Wirkungsgrad Solarzelle

[Christian Gollwitzer]

Hallo zusammen,

der maximale Wirkungsgrad, den man derzeit mit Solarzellen erreicht, ist
ja ca. 20%. Jetzt wollte ich mir überlegen, wo denn der maximale
Wirkungsgrad aus thermodynamischer Sicht sein müsste.

Gedanke 1) Die Solarzelle hat eine Temperatur von 300K=T1 und ist über
die Wärmestrahlung mit einem schwarzen Strahler von 5400K=T2 gekoppelt.
Da sie thermische Strahlung=Wärme absorbiert, muss sie auch emittieren,
und der Wirkungsgrad kann daher den Carnotschen Wert (T2-T1)/T2 nicht
überschreiten. Damit käme ich auf 94%

Gedanke 2) Die absorbierte/emittierte Wärme ist ~T^4. Damit müsste der
Wirkungsgrad doch bei
(T2^4-T1^4)/T2^4 = 0.99999047
liegen

Was ist jetzt richtig bzw. warum ist es falsch, oder ist eine ganz
andere Zahl richtig?

Würde die Sonne monochromatisches Licht emittieren, wäre der
Wirkungsgrad dann 100% ?

Christian

[Andreas Erber]

Post by Christian Gollwitzer
Hallo zusammen,
der maximale Wirkungsgrad, den man derzeit mit Solarzellen erreicht,
ist ja ca. 20%. Jetzt wollte ich mir überlegen, wo denn der maximale
Wirkungsgrad aus thermodynamischer Sicht sein müsste.
Gedanke 1) Die Solarzelle hat eine Temperatur von 300K=T1 und ist über
die Wärmestrahlung mit einem schwarzen Strahler von 5400K=T2
gekoppelt. Da sie thermische Strahlung=Wärme absorbiert, muss sie
auch emittieren, und der Wirkungsgrad kann daher den Carnotschen
Wert (T2-T1)/T2 nicht überschreiten. Damit käme ich auf 94%

In der Solarzelle findet kein Carnotscher Prozess statt.

LG Andy

[Carla Schneider]

Post by Andreas Erber

Post by Christian Gollwitzer
Hallo zusammen,
der maximale Wirkungsgrad, den man derzeit mit Solarzellen erreicht,
ist ja ca. 20%. Jetzt wollte ich mir überlegen, wo denn der maximale
Wirkungsgrad aus thermodynamischer Sicht sein müsste.
Gedanke 1) Die Solarzelle hat eine Temperatur von 300K=T1 und ist über
die Wärmestrahlung mit einem schwarzen Strahler von 5400K=T2
gekoppelt. Da sie thermische Strahlung=Wärme absorbiert, muss sie
auch emittieren, und der Wirkungsgrad kann daher den Carnotschen
Wert (T2-T1)/T2 nicht überschreiten. Damit käme ich auf 94%

In der Solarzelle findet kein Carnotscher Prozess statt.

Eigentlich findet so gut wie nirgends ein
Carnotscher Prozess statt, z.B. im Automotor,
oder auch in der Brennstoffzelle.
Trotzdem ist der Wirkungsgrad des Carnot Prozesses die theoretische
obere Grenze des Wirkungsgrades.
Auch eine Solarzelle kann es nicht besser koennen.

[Andreas Erber]

Post by Carla Schneider

Post by Andreas Erber

Post by Christian Gollwitzer
Hallo zusammen,
der maximale Wirkungsgrad, den man derzeit mit Solarzellen erreicht,
ist ja ca. 20%. Jetzt wollte ich mir überlegen, wo denn der maximale
Wirkungsgrad aus thermodynamischer Sicht sein müsste.
Gedanke 1) Die Solarzelle hat eine Temperatur von 300K=T1 und ist
über die Wärmestrahlung mit einem schwarzen Strahler von 5400K=T2
gekoppelt. Da sie thermische Strahlung=Wärme absorbiert, muss sie
auch emittieren, und der Wirkungsgrad kann daher den Carnotschen
Wert (T2-T1)/T2 nicht überschreiten. Damit käme ich auf 94%

In der Solarzelle findet kein Carnotscher Prozess statt.

