Solarlampe

Eine Solarlampe, auch Solarleuchte oder Solarlaterne genannt, ist ein Beleuchtungssystem, bestehend aus einer LED-Lampe, Solarzellen, einem Akku, einem Laderegler und gegebenenfalls einem Wechselrichter. Die Lampe wird mit Strom aus Akkus betrieben, die über Solarzellen geladen werden.

Solarbetriebene Haushaltsbeleuchtung kann andere Lichtquellen wie Kerzen oder Petroleumlampen ersetzen. Solarlampen haben niedrigere Betriebskosten als Petroleumlampen, da erneuerbare Sonnenenergie im Gegensatz zu Brennstoffen kostenlos ist. Außerdem verursachen Solarlampen im Gegensatz zu Petroleumlampen keine Raumluftverschmutzung. Allerdings sind die Anschaffungskosten für Solarlampen in der Regel höher, und ihre Leistung ist wetterabhängig.

Solarlampen für den Einsatz in ländlichen Gebieten können oft auch andere Geräte mit Strom versorgen, beispielsweise zum Aufladen von Mobiltelefonen. Amerikanische Investoren arbeiten an der Entwicklung einer Solarlaterne für 10 US-Dollar pro Stück, die Petroleumlampen ersetzen soll.

Geschichte

Weltweiter Marktanteil der PV-Technologie gemessen an der jährlichen Produktion seit 1990

Einige Photovoltaikanlagen nutzen monokristalline oder polykristalline Siliziumpaneele, während neuere Technologien Dünnschichtsolarzellen verwenden. Seit der Einführung moderner Solarzellen im Jahr 1954 in den Bell Labs haben Fortschritte bei der Effizienz der Solarzellen bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie sowie moderne Fertigungstechniken in Verbindung mit Skaleneffekten zu einem internationalen Wachstum der Photovoltaik geführt.

Seit 2016 verbrauchen LED-Lampen nur noch etwa 10 % der Energie, die eine Glühlampe benötigt. Die Effizienz in der LED-Produktion hat zu einer verstärkten Nutzung als Alternative zu anderen elektrischen Beleuchtungsarten geführt.

Komponenten

Der gesamte Aufbau der Solarlampe ist in Abbildung 2 dargestellt.

Solarpaneele

Solarzellen bestehen aus Silizium, einem Halbleitermaterial. Eine Solarzelle setzt sich aus zwei unterschiedlichen Siliziumschichten zusammen. Die untere Schicht enthält weniger Elektronen und trägt daher aufgrund der negativen Ladung der Elektronen eine leicht positive Ladung. Die obere Schicht hingegen enthält mehr Elektronen und ist leicht negativ geladen. Zwischen diesen beiden Schichten entsteht eine Potenzialbarriere.

Wenn Lichtteilchen, sogenannte Photonen, auf Silizium treffen, geben sie ihre Energie an die Atome im Silizium ab. Dabei wird ein Elektron aus einer kovalenten Bindung auf ein höheres Energieniveau angehoben. Diese Anhebung ermöglicht eine freiere Bewegung der Elektronen im Kristall, wodurch ein Stromfluss entsteht. Je mehr Licht durchdringt, desto mehr Elektronen bewegen sich und desto stärker fließt der Strom. Dieser Prozess wird als photovoltaischer oder photoelektrischer Effekt bezeichnet. Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht direkt in Elektrizität um.

Solarmodule bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien, wie in Abbildung 2 dargestellt: Glas, Verkapselung, Solarzellen, erneut Verkapselung, Rückseitenfolie, Anschlussdose und schließlich Rahmen. Die Verkapselung schützt vor Feuchtigkeit und Verunreinigungen, die Probleme verursachen könnten.

Abbildung 2

Batterie

Eine Batterie befindet sich üblicherweise in einem Metall- oder Kunststoffgehäuse. Im Inneren befinden sich Elektroden, darunter Kathoden und Anoden, an denen chemische Reaktionen stattfinden. Zwischen Kathode und Anode befindet sich ein Separator, der verhindert, dass die Elektroden gleichzeitig miteinander reagieren, und gleichzeitig den freien Fluss elektrischer Ladung zwischen ihnen ermöglicht. Der Kollektor leitet die Ladung schließlich von der Batterie nach außen.

Die in Solarlampen verbauten Batterien nutzen üblicherweise Gelelektrolyttechnologie mit hoher Leistungsfähigkeit bei Tiefentladung, um den Einsatz in extremen Temperaturbereichen zu ermöglichen. Alternativ können auch Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- oder Lithiumbatterien verwendet werden.

Dieser Teil der Lampe speichert Energie vom Solarpanel und liefert bei Bedarf nachts Strom, wenn keine Lichtenergie verfügbar ist.

Generell ist der Wirkungsgrad der photovoltaischen Energieumwandlung aus physikalischen Gründen begrenzt. Rund 24 % der langwelligen Sonnenstrahlung werden nicht absorbiert. 33 % gehen als Wärme an die Umgebung verloren, weitere Verluste betragen etwa 15–20 %. Nur 23 % werden absorbiert, weshalb eine Batterie ein entscheidender Bestandteil von Solarlampen ist.

