Wie funktionieren Sonnenkollektoren?
Ob auf einem solarbetriebenen Taschenrechner oder einer internationalen Raumstation, Sonnenkollektoren erzeugen Strom nach den gleichen Prinzipien der Elektronik wie chemische Batterien oder Standardsteckdosen. Bei Sonnenkollektoren dreht sich alles um den freien Elektronenfluss durch einen Stromkreis.
Um zu verstehen, wie Sonnenkollektoren elektrischen Strom erzeugen, kann es hilfreich sein, kurz zum Chemieunterricht zurückzukehren. Das Grundelement von Sonnenkollektoren ist dasselbe Element, das zur Revolution des Computers beigetragen hat - reines Silizium. Wenn Silizium von allen Verunreinigungen befreit wird, ist es eine ideale neutrale Plattform für die Übertragung von Elektronen. Silizium hat auch einige atomare Eigenschaften, die es für die Herstellung von Sonnenkollektoren noch attraktiver machen.
Siliziumatome haben in ihren äußeren Bändern Platz für acht Elektronen, tragen aber nur vier in ihrem natürlichen Zustand. Das heißt, es ist Platz für vier weitere Elektronen. Wenn ein Siliziumatom ein anderes Siliziumatom berührt, empfängt jedes die vier Elektronen des anderen Atoms. Dies schafft eine starke Bindung, aber es gibt keine positive oder negative Ladung, da die acht Elektronen die Bedürfnisse der Atome befriedigen. Siliziumatome können sich jahrelang zu einem großen Stück reinen Siliziums verbinden. Dieses Material wird zur Herstellung der Platten von Sonnenkollektoren verwendet.
Hier kommt die Wissenschaft ins Spiel. Zwei Platten aus reinem Silizium erzeugen in Sonnenkollektoren keinen Strom, da sie keine positive oder negative Ladung haben. Sonnenkollektoren entstehen durch die Kombination von Silizium mit anderen Elementen, die positive oder negative Ladungen aufweisen.
Phosphor hat beispielsweise anderen Atomen fünf Elektronen zu bieten. Wenn Silizium und Phosphor chemisch kombiniert werden, ergeben sich stabile acht Elektronen mit einem zusätzlichen freien Elektron für die Fahrt. Es kann nicht austreten, weil es an die anderen Phosphoratome gebunden ist, aber es wird vom Silizium nicht benötigt. Daher wird angenommen, dass diese neue Silizium / Phosphor-Platte negativ geladen ist.
Damit Strom fließt, muss auch eine positive Ladung erzeugt werden. Dies wird bei Sonnenkollektoren erreicht, indem Silizium mit einem Element wie Bor kombiniert wird, das nur drei Elektronen enthält. Eine Silizium / Bor-Platte hat noch einen Fleck für ein anderes Elektron übrig. Dies bedeutet, dass die Platte eine positive Ladung hat. Die beiden Platten sind in Sonnenkollektoren eingebettet, zwischen denen leitende Drähte verlaufen.
Mit den beiden Platten ist es nun an der Zeit, den Solaraspekt von Solarmodulen in den Vordergrund zu rücken. Das natürliche Sonnenlicht sendet viele verschiedene Energieteilchen aus, aber dasjenige, an dem wir am meisten interessiert sind, wird Photon genannt. Ein Photon wirkt im Wesentlichen wie ein sich bewegender Hammer. Wenn die negativen Platten von Solarzellen in einem geeigneten Winkel zur Sonne ausgerichtet sind, bombardieren Photonen die Silicium / Phosphor-Atome.
Schließlich wird das 9. Elektron, das ohnehin frei sein will, vom Außenring gestoßen. Dieses Elektron bleibt nicht lange frei, da es von der positiven Silizium / Bor-Platte auf einem eigenen äußeren Band in den offenen Fleck gezogen wird. Wenn die Photonen der Sonne mehr Elektronen abbauen, wird Elektrizität erzeugt. Die Elektrizität, die von einer Solarzelle erzeugt wird, ist nicht sehr beeindruckend. Wenn jedoch alle leitenden Drähte die freien Elektronen von den Platten abziehen, ist genügend Elektrizität vorhanden, um Motoren mit niedriger Stromstärke oder andere elektronische Geräte anzutreiben. Was auch immer Elektronen nicht verbraucht werden oder an die Luft verloren gehen, werden zur negativen Platte zurückgeführt und der gesamte Prozess beginnt von vorne.
Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Sonnenkollektoren ist die geringe Menge an Strom, die sie im Vergleich zu ihrer Größe erzeugen. Ein Taschenrechner benötigt möglicherweise nur eine einzige Solarzelle, ein solarbetriebenes Auto hingegen mehrere Tausend. Wenn der Winkel der Solarmodule nur geringfügig geändert wird, kann der Wirkungsgrad um 50 Prozent sinken.
Ein Teil des Stroms aus Sonnenkollektoren kann in chemischen Batterien gespeichert werden, es gibt jedoch in der Regel nicht viel überschüssigen Strom. Dasselbe Sonnenlicht, das Photonen liefert, liefert auch zerstörerischere ultraviolette und infrarote Wellen, die schließlich dazu führen, dass sich die Panels physikalisch verschlechtern. Die Paneele müssen auch zerstörenden Witterungseinflüssen ausgesetzt sein, die ebenfalls die Effizienz ernsthaft beeinträchtigen können.
Viele Quellen bezeichnen Sonnenkollektoren auch als Photovoltaikzellen, was auf die Bedeutung von Licht (Fotos) bei der Erzeugung elektrischer Spannung hinweist. Die Herausforderung für zukünftige Wissenschaftler wird darin bestehen, effizientere Solarmodule zu entwickeln, die für praktische Anwendungen klein genug und leistungsstark genug sind, um in Zeiten, in denen Sonnenlicht nicht zur Verfügung steht, überschüssige Energie zu erzeugen.