Effektivere Nutzung von Solarzellen

Außerdem gibt es Spiegel aus polierten Metallflächen. Man kann sie biegen und die Verletzungsgefahr ist im Vergleich zu Glas gering. Solche Spiegel werde ich für das Modell der Solaranlage benutzen. An einer runden Kuchenform aus glänzendem Metall habe ich Versuche zur Katakaustik durchgeführt.

Eine mit Spiegelfolie überzogene Kunststofflatte aus dem Baumarkt spiegelt zwar nicht sehr gut, ist aber flexibel. Somit lassen sich einfach verschiedene Kurven erzeugen. Dieses Spiegelmaterial nutze ich deshalb bei meinen Versuchen.

b) Paralleles Licht

Damit ich die Ergebnisse meiner Arbeit auch auf den Einsatz mit (parallelem) Sonnenlicht übertragen kann, brauche ich paralleles Licht. Um zu erkennen wie das Licht gespiegelt wird, ist es von Vorteil, wenn das parallele Licht aus einzelnen Strahlen besteht. So kann ich genau nachvollziehen, wie die Lichtstrahlen gespiegelt werden.

Mir kam die Idee, das Licht einer Lampe mit Hilfe von Spiegeln in eine Richtung zu lenken. Dabei stellt sich mir das Problem, welche Lichtquelle ich benutzen soll. Sie muß möglichst klein sein, so daß alles Licht von einer Stelle kommt, denn nur dann kann ich von diesem Punkt aus Lichtstrahlen zeichnen. Bei einer großen Lichtquelle weiß ich aber nicht genau, woher das Licht kommt. Gleichzeitig soll sie aber leistungsstark sein, damit die einzelnen Lichtstrahlen auch schön hell und gut sichtbar sind. Normale Haushaltsglühbirnen sind zwar mit circa 60W sehr hell, aber zu groß. Taschenlampenbirnchen sind zwar sehr klein, doch reicht die relativ geringe Leistung von meist 0,5W nicht aus. Beim weiteren Suchen fand ich zufällig in der Garage eine Birne für Autoscheinwerfer: Es ist eine Halogenlampe , die fast so klein wie ein Taschenlampenbirnchen ist, allerdings viel heller, denn sie hat eine Leistung von 55W. Ein besonderer Vorteil dieser Glühlampe ist, daß die Glühwendel hochkant angeordnet ist, im Gegensatz zu normalen Glühbirnen, wo die Glühwendel immer quer angebracht ist.

Als Problem stellte sich mir sogleich, eine entsprechend starke Stromquelle aufzutreiben. Möglich wäre eine Autobatterie, die mir jedoch nicht zur Verfügung stand. Schließlich konnte ich doch einen Transformator finden, der mir die Stromversorgung sichert.

Nun überlegte ich mir folgenden Aufbau: Auf runde Holzstangen klebte ich kleine Spiegel. In eine Grundplatte bohrte ich Löcher, in die die Holzstangen genau passen, so daß sie sich drehen können. Mit Hilfe einer Holzlatte, in die Schlitze gesägt wurden, filtere ich einzelne Lichtstrahlen heraus. Durch das Verdrehen der Stangen richte ich die Spiegel so aus, daß die Lichtstrahlen parallel werden. Doch wie man in der Schemazeichnung sieht, kann auch Licht, das nicht durch die Spiegel parallel zu den anderen Lichtstrahlen gemacht wurde, durch die Schlitze nach außen dringen. Um das zu verhindern, experimentiere ich mit kleinen Holzklötzchen, bis kein 'falsches' Licht mehr durch die Schlitze kann, und klebe die Klötzchen an dieser Stelle fest.
Allerdings stelle ich jetzt fest, daß der mittlere Strahl viel breiter als die Anderen ist. Dies sieht man im folgenden Bild besonders gut. (Es ist stellvertretend nur der erste Strahl eingezeichnet). In dieser Zeichnung hatte ich mir überlegt, warum der mittlere Strahl sich anders verhält als die Äußeren: Beim mittleren Strahl ist der Abstand zwischen Lichtquelle und Schlitz klein. Bei den äußeren Strahlen ist dieser Abstand fast dreimal so groß, dadurch wird der Winkel zwischen rechtem und linkem Rand des Strahles kleiner.

