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Solarthermische Kraftwerke - Prinzip

Grafik, beschriftet:Das physikalische Prinzip eines Parabolrinnenkraftwerks und einer Dish-Stirling-Anlage im Vergleich.Zunehmend werden Kraftwerke zur Stromerzeugung aus Sonnenwärme gebaut. Die Grafik zeigt zwei Bauweisen, die sich durchgesetzt haben.Parabolrinnenkraftwerk: Ein großes Sonnenkraftwerk, dessen Leistung vergleichbar mit Kohlekraftwerken ist. Lange Zeilen von Parabolspiegeln haben in ihrem Brennpunkt ein Absorberrohr, das mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist. Über einen Wärmeaustauscher erzeugt das heiße Arbeitsmittel Dampf, mit dem sich dann große Dampfturbinen und Generatoren betreiben lassen.Dish-Stirling-Anlage: Ein eher kleines Kraftwerk, dessen zentrales Element ein großer runder Hohlspiegel (Dish, Teller) ist. In seinem Brennpunkt befindet sich der Arbeitszylinder eines Stirlingmotors, der einen Generator antreibt. Das gegenwärtig leistungsfähigste Kraftwerk dieser Art ist der Euro-Dish-Stirling-Typ. Hinweise und Ideen:Zu den solarthermischen Kraftwerken zählen auch das “Aufwindkraftwerk”, der “Sonnenofen” und das “Turmkraftwerk”. Wie sind diese Kraftwerke aufgebaut und wie funktionieren sie? In welchen Gegenden auf der Erde gibt es solarthermische Kraftwerke und von welchem Typ sind sie? Weiterführende Informationen zum solarthermischen Kraftwerk findet man im Leitfaden “Regenerative Energien”.


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Strahlungsenergie

Diagramm:Formeln für die Strahlungsenergie elektromagnetischer Wellen und das Planck'sche Strahlungsgesetz.Strahlungsenergie ist die Energie elektromagnetischer Wellen. Sie ist proportional zum Quadrat der Amplitude der elektrischen bzw. der magnetischen Feldstärke. Elektromagnetische Wellen hoher Frequenz und damit Energie haben Teilchencharakter. Die Energie dieser Teilchen ist proportional zur Frequenz bzw. umgekehrt proportional zu ihrer Wellenlänge. Der Proportionalitätsfaktor ist das Planck’sche Wirkungsquantum h. Dass Strahlungsenergie quantisiert sein muss, fand Max Planck bei der Untersuchung der Strahlung schwarzer Körper. Er formulierte ein Strahlungsgesetz, das aber erst durch Einsteins Postulat von den Lichtquanten erklärt werden konnte. Zahlenbeispiel für die Planck’sche Strahlungsformel:Die Sonne hat eine Oberflächentemperatur von 5.800 K, die damit verbundene Strahlungsleistung ist nach der Planck’schen Strahlungsformel 3,85 x 1023 kW. Davon trifft nur ein sehr kleiner Anteil auf die Erde (bei senkrechtem Strahlungseinfall 1,37 kW/m²).Hinweise und Ideen:Strahlungsenergie kann vielfach in andere Energieformen umgewandelt werden: Beim Röntgen wird die Strahlungsenergie in chemische Energie verwandelt (Schwärzung des Fotofilms), Licht wird in der Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt, ebenso Funkwellen in einer Antenne. Die Energie von Mikrowellen kann man zur Erwärmung von Speisen verwenden.


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Parabolrinnenkraftwerk

Foto: Parabolrinnen-Kraftwerk in Lockhart bei Harper Lake in Kalifornien (Mojave Solar Project)Diese Sonnenkraftwerke arbeiten mit langen Zeilen (z. B. 112 m) von Parabolspiegeln, in deren Brennpunkt ein Rohr mit Arbeitsmittel verläuft. Die Ausrichtung der Spiegel wird dem Sonnenstand automatisch nachgeführt. Die Strahlung wird durch die Bündelung im Spiegel 80-fach verstärkt und ein Öl im Absorber wird auf rund 400 °C erhitzt. Das heiße Öl fließt zum Kraftwerkshaus, wo es über einen Wärmeaustauscher Wasserdampf erzeugt, der eine Dampfturbine mit Generator antreibt. (Alternativ werden Kraftwerke mit flüssiger Salzschmelze im Absorberrohr angedacht.) In den USA arbeitet seit 20 Jahren ein Parabolrinnenpark aus neun Kraftwerken mit einer Gesamtleistung von 350 MW. In Spanien erreichen Andasol 1, 2 und 3 zusammen 150 MW. Dank integriertem Wärmespeicher aus Salzschmelze liefert Andasol auch ohne Sonne über 7 h volle Leistung. In Marokko entsteht derzeit die weltweit größte Anlage mit 580 MW.


