Strom aus Licht - Institut für naturwissenschaftliche Grundlagen

Kapitel 4: Solarzellen 44
Lösung 4.4:
Die Solaranlage gibt eine Wärme von Q = c . m . ∆T an das Warmwassersystem ab.
Q = c . m . ∆T = 4.2 kJ/kg . °C . (20 . 365 . 200) kg . (60 - 10) °C = 3.1 . 10 11 J = 8.5 . 10 4 kWh.
Elektrisch muss gleichviel geliefert werden. Das kostet rund 17'000 Franken. So gerechnet,
lohnen sich Solaranlagen schon jetzt. Allerdings müssten Reparaturen und die Verzinsung des
Kapitals auch berücksichtigt werden. Umgekehrt dürfen die Besitzerinnen und Besitzer von
Solaranlagen davon ausgehen, dass die Strompreise nur noch steigen.
Lösung 4.5:
Zwischen der Energie E, der Leistung P und der Zeit ∆t gilt: E = P . ∆t.
Für die Beleuchtung: 100 W . 6 . 3600 sec = 2.2 MJ.
Für den Kühlschrank: 220 W . 4 . 3600 sec = 2.9 MJ.
Für die Melkmaschine: 500 W . 4 . 3600 sec = 7.2 MJ.
Pro Tag insgesamt 12.3 MJ, also sind pro 3 Tage insgesamt 37 MJ zu speichern.
Die elektrische Energie einer Batterie: E = Q . U = 12 V . 100 Ah . 3600 (sec/h) = 4.3 MJ.
Davon sind 70 % nutzbar, also 4.3 MJ . 0.7 = 3 MJ effektiver Energievorrat einer Batterie.
Es sind 37 MJ : 3 MJ = 12 Batterien nötig. Diese kosten etwa 5'000.- SFR.
Lösung 4.6:
Der durchschnittliche Tagesbedarf beträgt 12.3 MJ, wie in Aufgabe 4.5 ausgerechnet worden ist.
Pro Tag muss 12.3 MJ : 0.12 = 103 MJ an Lichtenergie zur Verfügung stehen.
Diese Energie fällt in 8 Stunden ein. Die Lichtleistung beträgt: 103 MJ : (8 . 3600sec) = 3.6 kW.
Die Auffangfläche, die diese Leistung erhält, ist: 3.6 kW : 0.4 (kW/m 2 ) = 9 m 2 .
Damit sind etwa 23 Solargeneratoren à 0.4 m 2 nötig. Diese kosten um die 18'000.- SFR.
Mit dem Laderegler, der Verdrahtung und der Montage kostet diese Anlage gegen 30'000.- SFR.
Lösung 4.7:
a) Wenn Löcher aus dem p-Halbleiter mit Elektronen aus dem n-Halbleiter wegen der Diffusion
zusammenkommen und in der Verarmungszone rekombinieren, bleiben die Überschussladungen
der Dotierungsatome zurück. Der p-Teil wird negativ, der n-Teil positiv aufgeladen.
b) Die Elektron-Loch-Paare, welche die einfallenden Photonen erzeugen, werden im Feld
getrennt. Löcher wandern in den p-Halbleiter, der sich dadurch positiv auflädt. Elektronen
wandern in den n-Halbleiter, der so zum Minus-Pol wird.
c) (1) Reflexion. (2) Auch in einer Solarzelle gibt "Dreck": Die durch ihn gelieferten, beweglichen
Ladungen mit dem "falschen" Vorzeichen verursachen einen Leckstrom. (3) Wenn ein
energiereiches Photon auftrifft, entsteht Wärme aus dem Teil, der nicht für die Erzeugung des
Elektron-Loch-Paares benötigt worden ist.
ETH-Leitprogramm Physik
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