Um dem Abhilfe zu schaffen, baue ich kleine Metallstreifen als Blenden vor die Schlitze und stelle so die richtige Breite ein. Dies mache ich nicht nur vor dem mittleren Schlitz, sondern auch vor den Anderen, denn ich merke, daß die Lichtstrahlen dadurch schärfer werden:

Auf diesem Bild sind die angebrachten Metallblenden mit eingezeichnet, die Strahlen sind jetzt alle gleich breit. Auf diese Art habe ich aus einer normalen Glühbirne sieben helle, gut sichtbare parallele Lichtstrahlen gewonnen. Mit diesen Strahlen werde ich meine weiteren Versuche durchführen.

a) Versuchsaufbau

Die Versuche führe ich in einem abgedunkelten Zimmer durch. Der Raum muß nicht ganz dunkel sein, weil durch das Licht keine Meßergebnisse verfälscht werden, sondern ich nur den Verlauf von Lichtstrahlen beobachte.

Als Lichtquelle benutze ich mein Gerät, das parallele Lichtstrahlen erzeugt. Weil diese parallelen Lichtstrahlen nicht direkt am Boden, sondern wegen dem Sockel der Lampe ein Stück höher beginnen, brauche ich eine schiefe Ebene. Auf ihr kann man die einzelnen Lichtstrahlen sehr gut erkennen. Als Ebene verwende ich eine weiße Holzplatte, die circa 60cm breit und 50cm lang ist. An ihr befestige ich mit Schraubzwingen eine Kunststofflatte, die mit Spiegelfolie überzogen ist. Damit kann ich einfach verschiedene Kurven biegen.

Mit Hilfe eines Fotoapparates, den ich auf ein Stativ geschraubt hatte, fotografiere ich die einzelnen Versuche. Weil meine Lichtquelle nur sieben Lichtstrahlen herstellt, meine schiefe Ebene aber mehr als doppelt so breit ist und ich diese Breite ausnutzen möchte, mache ich bei einigen Versuchen Doppelbelichtungen. Dadurch mußte ich keine größere Lichtquelle bauen. Erst mache ich ein normales Foto, bei dem ich nur die eine Hälfte von dem Spiegel beleuchte. Dann verschiebe ich mit Hilfe eines Metallrahmens als Anschlag und Richtlinie die parallelen Lichtstrahlen und mache ein weiteres Foto, aber auf das gleiche Negativ wie das erste Foto. Mit dem Metallrahmen kann ich die Lampe problemlos verschieben und erhalte schöne Doppelbelichtungen mit insgesamt 14 Lichtstrahlen.

Skizze meines Versuchsaufbaus:

b) Durchführung

Mein Ziel ist es, eine Form des Spiegels zu finden, bei der möglichst viele Lichtstrahlen auch bei schrägem Lichteinfall auf eine festgelegte Fläche (die Solarzelle) treffen. Sie sollen sich möglichst nicht in einem Punkt treffen, da die Solarzelle eine Ober fläche hat. Diese Fläche soll möglichst gleichmäßig hell sein; Es soll nicht nur einen hellen Punkt geben, so daß die restliche Solarzellenfläche dunkel ist. Um dies zu untersuchen, habe ich einen geeigneten Holzblock statt einer Solarzelle auf meine schiefe Ebene gestellt und jeweils gezählt, wie viele Lichtstrahlen auf den Block treffen. Ich kann nicht von allen Spiegelformen, mit denen ich experimentiere, Fotos machen, da das zu viele wären, denn ich arbeite nach der Methode des 'Versuch und Irrtum'. Das heißt, ich suche eine Spiegelform aus, sehe mir das Bild der gespiegelten Lichtstrahlen an und verbessere die Form des Spiegels indem ich ihn biege, stauche oder drehe. Und das solange, bis ich entweder aufgebe oder aber diese Spiegelform als gut ansehe.

So gebe ich als Beispiel für meine Experimente nur einige ausgewählte Bilder an:

1. gerader Spiegel

Den ersten Versuch führe ich mit einem geraden Spiegel durch. Die Lichtstrahlen kommen im Bild von links oben, werden unten am Spiegel nach rechts oben reflektiert. Als Spiegel benutze ich hier einen 'echten' Spiegel aus Glas, da ich mit der Spiegelfolie, die ich sonst verwende, keine ganz gerade Oberfläche biegen kann. Die Strahlen verlaufen so, wie sie nach dem Reflexionsgesetz verlaufen sollten.