Eigentlich findet so gut wie nirgends ein
Carnotscher Prozess statt, z.B. im Automotor,
oder auch in der Brennstoffzelle.
Trotzdem ist der Wirkungsgrad des Carnot Prozesses die theoretische
obere Grenze des Wirkungsgrades.
Auch eine Solarzelle kann es nicht besser koennen.

Soweit ich weiß stimmt das nicht. Hierzu vgl.

http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle

"Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern
erfolgt heute zumeist durch Verbrennung in einer Wärmekraftmaschine in
Verbindung mit einem Generator über den Umweg der thermischen und der
Bewegungsenergie. Die Brennstoffzelle ist geeignet, die Umformung ohne Umweg
zu erreichen und damit potenziell effizienter zu sein. Dabei unterliegt sie
nicht den Restriktionen des Carnot-Prozesses."

[Roland Damm]

Moin,

Post by Carla Schneider

Post by Andreas Erber
In der Solarzelle findet kein Carnotscher Prozess statt.

Eigentlich findet so gut wie nirgends ein
Carnotscher Prozess statt, z.B. im Automotor,
oder auch in der Brennstoffzelle.
Trotzdem ist der Wirkungsgrad des Carnot Prozesses die
theoretische obere Grenze des Wirkungsgrades.
Auch eine Solarzelle kann es nicht besser koennen.

IMO beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad die Verhältnisse bei einer
Wärmekraftmaschine. Eine Solarzelle ist aber keine
Wärmekraftmaschine.
Bei einem Wasserkraftwerk kann man den Wirkungsgrad ja auch nicht
dadurch ermitteln, dass man die Wassertemperatur vor und hinter
der Turbine misst.

CU Rollo

[Carla Schneider]

Post by Roland Damm
Moin,

Post by Carla Schneider

Post by Andreas Erber
In der Solarzelle findet kein Carnotscher Prozess statt.

Eigentlich findet so gut wie nirgends ein
Carnotscher Prozess statt, z.B. im Automotor,
oder auch in der Brennstoffzelle.
Trotzdem ist der Wirkungsgrad des Carnot Prozesses die
theoretische obere Grenze des Wirkungsgrades.
Auch eine Solarzelle kann es nicht besser koennen.

IMO beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad die Verhältnisse bei einer
Wärmekraftmaschine. Eine Solarzelle ist aber keine
Wärmekraftmaschine.

Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die Solarzelle dient
dazu aus der Strahlung dieses Koerpers elektrische Energie zu gewinnen -
was nur funktioniert weil es auf der Erde kalt genug ist.
Der Wirkungsgrad kann nicht hoeher sein als bei einer Waermekraftmaschine
die den Temperaturunterschied Sonnenoberflaeche - Temperatur auf der Erde nutzt.

Post by Roland Damm
Bei einem Wasserkraftwerk kann man den Wirkungsgrad ja auch nicht
dadurch ermitteln, dass man die Wassertemperatur vor und hinter
der Turbine misst.

Stimmt, das ist auch keine Waermekraftmaschine sondern es wird die
kinetische Energie von stroehmendem Wasser genutzt.
Aber die Sonne ist nun einmal eine thermische Angegelegenheit.

Post by Roland Damm
CU Rollo

[Carla Schneider]

Post by Roland Damm

Post by Carla Schneider

Post by Andreas Erber
In der Solarzelle findet kein Carnotscher Prozess statt.

Eigentlich findet so gut wie nirgends ein
Carnotscher Prozess statt, z.B. im Automotor,
oder auch in der Brennstoffzelle.
Trotzdem ist der Wirkungsgrad des Carnot Prozesses die
theoretische obere Grenze des Wirkungsgrades.
Auch eine Solarzelle kann es nicht besser koennen.

IMO beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad die Verhältnisse bei einer
Wärmekraftmaschine. Eine Solarzelle ist aber keine
Wärmekraftmaschine.

Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die Solarzelle dient
dazu aus der Strahlung dieses Koerpers elektrische Energie zu gewinnen -
was nur funktioniert weil es auf der Erde kalt genug ist.
Der Wirkungsgrad kann nicht hoeher sein als bei einer Waermekraftmaschine
die den Temperaturunterschied Sonnenoberflaeche - Temperatur auf der Erde nutzt.

Post by Roland Damm
Bei einem Wasserkraftwerk kann man den Wirkungsgrad ja auch nicht
dadurch ermitteln, dass man die Wassertemperatur vor und hinter
der Turbine misst.

Stimmt, das ist auch keine Waermekraftmaschine sondern es wird die
kinetische Energie von stroehmendem Wasser genutzt.
Aber die Sonne ist nun einmal eine thermische Angegelegenheit.
Interessanter wirds bei den Brennstoffzellen, da ist es auch Thermodynamik, naemlich
die der elektrochemischen Reaktionen.

[Jakob Krieger]

...

Post by Carla Schneider
Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die Solarzelle dient
dazu aus der Strahlung dieses Koerpers elektrische Energie zu gewinnen -
was nur funktioniert weil es auf der Erde kalt genug ist.

Quatsch, mit Verlaub.

Die Solarzelle funktioniert deshalb, weil Quanten
mit dafür ausreichender Energie jeweils ein Elektron
irgendwo aus dem bestehenden Umfeld rausschlagen und
damit eine Ladungsverschiebung schaffen, aus der man
bei geeigneter Anordnung elektrischen Strom abzapfen
kann. Der Wirkungsgrad hängt alleine davon ab, wie
viele solcher Vorgänge im Vergleich zu anderen (etwa
Erwärmung des Trägermaterials) vorkommen.

Die Solarzelle wird zwar warm, ist aber keine
Wärmekraftmaschine.

Post by Carla Schneider
... von stroehmendem Wasser ...

Dieses Wort leitet sich nicht von "Roehm" ab und
wird deswegen anders geschrieben.

[Carla Schneider]

Post by Jakob Krieger
...

Post by Carla Schneider
Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die Solarzelle dient
dazu aus der Strahlung dieses Koerpers elektrische Energie zu gewinnen -
was nur funktioniert weil es auf der Erde kalt genug ist.

Quatsch, mit Verlaub.

Und was soll daran nicht stimmen ?

Post by Jakob Krieger
Die Solarzelle funktioniert deshalb, weil Quanten
mit dafür ausreichender Energie jeweils ein Elektron
irgendwo aus dem bestehenden Umfeld rausschlagen und
damit eine Ladungsverschiebung schaffen, aus der man
bei geeigneter Anordnung elektrischen Strom abzapfen
kann. Der Wirkungsgrad hängt alleine davon ab, wie
viele solcher Vorgänge im Vergleich zu anderen (etwa
Erwärmung des Trägermaterials) vorkommen.
Die Solarzelle wird zwar warm, ist aber keine
Wärmekraftmaschine.

Die Thermodynamik gilt nicht nur dort wo
Gase komprimiert und expandiert werden und damit Kraft
gewonnen wird, sondern auch fuer die Vorgaenge in einer Solarzelle.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist nur so viel schlechter als
der der theoretisch maximal moegliche, dass man darueber kaum
nachdenkt.

[Roland Franzius]

Post by Carla Schneider

Post by Jakob Krieger
...

Post by Carla Schneider
Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die Solarzelle dient
dazu aus der Strahlung dieses Koerpers elektrische Energie zu gewinnen -
was nur funktioniert weil es auf der Erde kalt genug ist.

Quatsch, mit Verlaub.

Und was soll daran nicht stimmen ?

Post by Jakob Krieger
Die Solarzelle funktioniert deshalb, weil Quanten
mit dafür ausreichender Energie jeweils ein Elektron
irgendwo aus dem bestehenden Umfeld rausschlagen und
damit eine Ladungsverschiebung schaffen, aus der man
bei geeigneter Anordnung elektrischen Strom abzapfen
kann. Der Wirkungsgrad hängt alleine davon ab, wie
viele solcher Vorgänge im Vergleich zu anderen (etwa
Erwärmung des Trägermaterials) vorkommen.
Die Solarzelle wird zwar warm, ist aber keine
Wärmekraftmaschine.

