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Titel:

Kraftwerke


  Note: 1+   Klasse: 10









Arbeit: Kraftwerke


Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
2. Der Generator – Grundlage der meisten Kraftwerke
2.1 Historische Entwicklung des Generators
2.2 Bau des Generators
3. Kraftwerke mit Generator
3.1 Kohle-, Öl- und Gaskraftwerke
3.2 Das Atomkraftwerk
3.2.1 Der allgemeine Aufbau von Atomkraftwerken
3.2.2 Der Siedewasserreaktor
3.2.3 Der Druckwasserreaktor
3.2.4 Der Brutreaktor ( Schneller Brüter )
3.2.5 Der Hochtemperaturreaktor ( Kugelhaufenreaktor )
3.3. Das Wasserkraftwerk
3.3.1 Der allgemeine Aufbau von Wasserkraftwerken
3.3.2 Die Francis-Turbine
3.3.3 Die Kaplan-Turbine
3.3.4 Die Pelton-Turbine
3.3.5 Das Pumpspeicherkraftwerk
3.3.6 Verbreitung von Wasserkraftwerken
3.4 Das Windkraftwerk
4. Stromerzeugung ohne Generator – Die Solarzelle



1. Einleitung

Man kann durchaus sagen, dass die Entdeckung und Nutzung des elektrischen Stroms für die Entwicklung der Menschheit genau so wichtig war, wie die Entdeckung des Feuers in der Urgesellschaft.

Fast alle Abläufe in der modernen Zivilisation sind auf die Nutzung des elektrischen Stroms zurückzuführen. Niemand kann sich mehr den elektrischen Strom aus unserem Alltag wegdenken.

Seit der Entdeckung der elektromagnetischen Induktion durch Michael Faraday 1831 kam es innerhalb der kurzen Zeit von 167 Jahren bis heute zu einer großen Anzahl von neuen Entdeckungen und Erfindungen auf dem Gebiet der Erzeugung des elektrischen Stroms und seiner Nutzung.

Es gibt heutzutage viele verschiedene Möglichkeiten, Strom in Kraftwerken zu erzeugen.

Im weiteren Verlauf dieser Arbeit wird versucht, die Funktionsweise und den Aufbau von Kraftwerken näher zu erklären.


2. Der Generator

2.1 Historische Entwicklung des Generators


Michael Faraday konnte 1831 als Erster die elektromagnetische Induktion nachweisen. Sie ist die Grundlage des Generators.

Faraday konstruierte auch die erste und einfachste elektrische Maschine, den Scheibendynamo. Dieser bestand im wesentlichen aus einer Kupferscheibe, die so montiert war, das sich ein Teil von ihr vom Mittelpunkt bis zum Rand zwischen den Polen eines Hufeisenmagneten befand. Wurde die Kupferscheibe bewegt, wurde ein Strom induziert.

Da das Magnetfeld eines Dauermagneten nur für den Betrieb von kleinen Generatoren ausreichte, wurden bald für große Generatoren Elektromagneten verwendet. Später wurde bei den Wechselstromgeneratoren zwei Arten verwendet: der Außenpolgenerator und der Innenpolgenerator.

Beim Außenpolgenerator sind die Magnet außen fest und die Spule dreht sich innen.

Beim Innenpolgenerator sind die Spulen außen fest und der Magnet bewegt sich innen. Heutzutage wird allerdings meistens der Drehstromgenerator verwendet. Bei ihm sind drei Spulen räumlich im Abstand von je 120° angeordnet.


2.2 Bau des Generators

Der Verlauf der Spannung wird mit einer Sinuskurve dargestellt. Wenn die Leiterschleife parallel zum Magneten ist, erreicht der Induktionsstrom seine maximale Höhe, wenn sie senkrecht zum Magneten steht, sinkt der Induktionsstrom auf Null. Dreht sich die Leiterschleife wieder parallel zum Magneten, sinkt der Induktionsstrom auf einen negativen Spitzenwert, was bedeutet, dass er in die andere Richtung fließt. Wenn die Leiterschleife wieder senkrecht zum Magneten steht steigt der Induktionsstrom auf Null und der Vorgang beginnt von neuem.