Laderegler

Dieser Abschnitt steuert alle Arbeitssysteme zum Schutz der Batterieladung. Er stellt sicher, dass die Batterie unter allen Umständen, auch bei extremen Wetterbedingungen mit großen Temperaturunterschieden, nicht überladen oder tiefentladen wird und dadurch weiter beschädigt wird.

Dieser Abschnitt umfasst auch zusätzliche Komponenten wie Lichtsteuerung, Zeitsteuerung, Tonsteuerung, Temperaturkompensation, Blitzschutz, Verpolungsschutz und AC-Umschalter, die sicherstellen, dass empfindliche Notstromaggregate bei einem Stromausfall normal funktionieren.

Arbeitsprinzipien

Abbildung 3

LED-Leuchten werden aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute und langen Lebensdauer eingesetzt. Gesteuert von einem Gleichstrom-Laderegler, schaltet die berührungslose Steuerung das Licht bei Dunkelheit automatisch ein und bei Tageslicht wieder aus. Sie kann auch mit Zeitschaltuhren kombiniert werden, um die Ein- und Ausschaltzeiten des Lichts zu steuern.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, enthält der Chip Mikrochip(R), B-, B+, S- und S+. S+ und S- sind jeweils über Kabel mit Solarzellen verbunden, wobei eine Zelle positiv und die andere negativ geladen ist. B- und B+ sind in diesem Fall an zwei Batterien angeschlossen. Sobald alle Verbindungen hergestellt sind, leuchtet die LED.

Vorteile

Solarlampen sind für Kunden einfacher zu installieren und zu warten, da sie kein Stromkabel benötigen. Besitzer profitieren von geringeren Wartungskosten und niedrigeren Stromrechnungen. Solarlampen können auch in folgenden Bereichen eingesetzt werden:

In Gebieten ohne Stromnetz oder in abgelegenen Regionen ohne zuverlässige Stromversorgung gibt es viele Berichte über Menschen mit Lungenerkrankungen, Augenschäden, Verbrennungen und manchmal sogar Todesfällen, nur weil ihnen nachts eine gesunde Alternative zu Licht zur Verfügung steht. Frauen fühlen sich nach Einbruch der Dunkelheit unsicher, wenn sie im Freien zur Toilette gehen. Hebammen bringen Babys nur mit Kerzenlicht zur Welt, und Schüler können nach Sonnenuntergang nicht lernen, was zu vermehrtem Analphabetismus und anhaltender Armut führt. Dies ist die Realität für über eine Milliarde Menschen weltweit. Fehlende Beleuchtung bedeutet anhaltende Armut. Solarlampen wandeln Lichtenergie in elektrische Energie um und sind daher eine praktische Lösung für unseren Alltag.

Die Solarenergieausbeute ist wetterabhängig und kann bei Bewölkung, Regen oder im Winter geringer ausfallen.

Haushalte, die von Petroleumlampen auf Solarlampen umsteigen, profitieren auch von der Verringerung der Gesundheitsrisiken durch Petroleumemissionen. Petroleum hat häufig negative Auswirkungen auf die menschliche Lunge.

Die Nutzung von Solarenergie minimiert die Schadstoffbelastung in Innenräumen, wo Kerosin mit gesundheitlichen Problemen in Verbindung gebracht wird. Photovoltaikmodule bestehen jedoch aus Silizium und anderen giftigen Metallen wie Blei, deren Entsorgung schwierig sein kann.

Der Einsatz von Solarlampen verbessert die Bildung von Schülern, die in Haushalten ohne Stromanschluss leben. Als die gemeinnützige Organisation Unite-To-Light Solarlampen spendete,

In einer abgelegenen Region von KwaZulu-Natal in Südafrika verbesserten sich die Testergebnisse und Bestehensquoten an Schulen um über 30 %. Das Licht gibt den Schülern zusätzliche Zeit zum Lernen nach Einbruch der Dunkelheit.

Eine 2017 durchgeführte experimentelle Studie in nicht elektrifizierten Gebieten im Norden Bangladeschs ergab, dass der Einsatz von Solarlampen die gesamten Haushaltsausgaben senkte, die Lernzeit der Kinder zu Hause erhöhte und die Schulbesuchsquote steigerte. Die schulischen Leistungen der Kinder verbesserten sich dadurch jedoch nicht wesentlich.

Verwenden

Solarstraßenleuchte

Hauptartikel: Solarstraßenleuchte

Diese Leuchten bieten eine komfortable und kostengünstige Möglichkeit, Straßen nachts zu beleuchten, ohne dass Fußgänger und Autofahrer auf Wechselstromnetze angewiesen sind. Sie können entweder aus einzelnen Solarmodulen für jede Lampe eines Systems bestehen oder über ein großes zentrales Solarmodul und einen Akku verfügen, der mehrere Lampen mit Strom versorgt.

Solar-LED-Straßenleuchte

Ländlich

Im ländlichen Indien werden Solarlampen, auch Solarlaternen genannt, mit LEDs oder Energiesparlampen ausgestattet, um Petroleumlampen, Kerzen und andere billige Beleuchtungsalternativen zu ersetzen. Besonders in Gebieten mit eingeschränktem Stromzugang sind Solarlampen sehr nützlich und verbessern die Lebensqualität.