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Eine für unsere Zeitbegriffe unerschöpfliche Energiequelle ist die Sonne. Obwohl Sonnenenergie als eine neue oder unkonventionelle Energiequelle betrachtet wird, wird sie (historisch gesehen) für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Viele Jahrhunderte lang wurden Salzlösungen durch Verdunstung eingetrocknet, um Salz zu gewinnen; ebenso wurden landwirtschaftliche Produkte in der Sonne getrocknet. Die Brauchwassererwärmung, also Warmwassererwärmung, mit Sonnenenergie ist eine übliche Methode, um in Teilen von Australien, Israel und Japan Warmwasser für den Haushalt zu bereiten. Auf der Herstellung, dem Verkauf und der Installation von Ausrüstungsteilen zur Warmwasserbereitung mit Sonnenenergie beruht in diesen Ländern eine kleine aber lebensfähige Industrie.
Die Menschen in den hochindustrialisierten Staaten begannen in den letzten Jahren, ihre Einstellung zur Umwelt, zu den Rohstoffen und zu den Energiereserven zu ändern. Aus dieser Haltung heraus, angespannt durch die steigenden Energiekosten, bemühen sich verantwortungsbewußte Techniker, mit Energie sparsamer umzugehen und die vorhandenen Energiequellen effektiver nutzbar zu machen. Ganz besonders bemüht man sich in Europa seit wenigen Jahren, wieder Sonnenenergie zu gewinnen und zu verwerten. Die praktische Nutzung von Sonnenenergie mit technischen Methoden hat ja bereits eine über 100jährige Geschichte. Aber Ingenieure, die die zeitgemäße Technik beherrschen, sehen sich jetzt mit der Technologie der Solarenergienutzung, der \"HELIOTECHNIK\", häufiger konfrontiert. Die Gewinnung von Wärme ist die derzeit wichtigste Form der Sonnenenergienutzung; das ist nicht zuletzt damit zu begründen, daß solarthermische Anlagen am ehesten wirtschaftliche betrieben werden können.
Die Sonnenenergie ist ein \"politisch sicherer\" Energieträger, da Kontrollen oder Eingriffe von außen (z.B. des Auslandes) in das Sonnenenergieangebot in der BRD nicht möglich sind. Versorgungskrisen durch einen möglichen Ausfall von Sonnenenergie scheiden aus. Es entstehen damit auch keine betriebs- oder volkswirtschaftlichen Kosten zur politischen Sicherung des Anteils der Sonnenenergie an der Versorgung mit Primärenergieträgern.
Die Nutzung der Sonnenenergie verringert den Verbrauch fossiler Energierohstoffe. Der weltweite Vorrat an fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdgas, Erdöl) ist begrenzt, obschon dies zur Zeit noch nicht als drängendes Problem empfunden wird. Die jetzt verwendeten konventionellen Energieträger wie Erdöl, Erdgas und Kohle sind ursprünglich aus Sonnenenergie entstanden. Die Nutzung der Sonnenenergie ist nicht nur zum Schutz unserer heimischen Wälder, sondern auch zur Abwendung der Gefahr einer weltweiten Veränderung unseres Klimas dringend notwendig.
Die Energie der Sonne ist die notwendige Voraussetzung für das Wachstum der Bäume und den Kreislauf des Lebens im Ökosystem des Waldes. Richtig genutzt, mit den vielfältigen, technischen Möglichkeiten die uns heute schon zur Verfügung stehen, kann die Sonnenenergie auch dazu beitragen, die Verschmutzung unserer Luft zu vermeiden. Durch ihre Nutzung werden keine Stoffe an die Umwelt abgegeben (Emissionen), die den Wald und unsere Gesundheit schädigen und weltweit eine Gefahr für unser Klima bedeuten. Es gibt also auch kein Entsorgungsproblem wie z.B. bei der Urannutzung. Es sind also für den Primärenergienutzträger Sonnenenergie keine zusätzlichen Aufwendungen für den Umweltschutz in bezug auf Ver- und Entsorgung erforderlich. Daher bedarf ihr Einsatz als Energiequelle und die Erprobung neuer technischer Möglichkeiten verstärkter Förderung.