Wegen des steigenden Energiebedarfs wird heute bei der Erzeugung und Verteilung des Stromes ein dreiphasiges Wechselstromsystem genutzt, es wird als Drehstromsystem bezeichnet. Dadurch stehen dem Verbraucher zwei Spannungen zur Verfügung ( z.B. 230 V und 400 V ). Der zur Erzeugung dieses Stroms verwendete Drehstromgenerator besteht aus drei räumlich um 120° versetzten Spulen ( Strängen ), die von einem rotierenden Magnetfeld durchsetzt werden. Da das Magnetfeld des Rotors in 120°-Abständen die Spulen voll durchsetzt, entstehen Spannungen mit einer Phasenverschiebung von 120°. Es entstehen drei um 120° versetzte Sinuskurven. Die drei Spulen werden mit U, V und W bezeichnet.

Bei der Abnahme des Stroms von den Spulen unterscheidet man zwei prinzipielle Schaltungen: die Sternschaltung und die Dreieckschaltung. Bei der Sternschaltung werden die inneren Enden der Spulen ( U2, V2 und W2 ) miteinander zu einem Mittelanschluß ( auch Sternpunkt ) verbunden. Die Leiterspannung läßt sich nach folgender Gleichung errechnen:

U = v3 x UStr . ( Str steht für Strang = Spule ).

Bei der Dreieckschaltung wird U mit V, V mit W und W mit U verbunden ( Abbildung zur Dreieckschaltung im Anhang, Seite 17, Abb. 17.3 ). Die Gleichung für die Leiterspannung ist:

U = UStr, somit ist UUV = UVW = UWU = UStr.


3. Kraftwerke mit Generator

3.1 Kohle-, Öl- und Gaskraftwerke


In solchen Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen wird, je nach Kraftwerkart, Stein- und Braunkohle bzw. Erdöl oder Erdgas verbrannt. Durch die entstehende Wärme wird Wasser, das sich in Rohrleitungen befindet, zum Sieden gebracht.

Der entstehende Dampf hat einen Druck von etwa 170 bar und eine Temperatur von ca. 530 °C. Dieser Dampf treibt die Turbinen für den Generator an. Anschließend wird er in einem Kondensator durch anderes, in Rohrleitungen befindliches, Wasser wieder abgekühlt. Das Kühlwasser wird dabei von ca. 25°C auf ca. 35°C erwärmt. In riesigen Kühltürmen wird es durch Verrieselung wieder auf 25°C abgekühlt, allerdings verdunstet dabei ein Teil des Wassers. In einem 1300-MW-Kraftwerk geht auf diese Art und Weise etwa ein Kubikmeter Wasser pro Sekunde verloren.

Ein großer Nachteil von Kohle-, Öl- und Gaskraftwerken ist, dass viele umweltschädliche Abgase entstehen, die nur zum Teil von Filtern aus der Luft gefiltert werden.

Diese umweltschädlichen Gase sind z.B. beim Kohle- und Ölkraftwerk Kohlenstoffdioxid ( CO2 ), Stickoxide ( NOX ) und Schwefeldioxid ( SO2 ).

In einem Gaskraftwerk entstehen ebenfalls Kohlenstoffdioxid ( CO2 ), Stickoxide ( NOX ) und Schwefeldioxid ( SO2 ), es wird aber auch Methan ( CH4 ) freigesetzt.

Die meisten Schadstoffe werden von Kohlekraftwerken freigesetzt. So wurde beispielsweise durch die Modernisierung des Heizkraftwerks Jena-Süd vom Kohlebetrieb zum Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk die Emission von

CO2 von 500.000 t/a auf 264.000 t/a ( 53% ),

NOX von 665 t/a auf 220 t/a ( 33,8% ),

SO2 von 18.000 t/a auf 64 t/a ( 0,35% )

Staub von 128 t/a auf nahezu 0 gesenkt.

Ein weiteres Problem ist, dass die fossilen Brennstoffe nur begrenzt vorhanden sind, z.B. werden die Erdöl- und Ergasvorräte der Erde bereits in ca. 40 bis 50 Jahren aufgebraucht sein, wenn ihr Verbrauch konstant bleibt.