Die Thermodynamik gilt nicht nur dort wo
Gase komprimiert und expandiert werden und damit Kraft
gewonnen wird, sondern auch fuer die Vorgaenge in einer Solarzelle.
Der Wirkungsgrad einer Solarzelle ist nur so viel schlechter als
der der theoretisch maximal moegliche, dass man darueber kaum
nachdenkt.

.. und der theoretische Grenwert nach Carnot so nah bei eins, dass man
auch darüber nicht nachdenkt.

[Gernot Griese]

Post by Carla Schneider

Post by Jakob Krieger
...

Post by Carla Schneider
Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die Solarzelle dient
dazu aus der Strahlung dieses Koerpers elektrische Energie zu gewinnen -
was nur funktioniert weil es auf der Erde kalt genug ist.

Quatsch, mit Verlaub.

Und was soll daran nicht stimmen ?

Daß der Photoeffekt auch ganz ohne Temperaturunterschied funktioniert.
Zumindest solange man unter Temperatur das versteht, was man mit einem
Thermometer mißt.

Gernot

[Roland Damm]

Moin,

Post by Carla Schneider

Post by Roland Damm
IMO beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad die Verhältnisse bei
einer Wärmekraftmaschine. Eine Solarzelle ist aber keine
Wärmekraftmaschine.

Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die
Solarzelle dient dazu aus der Strahlung dieses Koerpers
elektrische Energie zu gewinnen - was nur funktioniert weil es
auf der Erde kalt genug ist. Der Wirkungsgrad kann nicht hoeher
sein als bei einer Waermekraftmaschine die den
Temperaturunterschied Sonnenoberflaeche - Temperatur auf der
Erde nutzt.

Was ist denn, wenn du eine gedachte ideale Solarzelle mit einem
CO2-Laser bestrahlst? Kann sie dann nichts produzieren, weil das
Laserlicht eine Wellenlänge hat, die dem Stahlungsmaximum eines
schwarzen Körpers mit Raumtemperatur entspricht (ist so, 10.6um
Wellenlänge)?

Oder muss man den Laser als farbige Quelle betrachten, die so
verdammt heiß ist, dass sie pro Fläche allein bei 10.6um so viel
Energie abgibt, wie der Laser und alle anderen Wellenlängen
werden durch einen gedachten Filter (oder die Farbe eben)
weggefiltert? Dann käme für den Laser eine ziemlich große
Temperatur heraus.

Oder zur Sonne: Was wäre, wenn man diese mit einer geschlossenen
Schale umgeben würde, die außen die Wärme bei einer Temperatur
entsprechend der im Weltraum (also rund 3K) abgeben würde und
innen mit der Temperatur der Sonne aufnehmen würde? Dann käme
schon wieder ein anderer Wirkungsgrad heraus.

Ich würde sagen, man kann sich da viele Temperaturdifferenzen
ausdenken und damit nach belieben Wirkungsgrade ausrechnen. Nur
ob das physikalisch korrekt ist?

CU Rollo

[Christian Gollwitzer]

Vorab: Vielen Dank für die Antworten. Offenbar ist die Frage doch nicht
so trivial.

Ich bin mir sicher, dass eine Solarzelle mit der Temperatur 5400K keinen
Strom produzieren würde. Sie würde nämlich als schwarzer Strahler
emittieren, und zwar genau dasselbe Spektrum und dieselbe Intensität,
mit der sie absorbiert (Strahlungsgleichgewicht). Auf Quantenebene
würden die Elektronen einfach thermisch soweit angeregt werden, dass sie
emittieren. Das ist ja der Grund für die Frage.

Post by Roland Damm
Was ist denn, wenn du eine gedachte ideale Solarzelle mit einem
CO2-Laser bestrahlst? Kann sie dann nichts produzieren, weil das
Laserlicht eine Wellenlänge hat, die dem Stahlungsmaximum eines
schwarzen Körpers mit Raumtemperatur entspricht (ist so, 10.6um
Wellenlänge)?