Unsere Wälder sind krank, und noch ist kein Ende bzw. eine Trendwende abzusehen. Die Ursachen sind vielfältig und wahrscheinlich recht kompliziert vernetzt. Nach mehr als 10 Jahren intensiver Forschung scheint jedoch ein Streßfaktor unter vielen bestimmend zu sein: die Übersäuerung der Böden, hervorgerufen durch den \"sauren Regen\". Unstrittig ist die verheerende Wirkung des \"sauren Regens\" auf den Zustand vieler Seen und ihrer Biotope, und eindeutig ist auch, daß er aus Schwefeldioxid und Stickoxiden entsteht. Deren Hauptquellen sind konventionelle Öl- und Kohlekraftwerke, aber auch Heizanlagen in Industrie und im privaten Bereich, sowie die Millionen Automobile. Die Folgen dieser vom Menschen selbst geschaffenen Belastung können nicht oft und nicht drastisch genug genannt und beschrieben werden: mit dem Waldsterben - verursacht durch die Luftverschmutzung - verändern wir Klima und Lebensbedingungen von Tier und Mensch. Wir müssen also schnellstmöglich handeln und die schon weit fortgeschrittene Schädigungen unter Kontrolle bringen.
Kalkgaben in Form von Versprühen wiederum mögen kurzfristig dem Wald helfen, indem sie den \"sauren Regen\" neutralisieren und die weitere Versauerung der Waldböden bremsen; sie sind aber kein Mittel zur Beseitigung der Schadenursachen.
Dies kann aber nur durch eine geänderte Energiepolitik geschehen, durch ein grundlegendes Umdenken und dadurch, daß altgewohnte Strukturen verlassen und neue entwickelt werden. Gemeint ist die vermehrte Nutzung der natürlichen Energiequelle Sonne, in ihrer direkten Form als Strahlungsenergie und ihrer Sekundärformen Wind, Wasserkraft und Biomasse. Hierbei kann die Nutzung gleichwohl im industriellen wie im privaten Bereich erfolgen, im ersten wirkungsvoll allerdings nur, wenn wir bereit sind, die industrielle Fertigung einer geänderten Energiebereitstellung, nämlich mehr als nur marginal aus regenerativen Quellen, anzupassen. Die ist durchaus keine utopische Vorstellung.
Woran Wissenschaftler heute angesichts der immer knapper werdenden Energievorräten fieberhaft arbeiten, hat die Natur schon vor Millionen von Jahren entwickelt: die Nutzung und Speicherung der Sonnenenergie. Die Sonne versorgt die Erde jährlich mit einer Energiemenge in Form von Strahlung m, die das in allen heute bekannten und vermuteten Vorräten an Öl, Kohle und Gas gespeicherte Enrgiepotential um das Zehnfache übersteigt (siehe Tabelle).
Die Sonne
Die Sonne besitzt eine Struktur und Eigenschaften; sie bestimmen die Art der Energie, die die Sonne in den Raum abstrahlt. Die Sonne ist eine Kugel von äußerst heißer gasförmiger Materie mit einem
Durchmesser von 1,39 x 10hoch6 km (1390000 km), und ist im Durchschnitt 1,5 x 10hoch8 km (150000000 km) von der Erde entfernt. Von der Erde sieht man, daß sich die Sonne ungefähr einmal alle vier Wochen um ihre Achse dreht. Jedoch rotiert sie nicht wie ein fester Körper; der Äquator benötigt ungefähr 27 Tage und die Polarregionen ungefähr 30 Tage für jede Umdrehung. Die Oberfläche weist eine wirksame Temperatur von 5762 K (Kelvin) auf. Die Temperatur im Bereich der Kernregion wird unterschiedlich auf 8 x 10hoch6 (8000000) K bis 40 x 10hoch6 (40000000) K geschätzt und die Dichte auf ungefähr das 80- bis 100-fache von der des Wassers. Die Sonne ist in der Tat ein kontinuierlich arbeitender Fusionsreaktor, dessen \"Kesselwanderung\" aus Gasen bestehen, die durch Gravitationskräfte zusammengehalten werden. Man vermutet, daß mehrere Fusionsreaktionen die Strahlungsenergie der Sonne liefern, die wichtigste davon ist ein Prozeß, in welchem Wasserstoff (d.h. 4 Protonen) verschmilzt, um Helium (d.h. einen Heliumkern) zu bilden; die Masse des