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| Begriff | Definition |
| Saussure | Vielseitiger Schweizer Naturforscher, der 1767 eine „Hitzkiste“, den ersten Sonnenkollektoren mit Glasabdeckung, baute und damit 160°C erreichte. Horace Benedict de Saussure, 1740 bis 1799, lebte in Genf, ab 1762 Professor für Naturwissenschaften an der Akademie der Wissenschaften. Das Hauptgewicht seiner vielfältigen Interessen legte er auf die Erforschung der Alpen. So regte er die Erstbesteigung des Mont Blanc 1786 (Balmat und Paccard) durch einen Geldpreis an. 1787 bestieg er selbst den Gipfel und bestimmte ihn mit 4.807 m als den höchsten Europas. In seinem Hauptwerk „Voyages dans les Alpes“ (Reisen in den Alpen) führte er den Begriff „Geologie“ für die Wissenschaft von Entstehung und Bau der Erde ein. 1767 begann Saussure, die Wirksamkeit von Glas zum Einfangen der Sonnenenergie zu untersuchen. Zunächst stellte er fünf Glaskästchen ohne Boden ineinander und auf eine schwarze Tischplatte. Bei Sonnenstrahlung beobachtete er, dass die Temperatur nach den inneren Kästchen zu anstieg und im innersten 87,5°C erreichte. In einem 30 cm langen und 23 cm breiten Holzkistchen mit drei Glasscheiben und einer Wandisolierung aus geschwärztem Kork maß er als höchste Temperatur 109°C, und nach Überstülpen einer Blechbüchse mit Glasfenster sogar 160°C. Er nannte das Gerät „Hitzkiste“ und hatte damit den Urahn der Sonnenkollektoren geschaffen. Sowie er sich bewusst wurde, dass ein weiterer Wärmegewinn mit zusätzlichen Scheiben infolge Absorption und Reflexion an diesen zusätzlichen Scheiben vereitelt würde, stellte er die Versuche ein. Mouchot griff bei Bau seiner Solarmotoren ab 1860 auf Saussures Erkenntnisse zurück. |
| Solararchitektur | Gestaltung von Gebäuden derart, dass sie möglichst viel Sonnenenergie zur Heizung und Kühlung der Innern verwertet. Grundsätze schon im Altertum angewendet, dann in Europa vernachlässigt, im 20. Jahrhundert wieder entdeckt und seit der Ölkrise wissenschaftlich vertieft. Bereits im 5. Jahrhundert v. Chr., wandten die Griechen beim Bau der Stadt Olynthus die Grundsätze der Solararchitektur an: • Das Haus wird nach Süden ausgerichtet, um durch Fenster und Türen im Winter möglichst viel Sonnenstrahlung einzufangen. • Mauern und Steinfußboden bilden Wärmespeicher für die Nacht. • Die geschlossene nordseitige Wand hält die Winterwinde ab. • Maßnahmen, die im Winter Energiegewinn bringen (wie Fenster und Türen an der Südseite), führen im Sommer zu Überhitzung. Daher muss dann eine kühlende Abschattung vorhanden sein – bei den Griechen ein Säulenvordach, das Portikum. Solararchitektur erweitert das Allgemeinziel der Architektur (Baukunst vom Griechischen archi-, Ober-, und tekton, Zimmermann), Wetterschutz, Zweckdienlichkeit und Gefälligkeit miteinander zu verbinden, für zwei Aufgaben: Zur Heizung soll das Gebäude möglichst viel Sonnenenergie einfangen und speichern, zur Kühlung soll es die Sonnenstrahlen abhalten. Durch Vermittlung Vitruvs übernahmen die Römer im 1. Jahrhundert v. Chr. die Solararchitektur der Griechen und erweiterten sie um Fensterglas und Wintergarten (überwiegend in den Villen der Reichen und in den öffentlichen Bädern). Mit dem Ende des Römerreichs fiel die bewusste Anwendung der Solararchitektur in Europa weitgehend der Vergessenheit anheim, doch blieb