3.2 Das Atomkraftwerk

3.2.1 Der allgemeine Aufbau von Atomkraftwerken


Bei einem Kernkraftwerk wird die Energie zur Dampferzeugung durch eine kontrollierte Kettenreaktion von Kernspaltungen gewonnen. Im Reaktorkern werden die Uran- bzw. Plutoniumatome des Brennstoffes durch Neutronen gespalten. Die dabei freigesetzte thermische Energie wird an einen Primärkreislauf mit einer, je nach Kraftwerkart unterschiedlichen, Flüssigkeit abgegeben. Meist handelt es sich hierbei um Wasser oder flüssiges Natrium. Da diese Flüssigkeit radioaktiv ist, gibt sie ihre thermische Energie an einen Sekundärkreislauf ab, der meistens Wasser enthält. Dieses Wasser verdampft durch die große Hitze und treibt die Turbinen für den Generator an.

Da die Neutronen im Reaktorkern zu schnell sind, um bestimmte Stoffe ( z.B. Uran-238 ) in genügender Menge zu spalten, wird ein Moderator ( Bremssubstanz ) verwendet. Ein guter Moderator muss über einen großen Streuquerschnitt ( Wirkungsquerschnitt ), einen kleinen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen und eine möglichst kleine Massenzahl A verfügen. Typische Moderatoren sind schweres Wasser ( D2O ), Kohlenstoff in der Form von Graphit oder Beryllium.

Ein Kernreaktor kann sich nur dann selbst unterhalten, wenn das Verhältnis der Neutronenzahlen zweier, aufeinander folgender Spaltungsgenerationen mindestens eins ist. Ist dieses Verhältnis kleiner als eins, so ist es unterkritisch und die Kettenreaktion kommt zum Stillstand. Ist es genau eins, so ist es stationär. Es wird immer angepeilt, dieses stationäre Verhältnis zu erreichen. Kommt es aber dazu, dass das Verhältnis größer als eins ist, ist es überkritisch und die Kernspaltungen nehmen unkontrolliert zu. Die Folge wäre ein Super-GAU ( GAU bedeutet: größter anzunehmender Unglücksfall ). Um dies zu verhindern, werden Steuerstäbe mehr oder weniger weit in den Reaktorkern eingefahren. Diese Steuerstäbe bestehen aus Stoffen, die die Neutronen absorbieren und so für ein stationäres Verhältnis sorgen. Solche Neutronen absorbierenden Stoffe sind z. B. Bor oder Kadmium.

Für das erstmalige in Betrieb setzen eines Reaktors werden zwar die ersten Neutronen aus einer speziellen Neutronenquelle benötigt, aber nach einer zwischenzeitlichen Stilllegung ist dies nicht mehr nötig.


3.2.2 Der Siedewasserreaktor

Der Siedewasserreaktor gehört, wie auch der Druckwasserreaktor ( siehe 3.2.3 ) zur Gruppe der Leichtwasserreaktoren, da als Kühlmittel leichtes Wasser ( H2O ) statt schwerem Wasser ( D2O ) verwendet wird. Im Reaktorkern befinden sich ca. 800 Brennelemente, die jeweils durch einen Blechbehälter begrenzt sind. Jedes Brennelement besteht aus 64 Brennstoffstäben, die im wesentlichen aus angereichertem Uran in Form von Urandioxid ( U2O ) bestehen. Die Blechbehälter der Brennelemente haben am unterem Ende eine Öffnung, durch die das Kühlwasser eintritt und nach oben strömt, um die Brennstoffstäbe zu kühlen. Diese geben die durch die Spaltung von Urankernen entstandene thermische Energie an das Kühlwasser ab, welches dadurch verdampft. Dieser Dampf hat einen Druck von ca. 70 bar und treibt die Turbinen für den Generator an. Das Wasser dient aber auch als Moderator und bremst die Neutronen ab, damit neue Kernspaltungen möglich sind. Da aber bei jeder Urankernspaltung zwei bis drei neue Neutronen frei werden, würde es zu einem gefährlichen, überkritischen Verhältnis kommen. Dieser Zustand wird aber durch das Einfahren der Steuerstäbe verhindert.

