Solarkonzentratoren
Grundsätzlich unterscheiden sich Solarkonzentratoren stark von Photovoltaik-Wandler… Darüber hinaus sind thermische Solarkraftwerke aufgrund einer Reihe von Eigenschaften deutlich effizienter als Photovoltaikanlagen.
Die Aufgabe des Solarkonzentrators besteht darin, die Sonnenstrahlen auf einen Behälter mit Kühlflüssigkeit zu fokussieren, bei der es sich beispielsweise um Öl oder Wasser handeln kann, die Sonnenenergie gut absorbieren können. Es gibt verschiedene Konzentrationsmethoden: parabolisch-zylindrische Konzentratoren, Parabolspiegel oder heliozentrische Türme.
Bei manchen Konzentratoren wird die Sonnenstrahlung entlang der Brennlinie fokussiert, bei anderen – am Brennpunkt, an dem sich der Empfänger befindet. Wenn Sonnenstrahlung von einer größeren Oberfläche auf eine kleinere Oberfläche (die Oberfläche des Receivers) reflektiert wird, wird eine hohe Temperatur erreicht, das Kühlmittel absorbiert die Wärme und bewegt sich durch den Receiver. Das Gesamtsystem enthält außerdem einen Speicherteil und ein Energieübertragungssystem.
In bewölkten Perioden ist die Effizienz von Konzentratoren deutlich reduziert, da nur die direkte Sonnenstrahlung fokussiert wird.Aus diesem Grund erreichen diese Systeme die höchste Effizienz in Regionen, in denen die Sonneneinstrahlung besonders hoch ist: in Wüsten, in der Äquatorregion. Um die Effizienz der Nutzung der Sonnenstrahlung zu steigern, sind die Konzentratoren mit speziellen Trackern ausgestattet, Trackingsystemen, die eine möglichst genaue Ausrichtung der Konzentratoren in Richtung der Sonne gewährleisten.
Da die Kosten für Solarkonzentratoren hoch sind und die Nachführsysteme eine regelmäßige Wartung erfordern, ist ihr Einsatz hauptsächlich auf industrielle Stromerzeugungssysteme beschränkt.
Solche Anlagen können in Hybridsystemen beispielsweise zusammen mit Kohlenwasserstoff-Brennstoff eingesetzt werden, dann senkt das Speichersystem die Kosten der erzeugten Elektrizität. Dies wird möglich, da die Erzeugung rund um die Uhr erfolgen wird.
Parabolröhren-Solarkonzentratoren sind bis zu 50 Meter lang und ähneln einer länglichen Spiegelparabel. Ein solcher Konzentrator besteht aus einer Reihe von Hohlspiegeln, die jeweils parallele Sonnenstrahlen sammeln und auf einen bestimmten Punkt fokussieren. Entlang einer solchen Parabel befindet sich ein Rohr mit einer Kühlflüssigkeit, so dass alle von den Spiegeln reflektierten Strahlen darauf fokussiert werden. Um den Wärmeverlust zu reduzieren, ist die Röhre von einem Glasrohr umgeben, das sich entlang der Brennlinie des Zylinders erstreckt.
Diese Hubs sind in Nord-Süd-Richtung in Reihen angeordnet und mit Solar-Tracking-Systemen ausgestattet. Die in der Leitung fokussierte Strahlung erhitzt das Kühlmittel auf fast 400 Grad, es strömt durch die Wärmetauscher und erzeugt Dampf, der die Turbine des Generators antreibt.
Der Fairness halber sei angemerkt, dass anstelle der Röhre auch eine Fotozelle angebracht werden kann. Trotz der Tatsache, dass die Konzentratorgrößen bei Photovoltaikzellen kleiner sein können, ist dies jedoch mit einer Verringerung des Wirkungsgrads und dem Problem der Überhitzung verbunden, was die Entwicklung eines hochwertigen Kühlsystems erfordert.
In der kalifornischen Wüste wurden in den 1980er Jahren 9 Kraftwerke mit parabolischen zylindrischen Konzentratoren mit einer Gesamtleistung von 354 MW gebaut. Dann baute dasselbe Unternehmen (Luz International) in Deget auch eine SEGS I-Hybridanlage mit einer Leistung von 13,8 MW, die zusätzlich Erdgasöfen umfasste. Im Allgemeinen hatte das Unternehmen bis 1990 Hybridkraftwerke mit einer Gesamtkapazität von gebaut 80 MW.
Die Entwicklung der Solarenergieproduktion in Parabolkraftwerken wird in Marokko, Mexiko, Algerien und anderen Entwicklungsländern mit Mitteln der Weltbank durchgeführt.
Experten kommen daher zu dem Schluss, dass Parabolrinnenkraftwerke heute hinsichtlich Rentabilität und Effizienz sowohl Turm- als auch Scheibensolarkraftwerken hinterherhinken.
Scheibensolaranlagen – das sind, wie Satellitenschüsseln, Parabolspiegel, die die Sonnenstrahlen auf einen Empfänger fokussieren, der sich im Brennpunkt jeder solchen Schüssel befindet. Gleichzeitig erreicht die Temperatur des Kühlmittels bei dieser Heiztechnologie 1000 Grad. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird sofort einem Generator oder Motor zugeführt, der mit einem Empfänger kombiniert ist. Hier kommen beispielsweise Stirling- und Brighton-Motoren zum Einsatz, die die Leistung solcher Systeme deutlich steigern können, da der optische Wirkungsgrad hoch und die Anschaffungskosten gering sind.