sie in Ansätzen im klimagerechten Bauen der Volksarchitektur auf dem Lande, nicht aber im Städtebau erhalten. Erst das Wohnelend der Industriearbeiter veranlasste Mitte des 19. Jahrhunderts sozial gesinnte Unternehmer, sonnige Arbeitssiedlungen zur errichten, z.B. „Port Sunlight“ bei Liverpool, Großbritannien. Die Besonnung sollte vor allem die Hygiene verbessern, wurde aber auch zur Heizung erwogen. Dies trug erste Früchte im „Zeilenbau“, mit dem man nach dem 1. Weltkrieg in Deutschland die Wohnungsnot linderte: lang gestreckte, mehrstöckige Häuser, zwei Räume tief mit Schlafräumen nach Osten und Wohnräumen nach Westen (z.B. Siemensstadt in Berlin) – mit der Nord-Süd-Ausrichtung wurde zwar Baugrund gespart, aber die Wintersonne kaum genutzt. In den 30er-Jahren ging man, unter dem Einfluss des Architekten Hugo Haring (1882 bis 1958), zu kleineren Häusern mit Südausrichtung, großen Fenstern nach Süden und kleinen nach Norden über. Dieser Entwicklung folgten auch andere europäische Länder, darunter die Schweiz (z.B. Siedlung Neubühl bei Zürich). In den USA wurde sie in den 80er-Jahren aufgegriffen und zu Solarhäusern weitergeführt, Versuchsbauten, die in erster Linie der Erprobung neuer Ideen, Baustoffe und Bautechniken dienten. Nach dem 2. Weltkrieg ließen der wachsende Wohlstand und das billige Öl das Interesse an der Solararchitektur schwinden. Die Ölkrise weckte es schlagartig wieder. Seither hat Forschung an Solarhäusern die Solararchitektur auf wissenschaftliche Grundlage gestellt. Es sind zahlreiche wirtschaftliche Lösungen für aktive und passive Solarnutzung erarbeitet worden, die sich bereits im Bau energiesparender Gebäude aller Art niederschlagen. |
| Solare Kühlung | Kühlung von Innenräumen oder Lebensmitteln mit Hilfe von Sonnenenergie. Die wichtigsten alten und neuen Techniken beruhen auf der Verdunstung von Wässer oder Kältemittel mit Sonnenwärme. Aussichtsreich in sonnigen Ländern Neben dem Malquaf ist die älteste, seit Jahrtausenden geübte solare Kühltechnik der Leinen-Wassersack: Durch das Gewebe sickerndes Wasser verdunstet in Sonnenstrahlung und Umgebungswärme und entzieht dabei auch dem Wassersack Verdunstungswärme, so dass er sich abkühlt. In heißen Ländern werden anstelle von Leinensäcken bis heute poröse Tongefäße verwendet. Seit der Ölkrise sind vor allem in Industriestaaten, aber auch in vielen Entwicklungsländern neue Techniken für solare Kühlung erdacht und erprobt worden. Die aussichtsreichsten: • Massive Decken kühlen Wohnhäuser, weil das Mauerwerk nachts viel Energie durch Abstrahlung in den Weltraum verliert – eine passive Solarnutzung, insbesondere in den USA. • Wasserbecken auf dem Dach oder im Haus kühlen sich und das Haus infolge Verdunstung in der Sonnenstrahlung ab – ebenfalls passive Solarnutzung, vornehmlich in den USA. • Gute Wärmedämmung ist Vorraussetzung für solches klimagerechtes Bauen, um die Hitze draußen zu halten und damit die Kühlleistung zu verkleinern – sehr erfolgreich bei Erdhäusern. Im Peltier-Kühlschrank wird der Peltier-Effekt genutzt. Verlötet oder verschweißt man einen elektrischen Leiter an beiden Enden mit je einem Stück eines anderen Leiters und schickt einen elektrischen Gleichstrom hindurch, so bewirkt dieser eine Abkühlung der einen Verbindungsstelle gegenüber der anderen – besonders ausgeprägt bei Halbleitern. Solche aus