Ein großer Nachteil des Siedewasserreaktors ist, dass das radioaktive Wasser, das die Brennstäbe gekühlt hat, auch die Turbinen antreibt. Bei anderen Reaktortypen ist dies nicht der Fall.


3.2.3 Der Druckwasserreaktor

Wie o. g. gehört der Druckwasserreaktor zu der Gruppe der Leichtwasserreaktoren. Ein typischer Druckwasserreaktor mit einer Leistung von 1300 MW besitzt im Reaktorkern ca. 200 Brennelementen mit jeweils 300 Brennstäben. Das Kühlwasser im Primärkreislauf hat einen Druck von ca. 150 bar und siedet deshalb nicht. Über Rohrleitungen erhitzt dieses Primärwasser in einem Dampferzeuger das Sekundärwasser, welches keinen so hohen Druck hat und deshalb verdampft. Dadurch werden die Turbinen für den Generator angetrieben. Das immer flüssige Primärwasser kühlt sich bei diesem Vorgang von ca. 330°C auf ca. 290°C ab, wird im Reaktorkern allerdings wieder auf 330°C erhitzt. Ein Druckbehälter sorgt dafür, dass der Druck immer gleich bleibt.

Die Steuerung des Reaktorkerns erfolgt zum einen durch kadmiumhaltige Steuerstäbe, zum anderen wirkt das Kühlwasser als Moderator. Dieser Effekt des Primärwassers wird dadurch unterstützt, dass das Wasser, je nach Bedarf, mehr oder weniger stark mit neutronenschluckender Borlösung angereichert wird. Wenn sich der Reaktor zu stark erhitzt, nimmt die Dichte des Primärwassers ab. Das hat zur Folge, dass das Wasser seine guten Moderatoreigenschaften verliert, die Neutronen deshalb nicht mehr so gut abgebremst werden und dadurch die Anzahl der energieliefernden Spaltungen zurückgeht. Das ganze System kühlt sich damit wieder selbst ab.

Ein Vorteil des Druckwasserreaktors ist, dass das radioaktive Kühlwasser, das den Reaktorkern kühlt, im Gegensatz zum Siedewasserreaktor, nicht direkt mit den Turbinen oder dem Sekundärwasser in Berührung kommt sondern isoliert bleibt.


3.2.4 Der Brutreaktor ( Schneller Brüter )

Der Vorgang, dass Uran-238-Atomkerne Neutronen einfangen und sich somit in leicht spaltbare, und zur Energiegewinnung heranziehbare Plutonium-239-Kerne wandeln, wird im Brutreaktor genutzt. Von den, bei der Spaltung von Plutonium-239, frei werdenden zwei bis drei Neutronen wird nur eins zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion benötigt. Die restlichen Neutronen werden zum Teil von Uran-238-Kernen eingefangen, welche sich in Plutonium-239 wandeln. Es wird also neuer Brennstoff „erbrütet“, im Idealfall mehr, als verbraucht wird.

Der Reaktorkern besteht aus Brennelementen, in denen die Energie erzeugt wird, und Brutelementen, in denen neuer Brennstoff erbrütet wird. Da bei der Wandlung von Uran-238 in Plutonium-239 schnelle Neutronen besser als langsame sind, wird für den Primärkreislauf an Stelle von neutronenbremsendem Wasser flüssiges Natrium verwendet, welches als schlechter Moderator hier besser geeignet ist. In einem Zwischenwärmetauscher gibt das Natrium aus dem Primär-Natriumkreislauf seine thermische Energie an einen Sekundär-Natriumkreislauf ab. Dieser wiederum gibt seine thermische Energie in dem Dampferzeuger an Wasser ab, welches siedet und als Dampf die Turbinen für den Generator antreibt.

Da die sonst wertlosen Uran-238-Kerne in großen Mengen vorkommen, wird der Brutreaktor wahrscheinlich trotz technischer Schwierigkeiten in den nächsten Jahrzehnten eine große Rolle bei der Energieerzeugung spielen, falls keine ungefährlichere, billigere und ähnlich effiziente Art der Energiegewinnung gefunden wird. Der Brennstoff des Brutreaktors hat einen Plutonium-239-Gehalt von ca. 20 – 30% und einen Uran-238-Gehalt von ca. 70 – 80 %, also ca. zehn mal soviel spaltbares Material wie die anderen Reaktortypen.