Ich finde das eine sehr interessante Frage. Strahlung, die kein
thermisches Spektrum hat, kann zu einem größeren Anteil absorbiert
werden. Rein monochromatisches Licht müsste sogar zu 100% Energie
übertragen können

Post by Roland Damm
Oder muss man den Laser als farbige Quelle betrachten, die so
verdammt heiß ist, dass sie pro Fläche allein bei 10.6um so viel
Energie abgibt, wie der Laser und alle anderen Wellenlängen
werden durch einen gedachten Filter (oder die Farbe eben)
weggefiltert? Dann käme für den Laser eine ziemlich große
Temperatur heraus.

So stelle ich mir das vor. Das wäre dann konsistent.

Post by Roland Damm
Oder zur Sonne: Was wäre, wenn man diese mit einer geschlossenen
Schale umgeben würde, die außen die Wärme bei einer Temperatur
entsprechend der im Weltraum (also rund 3K) abgeben würde und
innen mit der Temperatur der Sonne aufnehmen würde? Dann käme
schon wieder ein anderer Wirkungsgrad heraus.

Ja klar: Der Carnotsche Wirkungsgrad bei T1=3K

Post by Roland Damm
Ich würde sagen, man kann sich da viele Temperaturdifferenzen
ausdenken und damit nach belieben Wirkungsgrade ausrechnen. Nur
ob das physikalisch korrekt ist?

Deshalb frage ich hier....

Christian

[Carla Schneider]

Post by Roland Damm
Moin,

Post by Carla Schneider

Post by Roland Damm
IMO beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad die Verhältnisse bei
einer Wärmekraftmaschine. Eine Solarzelle ist aber keine
Wärmekraftmaschine.

Die Sonne ist doch ein ziemlich heisser Koerper, und die
Solarzelle dient dazu aus der Strahlung dieses Koerpers
elektrische Energie zu gewinnen - was nur funktioniert weil es
auf der Erde kalt genug ist. Der Wirkungsgrad kann nicht hoeher
sein als bei einer Waermekraftmaschine die den
Temperaturunterschied Sonnenoberflaeche - Temperatur auf der
Erde nutzt.

Was ist denn, wenn du eine gedachte ideale Solarzelle mit einem
CO2-Laser bestrahlst? Kann sie dann nichts produzieren, weil das
Laserlicht eine Wellenlänge hat, die dem Stahlungsmaximum eines
schwarzen Körpers mit Raumtemperatur entspricht (ist so, 10.6um
Wellenlänge)?

Warum nicht gleich ein Mikrowellensender, dessen Strahlungsmaximum
einer Temperatur entspricht die so niedrig ist dass man sie kaum
herstellen kann.
Trotzdem kannn man damit Material sehr heiss machen, und auch gut Energie
gewinnen.

Post by Roland Damm
Oder muss man den Laser als farbige Quelle betrachten, die so
verdammt heiß ist, dass sie pro Fläche allein bei 10.6um so viel
Energie abgibt, wie der Laser und alle anderen Wellenlängen
werden durch einen gedachten Filter (oder die Farbe eben)
weggefiltert? Dann käme für den Laser eine ziemlich große
Temperatur heraus.

Am besten du buendelst das Licht so gut es geht auf einen moeglichst
kleinen Punkt auf Materie (wird hier Plasma sein) und nimmst die Temperatur
die da maximal entstehen kann. Bei Sonnenlicht kommt da maximal die
Oberflaechentemperatur der Sonne heraus, bei dem Laser wird es deutlich
heisser werden.

Post by Roland Damm
Oder zur Sonne: Was wäre, wenn man diese mit einer geschlossenen
Schale umgeben würde, die außen die Wärme bei einer Temperatur
entsprechend der im Weltraum (also rund 3K) abgeben würde und
innen mit der Temperatur der Sonne aufnehmen würde? Dann käme
schon wieder ein anderer Wirkungsgrad heraus.