Solargeneratoren gespeisten Kühlschränke haben keine beweglichen Teile, sind daher sehr zuverlässig – wegen ihres hohen Preises nur in den Tropen zum Frischhalten von Medikamenten verwendet. Die Absorptionskältemaschine (wie auch im Absorptionskühlschrank eingebaut) ist auf absehbare Zeit die bedeutendste solare Kühltechnik. Sie hat je einen Kreislauf für Heißwasser aus Kollektoren und für das Kältemittel. Letzteres, z.B. Ammoniak, verdampft in einem Verdampfer, wodurch der zu kühlende Raum abkühlt. Der Dampf wird dann von einem Lösungsmittel aufgenommen, die Lösung unter Druck in den „Austreiber“ gepumpt. Das ist ein Wärmetauscher, worin die Hitze des solaren Heißwassers (nötig sind 100 bis 150°C) das Kältemittel aus der Lösung verdunsten lässt. Der Dunst verflüssigt sich dann in einem Kondensator, die Flüssigkeit wird in einem Regelventil entspannt und gelangt endlich in den Verdampfer, wo der Kreislauf von neuem beginnt. Solche Maschinen werden bereits seit den 70er-Jahren im Mittleren Osten, in Mexiko und Indonesien für Eisenerzeugung und Tiefkühlung eingesetzt, in den USA auch für die Klimatisierung erprobt. Die deutsche Industrie hat ein kleines Kühlhaus von 12 m³ Rauminhalt für die Lebensmittelkühlung entwickelt, dessen 22 m² Kollektorfläche und 3 kW Kühlleistung das Innere auf 2 bis 5°C halten. Sonnenreiche Länder bieten gute Vorraussetzungen für solare Kühlung, weil Kühlbedarf und Sonneneinstrahlung groß sind und zudem zusammenfallen. In Mitteleuropa hingegen sind die Zukunftsaussichten gering, weil der Kühlbedarf von Wohnhäusern klein und Einstrahlung wie Sonnenscheindauer begrenzt sind, so dass die teuren Anlagen kaum wirtschaftlich sein könnten. |
| Solarzellen | Dünne Scheiben oder Filme aus besonderen Halbleitern, geben im Sonnenlicht elektrischen Strom ab, einfach, zuverlässig und umweltverträglich. Nachdem das Solarzellen-Prinzip 1954 entdeckt worden war, rüsteten bereits 1958 UdSSR und USA je einen Weltraum-Satelliten mit Solarzellen zur Stromerzeugung aus. Schon vor und besonders nach der Ölkrise wurde in den Industriestaaten die Solarzellen-Entwicklung gefördert, weil die Solarzellen-Zukunft allgemein als viel versprechend eingestuft wird. Dank großen Fortschritten hinsichtlich Nutzungsdauer (bis zu 20 Jahren), Verbilligung (um Größenordnungen) und Wirkungsgrad (in Serie bis zu 15%) sind inzwischen viele Solarzellen-Anlagen auch auf der Erde möglich. Nach der Kristallform unterscheidet man drei Grundarten, wobei Silizium als Halbleitermaterial vorherrscht. • Ein- oder monokristalline (vom Griechischen monos, einzeln): Aus er Schmelze wird ein p-leitender Silizium-Einkristall (bestehend aus einem einzigen Kristall) gezogen und in etwa 0,4 mm dicke Scheiben gesägt (wobei über die Hälfte des hochreinen, teuren Materials verloren geht). Die der Sonnenstrahlung zugewandte Vorderseite dotiert man durch Eindiffundieren z.B. von Phosphor bei 850°C drei bis vier Tausendstelmillimeter tief n-leitend, wodurch der für das Prinzip entscheidende p-n-Übergang entsteht. Beidseits werden Metallkontakte für die Stromabnahme aufgedampft, auf der Vorderseite als Gitter (Form je nach Hersteller), das nicht mehr als 10% der Fläche abdeckt, um möglichst viel Sonneneinstrahlung durchzulassen. Die größten Kristallen bzw. Scheiben haben etwa 10 cm Durchmesser. • Viel- oder polykristalline (vom Griechischen poly, viel): Aus Silizium wird ein aus vielen Kleinkristallen bestehender Block gegossen, zersägt und weiterbehandelt wie der Einkristall. Da an den Korngrenzen Rekombinationen der vom Licht abgelösten Ladungsträger-Paare stattfindet, ist der Wirkungsgrad mit 10-12% niedriger als bei einkristallinen Zellen mit 15%. Größen bis zu 10 cm x 10 cm. Guss und Zellen sind eine Spezialität der deutschen Industrie. • Amorphe oder Dünnschichtzellen: Auf Glas, Film oder Metallband nach unterschiedlichen Verfahren (z.B. Aufdampfen, Abschneiden) aufgebrachter, etwa ein Tausendstelmillimeter dünner p-i-n-Sandwich (p-Leiter, undotierter „intrinsic“ Halbleiter und n-Leiter), der sich nicht als Ein- oder Vielkristall ausbildet, sondern gestaltlos oder amorph bleibt (vom Griechischen morphe, Gestalt, und a oder an, nicht). Der i-Leiter ist nötig, weil in amorphen p- und n- Leitern allein zu viel Rekombination stattfänden – dennoch besteht die Hauptschwierigkeit in der Erzielung eines höheren Wirkungsgrades (derzeit bei Serienzellen erheblich unter 10%). Solche Zellen können grundsätzlich beliebig groß gemacht werden. Ein- und Vielkristall-Zellen sind sehr arbeitsaufwendig in der Herstellung. Dabei, und bei der Gewinnung des hochreinen Ausgangsmaterials, wird soviel Energie benötigt (vor allem für Schmelzen und Diffundieren), dass die Rückzahlungszeit, trotz Fortschritten, Mitte der 80er-Jahre noch etwa bei drei Jahren liegt. |
| Sonne | Zentralgestirn unseres Planetensystems – ein glühender Gasball, in dessen Inneren durch Kernfusion Energie freigesetzt und später von der Oberfläche abgestrahlt wird. Diese Sonnenstrahlung ermöglicht das Leben auf der Erde und ist Grundlager der Sonnenergie-Nutzung. Die Sonne hat seit jeher im Denken der Menschen als Sinnbild von Leben, Freiheit und Fortschritt oder als Gottheit eine große Rolle gespielt. Auf ihre griechische Bezeichnung helios und die römische sol gehen die Bestimmungswörter helio- und solar- mit der Bezeichnung „Sonne“ zurück (z.B. Heliostat, Solarzelle). Der Grieche Aristarchos von Samos erkannte bereits um 275 v. Chr., dass sich die Planeten um die Sonne bewegen, doch wurde dieses heliozentrische Sonnensystem erst durch Nikolaus Kopernikus Anfang des 16. Jahrhunderts Allgemeinwissen. 1868 entdeckte der britische Astronom Joseph Lockyer – durch Messung und Deutung der Sonnenstrahlung – das unbekannte Element Helium auf der Sonne. Darauf baut letztlich die heute anerkannte, 1939 von den deutschen Physikern Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker gegeben Erklärung der physikalischen Natur der Sonne auf: In ihrem Innersten herrscht so hoher Druck (etwa 200 Mrd. bar) und Temperatur (an die 15 Mio. Kelvin, Abk. K, K = +273,15 °C), dass sich durch Kernfusion Kerne von Wasserstoffatomen zu Heliumatomen verbinden und weiter, schwerere Kerne entstehen. Die dabei freiwerdende Energie erhitzt Gasmassen, die im Laufe von Jahrmillionen zur Sonnenoberfläche aufsteigen, sich dort abkühlen und wieder absinken. Von dieser – für uns unsichtbaren – Oberflächenschicht von 400 bis 500 km Dicke, der Photosphäre (vom Griechischen phos, Licht, und sphaira, Kugel), geht die Sonnenstrahlung aus, deren Spektrum den Schluss zulässt, dass die Temperatur der Photosphäre ungefähr 6.000 Kelvin beträgt. Aufgrund von Messungen mit Erdsatelliten wissen