Ein großer Vorteil des Brutreaktors ist, dass das Uran-238 ca. 60mal so gut ausgenutzt wird wie in normalen Reaktortypen. Ein weitere Vorteil ist, dass das Kühlmittel aus dem Reaktorkern, wie auch beim Druckwasserreaktor, nicht in Berührung mit dem Wasser und somit der Turbine kommt, sondern isoliert bleibt.


3.2.5 Der Hochtemperaturreaktor ( Kugelhaufenreaktor )

Im Hochtemperaturreaktor wird neben Uran-238 auch Thorium-232 als Energierohstoff verwendet. Durch das Einfangen von Neutronen wandelt sich das Thorium-232 in spaltbares Uran-233. Der Brennstoff befindet sich in winzigen, beschichteten Partikeln, die in Graphitkugeln, von etwa der Größe eines Tennisballs, eingeschlossen sind. Das Graphit bremst die Neutronen ab, da es, wie o. g., ein guter Moderator ist. Die thermische Energie, die im Reaktorkern entsteht, wird an ein Gas ( z. B. Helium ) abgegeben. Dieses Gas erhitzt sich auf ca. 900°C und läßt in einem Dampferzeuger Wasser sieden. Der Dampf treibt die Turbinen für den Generator an.

Der Hochtemperaturreaktor hat viele Vorteile, z. B. hat er einen hohen Wirkungsgrad und die hohen Temperaturen können der Industrie z. B. zur Kohlevergasung dienen. Auch bei diesem Reaktor kommt das Kühlmittel nicht mit den Turbinen in Berührung.


3.3 Das Wasserkraftwerk

3.3.1 Der allgemeine Aufbau von Wasserkraftwerken


In einem Wasserkraftwerk wird die Turbine nicht mit Dampf, sonder direkt mit dem Wasser angetrieben. Je nach Fallhöhe und Größe der Wassermenge, gibt es verschiedene Turbinen, die eine Leistung von mehren hundert Megawatt bringen.

Die wichtigsten Turbinenarten sind die Francis-Turbine, die Kaplan-Turbine und die Pelton-Turbine. Andere Turbinen sind z. T. für spezielle landschaftliche Gegebenheiten umkonstruierte Francis-, Kaplan- oder Pelton-Turbinen.


3.3.2 Die Francis-Turbine

Die Francis-Turbine wurde 1849 von dem angloamerikanischen Ingenieur James B. Francis konstruiert. Bei ihr wird das Wasser durch ein feststehendes „ Leitrad “ mit verstellbaren Schaufeln auf die gegenläufig gekrümmten Schaufeln des Laufrades gelenkt.

Da die Francis-Turbine einen Wirkungsgrad von ca. 90% hat und die am universellsten verwendbare Turbinenart ist, ist sie die heute am weitesten verbreitete Turbine. Die größten Francis-Laufräder haben ein Gußgewicht von ca. 150 t und eine Leistung von über 700 MW.

Ein großer Vorteil der Francis-Turbine ist, dass sie auch als Pumpe arbeiten kann. In Pumpspeicherkraftwerken wird die Turbine häufig mit dem Generator zu einer Pumpturbine kombiniert, die sich zwischen ( stromverbrauchenden ) Pumpbetrieb und ( stromerzeugenden ) Generatorbetrieb umstellen läßt.


3.3.3 Die Kaplan-Turbine

Die zu Beginn der 20er Jahre entwickelte der österreichische Ingenieur Viktor Kaplan die nach ihm benannte Kaplan-Turbine. Die Kaplan-Turbine ist speziell für geringe Wasserdrücke geeignet. Ihr Leitwerk lenkt das Wasser so, dass es parallel zur Welle der Turbine auf drei bis sechs Schaufeln des Laufrades trifft. Da das Leitwerk und die Schaufeln des Laufrades verstellbar sind, kann die Kaplan-Turbine an Schwankungen der Wassermenge angepaßt werden.

Ein großer Vorteil der Kaplan-Turbine ist es, dass sie einen sehr hohen Wirkungsgrad von 80 bis 95 % hat. Ein Nachteil ist allerdings, dass selbst die größten Exemplare nur ein Leistung von knapp über 100 MW haben.