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Dish-Stirling-Anlage

Foto:Ein sog. Euro-Dish-Stirling-Kraftwerk in Südfrankreich. Es hat bei 17 m Durchmesser eine Leistung von 50 kW.Kleinere Solarkraftwerke besitzen einen runden Hohlspiegel (“dish” = Teller), in dessen Brennpunkt sich der Arbeitszylinder eines Stirlingmotors befindet. Auf die Welle eines Stirlingmotors ist direkt der Generator aufgesetzt. (Alternative: Verwendet man einen Permanentmagneten als Kolben, kann die Stromerzeugung als Lineargenerator direkt in den Stirlingmotor integriert werden). Dish-Sterling-Kraftwerke werden z. B. in sonnenreichen Gegenden ohne Stromnetz zum teilweisen Ersatz von Dieselgeneratoren eingesetzt. Bei entsprechend großen Batteriespeichern kann auf Dieselgeneratoren verzichtet werden.Quelle des Fotos: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=362869


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Spiegel

Foto:Spiegelbild eines Stifts.Spiegel bestehen in der Regel aus einer Glasscheibe, die auf der Rückseite eine dünne Schicht Aluminium hat. Das eigentliche Spiegelbild entsteht auf dieser Aluminiumschicht. Das Glas dient dazu, diese Schicht vor Kratzern zu schützen. Je glatter die Spiegeloberfläche ist, desto schärfer und exakter ist auch das entstehende Spiegelbild.

Bildungsbereiche

Elementarbildung

Fach- und Sachgebiete

Sachkunde

Medientypen

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Lernalter

6-10

Schlüsselwörter

Licht Optik

Sprachen

Deutsch

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Symmetrie

Grafik:Drei achsensymmetrische Objekte (stilisiertes Gesicht, Schmetterling, Buchstabe “A”) und ein unsymmetrisches Objekt (Berg) werden gezeigt.Hinweise und Ideen:Als Impulsbild, um die Vorerfahrungen der Schülerinnen und Schüler zu aktivieren und zum Thema Symmetrie hinzuführen. Was haben diese Objekte (mit einer Ausnahme) gemeinsam?

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Schallstreuung

Grafik:Schallstreuung. Eine von mehreren Verhaltensweisen von Schallwellen, wenn sie auf ein Hindernis treffen.Unter Streuung versteht man eine Reflexion an kleinen Strukturen ohne ausgeprägte Vorzugsrichtung. Sie ist stark frequenzabhängig. Hinweise und Ideen:Kann gemeinsam mit den Schülern im Versuch nachgeprüft werden.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

Medientypen

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Lernalter

11-18

Schlüsselwörter

Optik Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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Schatten

Grafik:Schattenwurf einer Flasche, die von einer Lampe angestrahlt wird.Ein Schatten entsteht dadurch, dass das Licht von einem Gegenstand (hier am Beispiel einer Flasche) in seiner Ausbreitung blockiert wird. Da sich Licht geradlinig ausbreitet, gelangt es nicht in einem Bogen um den Gegenstand herum, sondern wird von ihm aufgehalten. Der Raum hinter dem Gegenstand kann nicht beleuchtet werden, er ist dunkel. Dadurch setzt er sich deutlich von der hell beleuchteten Umgebung ab, wir sehen einen Schatten.

Bildungsbereiche

Elementarbildung

Fach- und Sachgebiete

Sachkunde

Medientypen

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Lernalter

6-10

Schlüsselwörter

Licht Optik

Sprachen

Deutsch

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Schallbeugung

Schemagrafik:Beugung ist eine typische Verhaltensweise von Schallwellen, wenn sie auf ein Hindernis treffen.Die Beugung von Schallwellen ist ein physikalischer Mechanismus, der für das Eindringen von Schallenergie in akustische Schatten sorgt. Das heißt der Schall ist auch in Bereichen hörbar, die vom direkten Schalleinfall abgeschattet sind, wie etwa hinter Hindernissen. Hinweise und Ideen:Die Beugung des Lichts lässt sich nachweisen, wenn ein paralleles Strahlenbündel einfarbigen Lichts auf einen engen Spalt gerichtet wird. Ein hinter dem Spalt aufgestellter Schirm gibt eine Beugungsfigur (helle und dunkle Streifen, die nach außen an Intensität verlieren).Beim Schall ist ein direkter Bezug zur Alltagswelt der Schüler noch besser möglich: Warum kann man die vor einem Gebäude verlaufende Straße hören, obwohl man dahinter steht?Weitere inhaltliche Informationen zu dieser Grafik gibt es als Sachinformation auf dem Medienportal der Siemens Stiftung.Unterrichtsbezug:Schall/Akustik: KenngrößenSchwingungen und Wellen

Medientypen

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Lernalter

13-18

Schlüsselwörter

Diagramm Optik Schall Welle (Physik)

Sprachen

Deutsch

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Linse und Abbildungsgleichung

Schemagrafik: Die vom Gegenstand ausgehenden Lichtbündel müssen durch eine Linse zu den Punkten eines Bilds gesammelt werden. Die dabei geltenden Gesetze beschreibt die Abbildungsgleichung.Zur Konstruktion des Bildpunktes sind mindestens zwei der folgenden Strahlen nötig:• Strahl vom Gegenstand parallel zur optischen Achse (Parallelstrahl)• Strahl vom Gegenstand durch den Brennpunkt der Linse (Brennstrahl)• Strahl vom Gegenstand durch den Mittelpunkt der Linse (Mittelpunktstrahl).Der Mittelpunktstrahl geht ohne Richtungsänderung durch die Linse. Der Parallelstrahl geht hinter der Linse durch den Brennpunkt. Der Brennstrahl wird hinter der Linse zum Parallelstrahl.Hinweis: Die Abbildungsgleichung wird oftmals auch als “Linsenformel” bezeichnet.Hinweise und Ideen:Wozu braucht man eine Linse?

Medientypen

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Lernalter

13-18

Schlüsselwörter

Diagramm Licht Linse (Optik) Optik

Sprachen

Deutsch