wir heute, dass die Sonne etwa 4,5 Mrd. Jahre alt ist und zu 75% aus Wasserstoff, zu 23% aus Helium sowie aus 2% aus über 60 schwereren Elementen und etwas einem Dutzend Molekülen besteht. Die Leistung der Sonnenstrahlung – die Bestrahlungsstärke – in Erdentfernung, die Solarkonstante, beträgt 1,4 kW je m² (woraus man zurückrechnen kann, dass die Sonne insgesamt rund 4 x 1.023 kW Sonnenenergie je Sekunde abstrahlt). Dieser Energiefluss wird beim Durchgang durch die Lufthülle infolge Absorption noch abgeschwächt, doch beruht auf ihm alles Leben auf der Erde. Aufgrund ihrer riesigen Masse (der 333.000 fachen Erdmasse) hat die Sonne große Anziehungskraft; diese bewirkt nicht nur die leichten elliptischen Bahnen der Planeten um die Sonne, sondern auch ihren Einfluss auf die Gezeitenenergie. |
| Sonnenstrahlung | Von der Sonne ausgehende Licht-, Wärme-, Röntgen- und Teilchenstrahlung. Infolge Abschwächung in der Lufthülle treffen nur Licht- und Wärmestrahlung auf die Erdoberfläche. Die Einstrahlung ist je nach geographischer Breite, Jahreszeit und Klima, verschieden. Die Sonne strahlt nach allen Richtungen ein Spektrum (ursprünglich das Band von Regenbogenfarben bei der Zerlegung von Sonnenlicht durch ein Prisma – vom Lateinischen spectrum, Erscheinung) elektromagnetischer Wellen aus, deren Wellenlängen den Bereich von 0,2 bis 3,6 Tausendstelmillimetern lückenlos überdecken, d.h. von Röntgenstrahlen über Ultraviolett-Strahlen und sichtbares Licht (0,38 bis 0,78 Tausendstelmillimeter) bis zur Infrarot-Wärmestrahlung. Dazu kommt noch der Sonnenwind, das sind Teilchenstrahlen (überwiegend Elektronen), die in der oberen Lufthülle Erscheinungen wie das Nordlicht auslösen. Wie die Sonnenstrahlung auf die Lufthülle der Erde trifft, beträgt ihre Leistungsdichte, die Solarkonstante, bzw. extraterrestrische Bestrahlungsstärke (vom Lateinischen extra, außerhalb, und terra, Erde) oder extraterrestrische Intensität (vom Lateinischen intensus, heftig/stark) bei lotrechtem Einfall, rund 1,4 kW je m². Beim Durchgang durch die Lufthülle wird die Sonnenstrahlung jedoch abgeschwächt und verändert. • Atome, Moleküle, Staubteilchen und vor allem Wolken reflektieren eine Teil in den Weltraum, was zur Abstrahlung beiträgt; • Moleküle und Staubteilchen streuen einen Teil in alle Richtungen – das Streulicht bezeichnet man als diffuse Strahlung (vom Lateinischen diffundere, auseinander fließen) oder Himmelsstrahlung (weil die den Himmel blau erscheinen lässt); • Infolge Absorption werden Strahlen aller Wellenlängen geschwächt und die Röntgen- und Teilchenstrahlen so gut wie vollständig, die ultravioletten fast völlig verschluckt. Die ungestreut zur Erdoberfläche gelangende Licht- und Wärmestrahlung bezeichnet man als Direktstrahlung, sie ergibt sich zusammen mit der Himmelsstrahlung (und von der Umgebung reflektierter Strahlung) die Globalstrahlung (vom Lateinischen globus, Kugel, im Sinne von Erdkugel). Ihre Bestrahlungsstärke – insgesamt nur etwa halb so groß wie die extraterrestrische – hängt von der geographischen Breite, von der Tages- und Jahreszeit (bei tiefstehender Sonne hat die Sonneneinstrahlung einen weiteren Weg durch die Lufthülle) und vom Wetter ab. An klaren Hochsommertagen mittags erreicht sie in Äquatornähe rund 1.000 W je m², in Mitteleuropa etwa 600 W je m², wobei sie zu ungefähr 90% aus Direkt – und zu 10% aus Himmelsstrahlung besteht. An Wintertagen mit bedecktem Himmel ist die Globalstrahlung zu 100% Himmelsstrahlung, und die Bestrahlungsstärke kann in Mitteleuropa dann auf 100 bis 200 W je m² sinken. Die Be- oder Einstrahlung auf der Erdoberfläche, d.h. die von der Globalstrahlung im Laufe eines Jahres übertragene Energie (Bestrahlungsstärke mal Zeit), die nutzbare Sonnenenergie, hängt zusätzlich vom Klima (dem Wetter, insbesondere der Bewölkung, im Laufe eines Jahres) ab. Ihre höchsten Werte – bis zu 2.500 kWh je m² und Jahr – findet man daher nicht in den wolkenreichen Äquatorgebieten, sondern in Trockengürteln beidseits des Äquators (Sahara, Arabien, Südafrika, Süden der USA, Australien). In Mitteleuropa werden 900 bis 1.400 kWh je m² gemessen. Geringe Leistungsdichte sowie Ungleichmäßigkeit der Sonnenstrahlung erschweren ihr Nutzung in der Solartechnik. Nahezu zwei Drittel der Global-Einstrahlung werden vom Meer absorbiert, etwas weniger als ein Drittel von der Landmasse, ein halbes Prozent speist die Windenergie und noch weniger die Photosynthese zur Erzeugung von Biomasse. All das trägt letztlich zur Erwärmung von Luft, Wasser und Boden bei, was wiederum eine Abstrahlung dieser Wärme in den Weltraum zufolge hat. |
| Stirling-Motor | Motor, worin zwei Kolben ein Fas zwischen einem kalten und einem beheizten Zylinder hin und herschieben. Beheizt wird von außen durch die Sonnenstrahlen oder beliebige Brennstoffe. Wirkt auch als Wärmepumpe. Der schottische Pfarrer Robert Stirling (1790 bis 1878) meldete 1816 einen Heißluftmotor als Wärmekraftmaschine zum Patent an: Ein kalter „Schiebezylinder“ mit Arbeitskolben steht mir einem heißen „Kraftzylinder“ mit Verdrängungskolben über ein Rohr in Verbindung, in das ein Kühler und ein Wärmetauscher eingebaut sind. Der Kraftzylinder wird von außer erhitzt, so dass sich die Luft darin ausdehnt, den Verdrängungskolben bewegt und dieser eine Kurbelwelle dreht. Auf dem Rückweg schiebt der Verdrängungskolben die heiße Luft in den Schiebezylinder, wobei sie Wärme an den Wärmetauscher abgibt und sich im Kühler weiter abkühlt. Die Kurbelwelle steuert denn Arbeitskolben so, dass er die nunmehr kalte Luft zusammen- und wieder in den Kraftzylinder presst, wobei sie im Wärmetauscher vorgewärmt wird. Der Verdrängungstakt liefert mehr Energie als der Arbeitstakt benötigt. Stirling-Motoren wurden von 1818 bis in die 1920er Jahre zu Tausenden gebaut und zum Antrieb von Wasserpumpen und kleinen Generatoren in Gewerbe und Landwirtschaft eingesetzt. Dort kam zum Tragen, dass sie mit jedem beliebigen Brennstoff (und einer diesem angepassten Konstruktion des Brennraums, der der Kraftzylinder oder das Überstromrohr umschließt) arbeiten, auch mit Holz und Stroh, und dass der Motor grundsätzlich wartungsarm und über lange Zeit zuverlässig ist. Wegen seines im Verhältnis zur Leistung hohen Gewichts und der hohen Herstellungskosten vermochte sich der Stirling-Motor nicht gegen die Explosions-Verbrennungs-Motoren durchzusetzen. Mit dem verstärktem Umweltbewusstsein ist er wieder ins Blickfeld gerückt: Die stete „äußere“ Verbrennung erlaubt hohen Luftüberschuss, womit viel weniger Schadstoffe entstehen als bei Explosionsmotoren mit Katalysator. Japanische Firmen bereiten Stirling-Motore für Autos vor. |
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