Im Jahr 2019 betrug der Energiebedarf pro Person und Tag in Deutschland 123 kWh, in den USA 232 kWh. Weltweit wurde ein täglicher Energieverbrauch von 58 kWh pro Person errechnet. Wenn die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich auf 10 Milliarden Menschen ansteigt und alle Länder einen Energieverbrauch wie die USA hätten, müsste sich die Energieerzeugung versechsfachen. Derzeit werden noch etwa 85 Prozent des globalen Energiebedarfs durch fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl oder Gas gedeckt. Will man die gesteckten Ziele in der Klimapolitik erreichen, bleibt nichts anderes übrig, als die regenerativen Energiequellen – allen voran die praktisch unerschöpfliche Sonnenenergie – in einem bisher nicht gekannten Umfang auszubauen.
Erneuerbare Energien: Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren
Unterrichtseinheit
Mit der Unterrichtseinheit zum Thema "Sonnenenergie" soll den Schülerinnen und Schülern im Rahmen der Besprechung von erneuerbaren Energien verdeutlicht werden, warum es so wichtig ist und immer wichtiger werden wird, diese Art der Energieerzeugung massiv zu verstärken. Schülerinnen und Schüler kennen die heute schon auf einigen Hausdächern installierten Photovoltaikanlagen zur sauberen Stromgewinnung ebenso wie die Sonnenkollektoren zur Wärmegewinnung als Unterstützung von Heizung und Warmwasserbereitstellung. Im Unterricht werden den Lernenden zunächst die auf der Halbleitertechnologie beruhenden Grundlagen vermittelt, die es aufgrund des inneren Photoeffektes möglich machen, die Energie der einfallenden Sonnenstrahlen (Photonen) in elektrischen Strom umzuwandeln. Einfacher zu verstehen sind die Vorgänge bei Sonnenkollektoren, wo die einfallende Wärmeenergie der infraroten Strahlung genutzt wird, um Wasser zu erwärmen.
- Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik
- Sekundarstufe I
- 3 Unterrichtsstunden
- Ablaufplan, Didaktik/Methodik
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Mittels einer Folie (Arbeitsblatt 1) wird kurz gezeigt, wie sich die Energieerzeugung durch Sonnenlicht bis zum Ende des 21. Jahrhunderts voraussichtlich entwickeln wird.
10 Minuten -
Bau und Funktion von Solarzellen
Bau und Funktion einer Solarzelle aus verschieden dotierten Siliziumzellen wird besprochen; die zugehörige Halbleiterphysik wird wiederholt und aufgefrischt.
30 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler die Übungsaufgaben 1 und 2 (Arbeitsblatt 1) bearbeiten.
5 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und verbessert (Arbeitsblatt 1 und 3).
10 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Die Übungsaufgabe 3 wird gemeinsam in Gruppenarbeit berechnet; anschließend werden die Ergebnisse intensiv diskutiert (Arbeitsblatt 1 und 3).
35 Minuten -
Arbeitsweise eines Sonnenkollektors
Mithilfe von Arbeitsblatt 2 werden Bau und Funktion von Sonnenkollektoren am Beispiel eines Röhrenkollektors besprochen.
10 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Die Übungsaufgabe 5 wird gemeinsam in Gruppenarbeit berechnet; anschließend werden die Ergebnisse intensiv diskutiert (Arbeitsblatt 2 und 3).
35 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren als Unterrichtsthemen
Der Umbau der Energiesysteme wird die große Herausforderung in den kommenden Jahrzehnten werden – die Weichen hin zu einer emissionsarmen Energieversorgung sind gestellt. Erneuerbare Energien nehmen einen stetig wachsenden Anteil an der Energieversorgung ein und lassen die Hoffnung zu, dass die Versorgung mit Primärenergie bis Mitte des 21. Jahrhunderts klimaneutral erfolgen kann.
Vorkenntnisse
Vorkenntnisse der Lernenden können insoweit vorausgesetzt werden, dass die Thematik in den Medien permanent präsent ist und vor allem junge Menschen in Hinblick auf deren Zukunft weiter sensibilisieren wird. Das Wissen um die Abläufe bei der Umwandlung von Sonnenenergie ist mit gut nachvollziehbaren physikalischen Erklärungen und Herleitungen von Gesetzmäßigkeiten relativ leicht vermittelbar.
Didaktische Analyse
Allein die für jede Schülerin und jeden Schüler nachvollziehbaren klimatischen Probleme, die durch den Verbrauch fossiler Brennstoffe entstehen, dürfte es für Lehrkräfte einfach machen, die Lernenden für die Energieerzeugung über die schier unerschöpfliche und saubere Sonnenenergie zu begeistern.
Methodische Analyse
Sobald die Abläufe bei der heute in allen Bereichen der Technik notwendigen Halbleitertechnologie von den Lernenden in ihren Grundlagen verstanden sind, sollte es für die Lehrkräfte kein Problem sein, durch beschreibende und erläuternde Übungsaufgaben die Begeisterung bei den jungen Menschen für die neuen Technologien der Zukunft zu wecken.
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Unterrichtsmaterial "Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren" zum Download
- photovoltaikanlagen-sonnenkollektoren-arbeitsblatt-01.pdf
Neben der Prognose für die Energieerzeugung der Zukunft zeigt das Arbeitsblatt in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise von Solarzellen zur Stromerzeugung. Fragestellungen und Übungsaufgaben ergänzen die theoretischen Vorgaben.
VorschauIm Classroom-Manager speichern - photovoltaikanlagen-sonnenkollektoren-arbeitsblatt-02.pdf
In diesem Arbeitsblatt werden die Abläufe gezeigt, die heute durch Sonnenkollektoren möglich sind, um die noch mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizungen zu entlasten – und damit Brennstoff zu sparen!
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Neben der Prognose für die Energieerzeugung der Zukunft zeigt das Arbeitsblatt in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise von Solarzellen zur Stromerzeugung. Fragestellungen und Übungsaufgaben ergänzen die theoretischen Vorgaben.
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In diesem Arbeitsblatt werden die Abläufe gezeigt, die heute durch Sonnenkollektoren möglich sind, um die noch mit fossilen Brennstoffen betriebenen Heizungen zu entlasten – und damit Brennstoff zu sparen!
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Übungsaufgaben.
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Hier können Sie alle Arbeitsblätter sowie die Lösungen der Einheit "Photovoltaikanlagen und Sonnenkollektoren" im Word-Format als ZIP-Ordner herunterladen.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die klimaschädlichen Prozesse bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Energiegewinnung.
- kennen die weltweit vereinbarten Klimaziele und deren Bedeutung für die Umwelt.
- können die Wirkungsweise von Solarzellen und Sonnenkollektoren erklären.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
- können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.