2. Halbkreis mit

i) Licht in Mitte senkrecht auftreffend

Auf ein großes Blatt Papier zeichne ich mit einem an eine Schnur festgebundenen Stift einen Halbkreis. Die Länge der Schnur ist der Radius des Kreises. Auf die schiefe Ebene lege ich diesen Halbkreis und befestigte darauf die Spiegelfolie in der Form des Kreises entlang der aufgemalten Linie. In den Halbkreis stelle ich wieder den Holzklotz als Solarzelle. Wie man auf dem Foto sieht, treffen von den 13 einfallenden Lichtstrahlen 8 auf die Solarzelle. Würde man die Solarzelle auf herkömmliche Weise benutzen, würden nur 3 Strahlen einfallen. Die sieht man an der Vorderseite des Holzklotzes, der die Solarzelle darstellt. Dort treffen eben gerade diese drei Strahlen auf, wie auf dem Foto zu erkennen ist. Es gibt keinen Brennpunkt, sondern eher eine 'Brenn-Fläche'. Das ist ein Vorteil, da meine Solarzelle ja auch eine Fläche ist. Wenn die Solarzelle nur auf einem Punkt beleuchtet wird, liefert sie kaum Strom. Deswegen soll sie möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet sein. Zudem könnte die Solarzelle an diesem Punkt warm werden oder sich sogar überhitzen, ich weiß aber aus meiner letzten Arbeit, daß die erzeugte Spannung bei niedrigen Temperaturen höher ist. Mir fällt auf, daß die Lichtstrahlen alle nicht senkrecht, sondern unter einem kleineren Winkel auf die Solarzellenoberfläche auftreffen.

ii) Licht in Mitte schief auftreffend

Da sich die Sonne um die Erde dreht und dadurch die meiste Zeit des Tages das Sonnenlicht schräg einfällt, will ich auch herausfinden, wie das Muster der Lichtstrahlen beim Halbkreis aussieht, wenn das Licht schräg einfällt. Auch hier gibt es keinen Brennpunkt, genau wie beim geradem Lichteinfall. An diesem Foto erkenne ich auch das Bild wieder, das ich bei der Spiegelung am Ring gesehen habe (siehe Einleitung). Die Brennfläche hat sich gegenüber der des letzten Versuches in der Form nicht verändert, aber sie ist jetzt an einem anderen Ort.

3. gestauchte Kurve

Nun experimentiere ich mit einer flachen Kurve, die ich gestaucht habe. Auch hier gibt es keinen Brennpunkt. Bei dieser Form stelle ich fest, daß man die Figur der reflektierten Lichtstrahlen durch Stauchen der Spiegelform verändern kann: Wenn ich die Spiegelfolie mehr stauche, verschiebt sich die Fläche, auf die die meisten Strahlen reflektiert werden. Somit kann ich also einstellen, wohin die Lichtstrahlen etwa gespiegelt werden.

c) Ergebnis dieser Versuche

Bei der Durchführung meiner Versuche habe ich leider keine für alle Fälle ideale Spiegelform gefunden. Jede hatte irgendwelche Nachteile oder 'Fehler'. Das größte Problem ist, daß schief einfallendes Licht immer an einer anderen Stelle die stärkste Bündelung zeigt als unter einem anderen Winkel einfallendes Licht. Da der beste Ort für die Solarzelle die Stelle ist, an der die Lichtstrahlen am stärksten gebündelt sind, müßte ich mit dem Licht immer auch den Platz ändern, an dem die Solarzelle befestigt ist. Das ist ein Nachteil aller von mir ausprobierten Formen, und ich befürchte, daß es keine Spiegelform gibt, die diesen Fehler nicht hat.

Folgende Dinge habe ich während meiner Versuche festgestellt:

Für das Solar-Modell, das ich bauen will, entscheide ich mich daher für einen halbkreisförmigen Spiegel. Zum einen läßt sich ein Halbkreis leicht herstellen, im Gegensatz zu der gestauchten Form, die ich nicht mehr genau nachbauen kann. Zum anderen habe ich mir überlegt, daß ich einen Halbreis mit gleichbleibender Katakaustik einfach mitsamt der Solarzelle in die Richtung der Sonne drehen kann, so daß das Licht wieder senkrecht einfällt. Es bleibt der Nachteil, daß die vom Spiegel reflektierten Strahlen flach auf die Solarzelle auftreffen. Darüber mache ich mir jetzt einige Gedanken.

Bisher sieht die Planung für meine Anlage so aus (links): (Die schwarze Fläche stellt die Solarzelle dar, die gestrichelt gezeichneten Lichtstrahlen werden nicht genutzt.)