Der Weltrekord für den Wirkungsgrad einer Parabolschüssel-Solaranlage liegt bei 29 % des thermisch-elektrischen Wirkungsgrads, der durch eine Parabolschüssel-Solaranlage in Kombination mit einem Stirlingmotor bei Rancho Mirage erreicht wird.
Aufgrund des modularen Aufbaus sind Match-Type-Solarsysteme sehr vielversprechend, da sie es ermöglichen, problemlos die erforderlichen Leistungsniveaus sowohl für Hybridnutzer zu erreichen, die an öffentliche Stromnetze angeschlossen sind, als auch für unabhängige Nutzer. Ein Beispiel ist das STEP-Projekt, das aus 114 Parabolspiegeln mit einem Durchmesser von 7 Metern im Bundesstaat Georgia besteht.
Das System erzeugt Dampf mit mittlerem, niedrigem und hohem Druck. Der Niederdruckdampf wird der Klimaanlage der Strickerei zugeführt, der Mitteldruckdampf wird der Strickindustrie selbst zugeführt und der Hochdruckdampf wird direkt zur Stromerzeugung zugeführt.
Natürlich sind Solarscheibenkonzentratoren in Kombination mit einem Stirlingmotor für die Eigentümer großer Energieunternehmen interessant. Daher entwickelt die Science Applications International Corporation in Zusammenarbeit mit drei Energieunternehmen ein System mit einem Stirlingmotor und Parabolspiegeln, das 25 kW Strom erzeugen kann.
Bei Solarkraftwerken in Turmform mit zentralem Receiver wird die Sonnenstrahlung auf den Receiver fokussiert, der sich an der Spitze des Turms befindet. Um die Türme herum sind zahlreiche Heliostaten-Reflektoren angebracht. Die Heliostaten sind mit einem zweiachsigen Sonnennachführungssystem ausgestattet, wodurch sie sich immer so drehen, dass die Strahlen stationär und auf den Wärmeempfänger konzentriert sind.
Der Receiver nimmt Wärmeenergie auf, die dann die Turbine des Generators antreibt.
Das im Sammler zirkulierende flüssige Kühlmittel transportiert den Dampf zum Wärmespeicher. In der Regel handelt es sich um Wasserdampf mit einer Temperatur von 550 Grad, Luft und andere gasförmige Stoffe mit einer Temperatur von bis zu 1000 Grad, organische Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt – unter 100 Grad, sowie flüssiges Metall – bis zu 800 Grad.
Je nach Zweck der Station kann der Dampf eine Turbine zur Stromerzeugung antreiben oder direkt in einer Produktion eingesetzt werden. Die Temperatur im Empfänger variiert zwischen 538 und 1482 Grad.
Der Solar One-Kraftturm in Südkalifornien, einer der ersten seiner Art, erzeugte ursprünglich Strom über ein Dampf-Wasser-System mit einer Leistung von 10 MW. Dann wurde es modernisiert und der verbesserte Receiver, der jetzt mit geschmolzenen Salzen arbeitet, und das Wärmespeichersystem wurden deutlich effizienter.
Dies führte zu einem Durchbruch in der Solarkonzentratortechnologie für Batterieturmkraftwerke: Strom in einem solchen Kraftwerk kann nach Bedarf produziert werden, da der Wärmespeicher die Wärme bis zu 13 Stunden lang speichern kann.
Mit der Salzschmelze-Technologie ist es möglich, Sonnenwärme bei 550 Grad zu speichern und damit zu jeder Tageszeit und bei jedem Wetter Strom zu erzeugen. Die Turmstation „Solar Two“ mit einer Leistung von 10 MW ist zum Prototyp solcher Industriekraftwerke geworden. Zukünftig der Bau von Industriebetrieben mit einer Leistung von 30 bis 200 MW für große Industriebetriebe.
Die Aussichten sind enorm, aber die Entwicklung wird durch den Bedarf an großen Flächen und die erheblichen Kosten für den Bau von Turmstationen im industriellen Maßstab behindert. Um beispielsweise ein 100-Megawatt-Turmkraftwerk zu errichten, sind 200 Hektar erforderlich, während für ein Kernkraftwerk, das 1.000 Megawatt Strom erzeugen kann, nur 50 Hektar erforderlich sind. Parabolisch-zylindrische Stationen (modularer Typ) für kleine Kapazitäten sind hingegen kostengünstiger als Turmstationen.
Somit eignen sich Turm- und Parabolrinnenkonzentratoren für Kraftwerke von 30 MW bis 200 MW, die ans Netz angeschlossen sind. Modulare Disk-Hubs eignen sich zur autarken Stromversorgung von Netzen, die nur wenige Megawatt benötigen. Sowohl Turm- als auch Plattensysteme sind teuer in der Herstellung, bieten aber eine sehr hohe Effizienz.
Wie Sie sehen, nehmen Parabolrinnenkonzentratoren eine optimale Position als vielversprechendste Solarkonzentratortechnologie für die kommenden Jahre ein.
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