3.3.4 Die Pelton-Turbine

Bei der 1880 von dem amerikanischen Ingenieur Lester Pelton konstruierten Freistrahl- oder Pelton-Turbine wird fast nur die potentielle Energie des Wassers genutzt. Sie gliedert sich in bis zu 40 Schaufelblätter, die jeweils aus zwei Halbschalen ( Becher ) bestehen. Das Wasser wird durch eine oder mehrere Düsen geleitet, so dass es unter hohen Druck tangential die Mitte der Halbschalen trifft. Da das Wasser hier um fast 180° abgelenkt wird, gibt es fast seine komplette Energie an die Turbine ab. Dieser Wasserstrahl hat bei einer Fallhöhe von 1000 m eine Geschwindigkeit von ca. 500 km/h. Da die kinetische Energie des Wasserstrahls von der Fallhöhe abhängt, kommt die Pelton-Turbine fast nur in Hochgebirgen vor.

Ein großer Vorteil der Pelton-Turbine ist, das auch kleine Gebirgsbäche genutzt werden können. Sie hat eine Leistung von bis zu 600 MW.


3.3.5 Das Pumpspeicherkraftwerk

Wie bereits unter 3.3.2 erwähnt, wird die Francis-Turbine auch in Pumpspeicherkraftwerken verwendet. Ein solches Kraftwerk besteht aus einem Ober- und einem Unterbecken, welche durch eine Rohrleitung verbunden sind. Das Wasser fließt aus dem höher gelegenen Oberbecken in das Unterbecken und treibt die Pumpturbine an. In Spitzenverbrauchszeiten kann somit dem Netz zusätzlich Strom zugeführt werden. Während der Nachtstunden, wenn dem Netz wenig Energie entnommen wird, nutzt man diese, um das Wasser wieder in das Oberbecken zurück zu pumpen.

Der Vorteil von Pumpspeicherkraftwerken ist, dass Wechselstrom in Form von Wasser „gespeichert“ werden kann, und in Spitzenzeiten die normalen Kraftwerke entlastet werden können. Es hat einen Wirkungsgrad von ca. 75%.


3.3.6 Verbreitung von Wasserkraftwerken

Die Nutzung der Wasserkraft ist stark von der Topographie eines Landes abhängig. Norwegen erzeugt beispielsweise 99% seines Stroms aus Wasserkraft, Deutschland nur 4% und die Niederlande sogar nur 0,2%. Da Deutschland aber schon ca. 70% der Wasserkraft nutzt, ist nur noch eine geringe Steigerung möglich.

Das weltweit größte Wasserkraftwerk ist das Kraftwerk Itaipú am Paraná in Brasilien mit einer Leistung von ca. 12.600 MW.


3.4 Das Windkraftwerk

Das Windkraftwerk verfügt, im Gegensatz zu den meisten anderen Kraftwerken, über einen Rotor statt einer Turbine. Der Generator wird also direkt vom Wind angetrieben. Es gibt zwei Arten von Windkraftwerken: Anlagen mit horizontaler Achse und mit vertikaler Achse.

Bei Anlagen mit horizontaler Achse treibt der Wind den Rotor an, an dem die Rotorwelle befestigt ist. In der direkt hinter dem Rotor befindlichen Gondel befindet sich das Getriebe, wo die Bewegung der Rotorwelle auf die Generatorwelle abgegeben wird. Falls sich der Rotor zu schnell dreht, wird er vor dem Getriebe durch eine Bremse verlangsamt.

Der Rotor wird computergesteuert in den Wind gedreht, bei zu hoher Windgeschwindigkeit automatisch aus dem Wind gedreht.

Die gebräuchlichste Anlage mit vertikaler Achse ist der Darrieus-Rotor. Er sieht in etwa wie ein großer Schneebesen aus. Der Vorteil solcher Anlagen ist, dass sie unabhängig von der Windrichtung sind, allerdings kann der Darrieus-Rotor nicht selbst anlaufen, er wird deshalb mit leicht anlaufenden Savonius-Rotoren kombiniert.