Beim Überlegen, wie ich es machen könnte, daß mehr Licht senkrecht auf die Solarzelle trifft, kam mir die Idee, die Form der Solarzelle zu verändern. Würde ich statt der geraden zum Beispiel eine in der Form eines Halbkreises gebogene Zelle verwenden, so würden nahezu alle Strahlen fast senkrecht auftreffen. Der Nachteil ist, daß es keine solchen Zellen gibt (Jedenfalls habe ich keine solchen gefunden!). Aber ich könnte aus einzelnen geraden Zellen eine gebogene zusammensetzen. Dies probiere ich mit zuerst zwei Stücken:

Wie man an der zweiten Zeichnung (rechts) sieht, treffen auf dieses Art und Weise mehr Strahlen auf die gleiche Fläche Solarzelle senkrecht auf. Dadurch steigt die erzeugte Spannung, ohne daß ich einen großen Aufwand habe, ich nehme nur statt einer großen zwei kleine Zellen und ordne sie geschickt an.

Zusätzlich ist ohne meine Absicht die Fläche des Spiegels, die von der Solarzelle verdeckt wird, kleiner geworden: Mehr Licht kann vom Spiegel auf die Zelle reflektiert und dort in Strom umgewandelt werden!

Nun will ich das bei den Versuchen Herausgefundene in den Entwurf der Solaranlage bzw. ihres Modells übertragen.

Da ich festgestellt habe, daß ein halbkreisförmiger Spiegel die besten Eigenschaften für meinen Verwendungszweck hat, werde ich ihn auch im Modell der Solaranlage verwenden. Als Spiegel verwende ich eine Metallplatte, die hochglänzend poliert ist und dadurch sehr gut spiegelt, außerdem ist sie flexibel, so daß ich sie leicht in die Form des Halbkreises biegen kann.

Bei geradem Lichteinfall wird das meiste einfallende Licht auf die Solarzelle gebündelt. Zusätzlich wird das Licht so reflektiert, daß viele Lichtstrahlen fast senkrecht auf die Zelle treffen. Bei keiner anderen Spiegelform ist die Katakaustik so gut für meine Zwecke. Bei schiefem Lichteinfall treffen leider nur noch sehr wenig Lichtstrahlen die Solarzelle, trotzdem ist der Halbkreis auch hier besser als andere Kreisformen. Um dies weiter zu verbessern, komme ich nicht umhin, die Solaranlage nach der Sonne auszurichten. Da die Sonne im Osten aufgeht und im Westen untergeht, ist während eines Tages eine Drehung um 180° nötig. Auch hier hat der Halbkreis Vorteile gegenüber anderen Formen, da er seine Katakaustik nicht ändert, sondern nur dreht. Dies gleiche ich durch Drehen der Anlage um die Längsachse aus, so daß das Licht wieder senkrecht einfällt. Die Achse könnte an einer beliebigen Stelle befestigt werden. Es bieten sich aber drei Stellen besonders an: Der Kreismittelpunkt, die Stelle der Solarzellenbefestigung oder die Rückseite des Spiegels. Das Drehen könnte automatisch nach dem Sonnenstand oder der Uhrzeit gesteuert werden. Dazu könnte ich einen Motor verwenden, der mittels einer Zahnstange die Anlage bewegt. Im Modell werde ich diese leicht durchzuführende Steuerung trotzdem von Hand durchführen. Wenn ich die Zahnstangenbewegung an der Rückseite anbringe, sollte ich den Kreismittelpunkt als Drehpunkt verwenden, da dies die einfachste Möglichkeit ist.

Damit noch mehr Lichtstrahlen steil auf die Solarzelle einfallen, verwende ich statt einer großen zwei kleine Solarzellen wie in Kapitel IV in der Zeichnung dargestellt. Dadurch habe ich keinen großen Aufwand oder hohe Kosten, kann aber trotzdem den erzeugten Strom erhöhen.

Jetzt gebe ich eine Skizze an, die eine solche Solaranlage unter Ausnutzung der in dieser Arbeit herausgefundenen Tricks zur Erhöhung der Effektivität darstellt. Entsprechend dieser Skizze werde ich mein Modell aufbauen: Als Spiegel eine halbkreisförmig gebogene hochglänzende Metallfolie, davor zwei Streifen Solarzellen, die das gebündelte Licht in elektrische Energie umwandeln.