisten Raumflugkörper mit Solarzellen im Einsatz. Inzwischen wird sie auch auf der Erde zur Stromerzeugung eingesetzt und findet Anwendung auf Dachflächen, bei Parkscheinautomaten, in Taschenrechnern, an Schallschutzwänden oder auf Freiflächen. Der Name setzt sich aus den Bestandteilen Photos – das griechische Wort für Licht – und Volta – nach Alessandro Volta, einem Pionier der Elektrotechnik – zusammen. Die Photovoltaik gilt als Teilbereich der umfassenderen Solar­technik, die auch andere technische Nutzungen der Sonnenenergie einschließt.

Sonnenstrom für Seefeld

Die Umsetzung der Energiewende ist in Seefeld in vollem Gang: Bürgermeister,  Gemeinderäte und Agenda-Aktive sind sich einig, dass nur ein gelungener Mix aus regenerativen Energien sowie Effizienz- und Einsparmaßnahmen zum Erfolg führt. Dazu zählt auch die Photovoltaik.

Ein idealer Standort ist wichtig

Nachdem ein Unternehmer Interesse an der Errichtung einer solchen Anlage bekundet hatte, fiel die Wahl zum Bau einer photovoltaischen Freiflächen-Anlage auf die Höhenrainer Wiesen in der Tiefenbrunner Rinne, eine von eiszeitlichen Gletschern geschaffene Schotterebene zwischen zwei Moränenzügen nordöstlich von Seefeld in der Gemarkung Unering. Dort herrschen ideale Standortvoraussetzungen für die solare Stromerzeugung. Auf einer bis dahin landwirtschaftlich genutzten Fläche von ca. 76.300 m² konnte so in eine vorbildliche Photovoltaik-Anlage mit 20.600 Modulen und einer Nennleistung von 3 MW realisiert werden, die seit dem Frühjahr 2008 Solarstrom ins öffentliche Netz einspeist. So werden im Prinzip ca. 1.000-1.500 Seefelder Haushalte mit erneuerbarer elektrischer Energie versorgt und zugleich jährlich 2.100 Tonnen CO₂ eingespart.

Klima, Natur- und Landschaftsschutz im Einklang

Das Projekt ist insofern einzigartig in Deutschland, als dass es zusätzlich zur überbauten Nutzfläche eine ebenso große Ausgleichsfläche von über 7 ha ausweist und die Anlage vorbildlich mit heimischen Pflanzen begrünt wurde, so dass sie künftig in der Landschaft kaum wahrnehmbar sein wird. Die Photovoltaikanlage, die keine Bodenversiegelung bewirkt, liegt zudem in einem wichtigen Wassereinzugsgebiet und trägt so auch dazu bei, das Grundwasser zu schützen. Künftig sollen unter den aufgeständerten Modulen die Schafe grasen und über eine Erweiterung der Anlage in interkommunaler Zusammenarbeit mit der Nachbargemeinde Weßling wird bereits nachgedacht.