Ja klar, dann hast du ja 3K als niedrige Temperatur der Waermekraftmaschine,
auf der Erde hast du etwa 300K.

Post by Roland Damm
Ich würde sagen, man kann sich da viele Temperaturdifferenzen
ausdenken und damit nach belieben Wirkungsgrade ausrechnen. Nur
ob das physikalisch korrekt ist?

Man sollte die nehmen, die man benutzt.

[Gerhard Tenner]

Post by Roland Damm

Post by Carla Schneider
Eigentlich findet so gut wie nirgends ein
Carnotscher Prozess statt, z.B. im Automotor,
oder auch in der Brennstoffzelle.
Trotzdem ist der Wirkungsgrad des Carnot Prozesses die
theoretische obere Grenze des Wirkungsgrades.
Auch eine Solarzelle kann es nicht besser koennen.

IMO beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad die Verhältnisse bei
einer Wärmekraftmaschine. Eine Solarzelle ist aber keine
Wärmekraftmaschine.
Bei einem Wasserkraftwerk kann man den Wirkungsgrad ja auch
nicht dadurch ermitteln, dass man die Wassertemperatur vor und
hinter der Turbine misst.

Aber anders als beim Carnot-Prozess rechnet da auch keiner mit der Höhe
der Wassersäule über dem Erdmittelpunkt (als absoluter Nullpunkt des Falls
entsprechend der Null-Kelvin) vor und nach der Turbine. Weil dann halt
auch recht kleine Zahlen rauskommen würden ...

Die ganze Wirkungsgrad-Diskussion zu Solarzellen krankt am schiefen
Vergleich. Man darf nicht Prozesse, bei denen der "Treibstoff" kostenfrei
geliefert wird mit solchen vergleichen ohne genauer hinzugucken, bei denen
das Equipment da relativ zu Treibstoffkosten vernachlässigbar in der
Rechnung weggelassen wird (und die Wirkungsgrade bei der Gewinnung dieser
Treibstoffe sowieso).
Die Solarzellen schieben Prozese zwischen Sonneneinstrahlung und daraus
folgender Wärmeabstrahlung - da vergeht dann Zeit, aber es verschwinden
keine Prozente. Und die Prozesse können nützlicher sein als der Aufwand
für ihre Ingangsetzung bewertet wird. Wirkungsgrade taugen da nicht zur
Bewertung. Ein niedrigerer kann da lohnender sein als ein hoher, mit
aufwändigem Equipment erkaufter.

Gruss Gerhard

Origin: Lohnarbeit muß sich lohnen für den, der zahlt.
Nicht Arbeit muß sich da lohnen, sondern arbeiten lassen.
---

[Joachim Pimiskern]

Post by Christian Gollwitzer
der maximale Wirkungsgrad, den man derzeit mit Solarzellen erreicht, ist
ja ca. 20%.

Mit Plastiksolarzellen ist man bei 6%
http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=9425

Mit Stirlingmotoren erreicht man 31%
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-02/dnl-sse021308.php

Mit einer Multi-Junction-Zelle, was sich teuer
anhört, erreicht man über 40%
http://www.energy.gov/news/4503.htm

Grüße,
Joachim

[Carla Schneider]

Post by Joachim Pimiskern

Post by Christian Gollwitzer
der maximale Wirkungsgrad, den man derzeit mit Solarzellen erreicht, ist
ja ca. 20%.

Mit Plastiksolarzellen ist man bei 6%
http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=9425
Mit Stirlingmotoren erreicht man 31%
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2008-02/dnl-sse021308.php
Mit einer Multi-Junction-Zelle, was sich teuer
anhört, erreicht man über 40%
http://www.energy.gov/news/4503.htm

Die ist nicht nur multi-junction sondern auch "concentrator solar cell" .
Multi Junction Zellen sollen ja 100 mal so teuer sein wie normale
silizium Solarzellen, deshalb lohnt es (auf der Erde) sich nur bei
konzentrierter Sonnenstrahlung aehnlich wie bei Solarthermischen Anlagen.