Ein Solarkonzentrator ist ein Gerät zur Fokussierung und Konzentrierung der Sonnenstrahlung und kann sowohl bei der Erzeugung solarthermischer Energie als auch bei der Erzeugung solarer Photovoltaikenergie eingesetzt werden.
Seine Funktionsweise basiert auf der Verwendung reflektierender Oberflächen, die typischerweise aus einer Reihe von Spiegeln bestehen, die in einer ausgerichteten Anordnung angeordnet sind. Der Hauptzweck dieser Solarkonzentratoren besteht darin, die größtmögliche Menge an Sonnenstrahlung einzufangen und sie auf einen kleinen Receiver zu richten.
Im Rahmen der Solarthermie in größerem Maßstab wird diese konzentrierte Sonnenstrahlung genutzt, um ein thermisches Fluid wie Wasser oder Öl zu erhitzen und so Dampf zu erzeugen. Der entstehende Dampf treibt Dampfturbinen an und wandelt so Sonnenstrahlung in mechanische Energie um, um einen elektrischen Generator anzutreiben oder körperliche Arbeit zu verrichten.
Andererseits finden Solarkonzentratoren auch im Bereich der photovoltaischen Solarenergie Anwendung. Anstatt Wärme zu erzeugen, wirkt die konzentrierte Sonnenstrahlung in diesem Fall direkt auf hocheffiziente Photovoltaikzellen.
Funktionsprinzip
Solarkonzentratoren basieren auf dem Prinzip, das Sonnenlicht an einem Punkt oder entlang einer Linie zu konzentrieren, um die Intensität der an diesem Punkt einfallenden Sonnenstrahlung zu erhöhen. Dies wird erreicht, indem die Sonnenstrahlen mithilfe von Spiegeln oder Linsen reflektiert werden. Sobald das Sonnenlicht im Brennpunkt oder entlang einer Linie konzentriert wird, kann es je nach Konzentratortyp zur Erzeugung von Wärme oder Strom genutzt werden.
Bei solarthermischen Konzentratoren, beispielsweise Parabolschalenkonzentratoren, wird konzentriertes Sonnenlicht zur Erwärmung einer Thermoflüssigkeit genutzt. Diese Flüssigkeit kann Wasser, Öl oder ein anderes Medium sein und wird zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Turbine antreibt, die an einen elektrischen Generator angeschlossen ist.
Stattdessen konzentrieren Photovoltaik-Solarkonzentratoren das Sonnenlicht in Photovoltaikzellen, die Sonnenstrahlung direkt in Strom umwandeln.
Arten von Solarkonzentratoren
Es gibt verschiedene Arten von Solarkonzentratoren, die jeweils darauf ausgelegt sind, die Sonneneinstrahlung auf unterschiedliche Weise zu optimieren.
Zu den wichtigsten Arten von Konzentratoren gehören:
Parabolischer Solarkonzentrator
Dieser Konzentratortyp verwendet eine Reihe von Parabolspiegeln, die das Sonnenlicht in einem Brennpunkt konzentrieren. An dieser Stelle wird ein Rohr platziert, das eine thermische Flüssigkeit, beispielsweise Öl, enthält, das erhitzt und zur Erzeugung von Dampf verwendet wird, der eine Turbine antreibt, die Strom erzeugt.
Parabolische Solarkonzentratoren sind ideal für groß angelegte Stromerzeugungsanwendungen und werden häufig in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt.
Linearer Fresnel-Solarkonzentrator
Der Hauptvorteil linearer Fresnel-Konzentratoren besteht darin, dass sie sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden können, was sie vielseitig macht.
Parabolischer Solarkonzentrator mit zusammengesetztem Kanal
Dieses Design ähnelt dem Parabolschalenkonzentrator, verwendet jedoch einen Kanal anstelle eines Brennpunkts, um Sonnenlicht zu sammeln. Dadurch kann es neben der Stromerzeugung auch für solare Kühlanwendungen eingesetzt werden.