Moderne Windanlagen nehmen meistens bei einer Windgeschwindigkeit von 19 km/h den Betrieb auf, erreichen ihre Nennleistung bei 40 bis 48 km/h und brechen den Betrieb bei 100 km/h ab.

Ein großer Vorteil von Windkraftwerken ist, dass sie kaum Schadstoffe freisetzen. Große Nachteile sind allerdings der entstehende Lärm und die nervliche Belastung für die Bewohner nahegelegener Häuser durch das häufige Wechseln von Licht und Schatten beim Drehen der großen Rotorblätter vor der Sonne.


4 Stromerzeugung ohne Generator – Die Solarzelle


Die Solarzelle ist ein Minikraftwerk, in dem nicht wie im herkömmlichen Sinne Strom mit Hilfe eines Generators erzeugt wird. Die Energie des Sonnenlichtes wird in einer Solarzelle in Strom umgewandelt.

Dieser Vorgang der Stromerzeugung heißt Photovoltaik. Eine Solarzelle besteht aus einer positiv und einer negativ dotierten Siliziumschicht. Silizium ist ein Halbleiterelement, das heißt, dass es mit zunehmender Temperatur seine Isolator-Eigenschaften verliert und sich zu einem Stromleiter wandelt. Wird das 4-wertige Silizium nun mit einer sehr geringen Menge 5-wertigen Phosphors bzw. 3-wertigen Bors „verunreinigt“, entsteht ein Elektronenüberschuß ( negativ geladen ) bzw. ein Elektronenmangel ( positiv geladen ). Dies führt dazu, dass es seinen elektrischen Widerstand unter Wärme- oder Lichteinwirkung verringert und ein besserer Stromleiter wird. In der Solarzelle wirkt die Kontaktfläche zwischen dem positiv und dem negativ geladenen Silizium als Sperrschicht, dass heißt, sie können sich nicht ausgleichen. In wie weit Elektronen diese Sperrschicht allerdings doch überwinden können hängt von der Stärke und der Richtung des Stroms ab. Die Elektronen können die Sperrschicht auch leichter von der negativ zur positiv geladenen Seite überwinden als andersherum.

Dieser physikalische Nebeneffekt wird bei Dioden und Transistoren ausgenutzt.

Wirkt Licht auf die Solarzelle ein, können sich die entstehenden positiven und negativen Ladungen nicht ausgleichen und werden durch Kontakte abgegriffen und als Strom genutzt.

Eine Solarzelle kann theoretisch einen Wirkungsgrad von 43% haben, in der Praxis beträgt er allerdings nur 13 bis 15%, unter günstigen Bedingungen auch 18%.

Ein großer Vorteil der Photovoltaik ist, dass keinerlei Schadstoffe freigesetzt werden.

Nachteile sind allerdings die hohen Herstellungskosten und die Jahreszeiten-abhängigkeit. Nachteilig ist auch, dass die Leistung höchstens 1kW/m² beträgt.








Quelle: - Dr. Erich Übelacker: Was ist Was Band 3: Atomenergie, Nürnberg / Hamburg Tessloff Verlag, 1988 - Karl - Heinz Ahlheim ( Leiter ): Schülerduden: Die Physik, Mannheim / Wien / Zürich Dudenverlag, 1989, 2. Auflage - Udo Leuscher: Stombasiswissen Nr. 107: Strom aus Wasserkraft, Frankfurt / M., Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft e. V., 1995 - Udo Leuscher: Stombasiswissen Nr. 110: Strom aus Sonnenlicht ( Photovoltaik ), Frankfurt / M., Informationszentrale der Elektrizitätswirtschaft e. V., 1994 - Gasch, Robert ( Herausgeber ): Windkraftanlagen, Stuttgart, B. G. Teubner Verlag, 1991, 1. Auflage - Microsoft® Encarta® 97 Enzyklopädie ( CD-ROM ) © 1993 – 1996 Microsoft Corporation - Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher, Dieter Jagla, Joachim Larisch, Wolfgang Müller, Volkmar Pauly, Karl-Heinz Schiffl: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik, Braunschweig, Westermann Schulbuchverlag, 1995 1. Auflage - Informatonsbroschüre „Heizkraftwerk Jena-Süd“ von der TEAG Thüringer; Energie AG




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