Heliumkerns ist geringer als die der vier Protonen. In der Reaktion wird also Masse verloren und in Energie umgewandelt. Bei der Kernfusion auf und in der Sonne werden in jeder Sekunde ca. 650 Millionen Tonnen Wasserstoff in ca. 646 Millionen Tonnen Helium umgewandelt. Die Differenz wird als Strahlungsenergie in den Weltraum gesandt(Materie wird in Energie gewandelt). Die Erde empfängt entsprechend der Entfernung nur den 2000 milliardsten Teil auf. Die Sonne verliert durch dieses \"Atomfeuer\" in 1,5 Milliarden Jahren nur etwa 1 Prozent ihrer gegenwärtigen Masse. Astrophysiker schätzen das Alter der Sonne auf etwa 10 Milliarden Jahre, in dieser Zeit hat sie etwa 6 Prozent ihrer anfänglichen Masse verloren. Die Sonne strahlt der sich drehenden Erdkugel ständig 175 Milliarden Megawatt (MW) zu. In jeder Stunde empfängt die Erdkugel und die sie umgebenen Atmosphäre also 175 Milliarden Megawattstunden oder 175000 Milliarden Kilowattstunden. Diese Energie wird im Inneren der Sonnenkugel bei Temperaturen von vielen Millionen Grad erzeugt. Sie muß hinaus an die Oberfläche transportiert und dann in den Weltraum abgestrahlt werden. Es muß daher eine Folge von Strahlungs- und Konvektionsvorgängen, also Luftmassentransportsvorgänge, auftreten, wobei Emission, Absorption und Wiederabstrahlung sich abwechseln. Die Wellenlänge der Strahlung aus dem Sonnenkern befindet sich im Spektralbereich der Röntgen- und Gammastrahlen. Die Wellenlänge der emittierten Strahlung nimmt in dem Maße zu, wie die Temperatur mit größer werdenden Radialentfernungen abfällt. Man vermutet, daß 90 % der Energie im Bereich zwischen 0 und 0,23 R (R = Radius der Sonne) erzeugt wird; darin sind 40 % der Sonnenmasse enthalten. Auf einer Entfernung von 0,7 R vom Sonnenzentrum hat die Temperatur auf ungefähr 130000 Celvin abgenommen und die Dichte auf 0,07 g/cm³. Hier beginnen die Konvektionsvorgänge bedeutend zu werden. Die Zone von 0,7 bis 1,0 R wird Konvektionszone genannt. Innerhalb dieser Zone fällt die Temperatur auf ungefähr 5000 K und die Dichte auf ungefähr 10 hochminusacht g/cm³ ab.
Die Sonne strahlt Energie in Form von Strahlung in den Raum, welche auf verschiedene Weise auf dem Erdboden auftreffen.
Direkte Strahlung (direkte Sonnenstrahlung) S, das ist die Strahlung, die, von der Sonne kommend, ohne Richtungsänderung empfangen wird.
Diffuse Strahlung (Himmelsstrahlung) H, das ist die Strahlung, die von der Sonne kommend empfangen wird, nachdem die Richtung durch Reflexion und Streuung in der Atmosphäre verändert worden ist.
Weitere grundlegende Arten von Strahlung, die beim thermischen Ablauf solartechnischer Prozesse von Bedeutung sind. Kurzwellige Strahlung wird durch gerade Pfeile versinnbildlicht, langwellige durch gewellte Pfeile:
Strahlungsflüsse sind wichtig in Verbindung mit dem thermischen Verhalten solartechnischer Anlagen. Für diese Zwecke betrachtet man die Strahlung in zwei Wellenlängenbereichen:
1. Sonnen- oder kurzwellige Strahlung
Das ist Strahlung, die von der Sonne stammt; sie liegt im Wellenlängenbereich von 0,3 bis 3,0 m, und ihre Strahlungsquelle weist eine Temperatur von ungefähr 6000 K auf.
2. Langwellige Strahlung
Das ist Strahlung, die von Strahlungsquellen stammt, deren Temperatur nahe der gewöhnlichen Umgebungstemperatur liegt und die daher im wesentlichen Wellenlänge mit > 3 m aufweist.
Die Entdeckungsgeschichte der Solarzelle
Grundsteine der >>elektrischen Lichtzellentechnik>Hertz-Effekt>revolutionär>Strahlung ist von doppelter Natur: entweder Wellenerscheinung oder EnergiequantenerscheinungRegen>Elektronen anziehende>Elektronen abstoßende>äußeren lichtelektrischen Effekts>inneren lichtelektrischen Effekts>abgelösten |