Solartrog-Solarkonzentrator
Ein Solartrog-Solarkonzentrator ist eine Variante des Parabolschalenkonzentrators, die kostengünstiger und einfacher zu installieren ist. Es eignet sich besonders für die Stromerzeugung in dezentralen Anwendungen, beispielsweise in Industrie- und Gewerbeanlagen.
Aktives Sonnenverfolgungssystem
Bei kleineren Solarkonzentratoren kann eine effektive Nachführung der Sonne durch die direkte Anbringung eines Nachführsystems am Konzentrator gewährleistet werden. Mit zunehmender Größe von Solarkonzentratoren kann es jedoch zu Verformungen der parabolischen Oberfläche kommen, die deren Funktion beeinträchtigen.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden ein oder mehrere flache Zwischenspiegel, sogenannte Heliostaten, verwendet. Diese Heliostaten tragen dazu bei, die Sonnenreflexion im Brennpunkt des Konzentrators aufrechtzuerhalten, selbst wenn Verformungen an der Oberfläche auftreten, und gewährleisten so einen optimalen Betrieb des Systems.
Anwendungen von Solarkonzentratoren
Die häufigste Verwendung ist die Stromerzeugung. Es gibt jedoch auch andere Techniken, um Wärmeenergie direkt zu nutzen.
1. Stromerzeugung
Die Stromerzeugung ist die am häufigsten genutzte Anwendung von Solarkonzentratoren. Dies kann auf zwei Arten erreicht werden:
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Dampf erzeugen und Dampfturbinen antreiben.
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Verwendung eines Stirlingmotors, der an einen elektrischen Generator angeschlossen ist.
Manchmal wird diese Technik auch zur Stromversorgung von Photovoltaikzellen eingesetzt. Es handelt sich also um Photovoltaik-Solarenergieanlagen.
2. Solarkocher
Mit kleinen 3D-Konzentratoren können Solarkocher hergestellt werden. Der Konzentrator kann zwischen 80 cm und 2 Metern groß sein. Im Fokusbereich wird ein „Herd“ platziert, auf dem der Behälter mit dem zuzubereitenden Inhalt ruht.
3. Industrielle Anwendungen
Solarkonzentratoren ermöglichen die Nutzung der Sonnenenergie in vielfältigen industriellen Anwendungen, beispielsweise in der metallurgischen Industrie, beim Metallschmelzen, bei der Dampferzeugung für die chemische Industrie und bei der Prozessheizung.
4. Wasserentsalzung
Mit Solarkonzentratoren kann Meerwasser erhitzt und Dampf erzeugt werden, der dann zu Süßwasser kondensiert. Dies ist besonders in wasserarmen Regionen nützlich.
5. Wohn- und Gewerbeheizung
Solarkonzentratorsysteme werden auch zur Heizung und Warmwasserbereitung in Wohn- und Gewerbegebäuden eingesetzt und verringern so die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.
Vorteile
Solarkonzentratoren bieten im Vergleich zu herkömmlichen Solarsystemen, die keine Konzentration nutzen, mehrere wesentliche Vorteile:
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Höhere Effizienz: Durch die Konzentration des Sonnenlichts erhöhen Konzentratoren die Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom oder Wärme. Dies ermöglicht eine effizientere Stromerzeugung, insbesondere in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung.
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Reduzierter Materialeinsatz: Da zur Erzeugung der gleichen Energiemenge weniger Solarmodule oder Photovoltaikzellen erforderlich sind, können Solarkonzentratoren dazu beitragen, den Materialaufwand für die Installation zu reduzieren.
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Wärmespeicherung: Solarthermische Konzentratoren ermöglichen die Wärmespeicherung und ermöglichen so die Stromerzeugung in der Nacht oder an bewölkten Tagen. Dies löst eine der größten Herausforderungen der intermittierenden Solarenergie.
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Vielfältige Einsatzmöglichkeiten: Solarkonzentratoren können sowohl zur Stromerzeugung als auch für solare Heiz- und Kühlanwendungen eingesetzt werden, was ihre Vielseitigkeit erhöht.