Solarkonzentratoren sind Geräte, die Sonnenlicht auf kleinem Raum einfangen und konzentrieren, um es in thermische oder elektrische Energie umzuwandeln. Die Idee besteht darin, mithilfe von Konzentrationstechniken mehr Licht auf weniger Raum einzufangen.
Um diesen Zweck zu erreichen, werden Spiegel oder Linsen verwendet, die das Licht auf einen bestimmten Punkt oder eine bestimmte Linie fokussieren. Sie werden häufig in konzentrierenden Solarkraftwerken eingesetzt, die oft in Gebieten mit viel Sonne stehen.
Doch welche Arten gibt es und wie unterscheiden sie sich?
1. Parabolrinnenkonzentratoren
Dieser Konzentratortyp ist einer der gebräuchlichsten und am weitesten verbreiteten in der Welt der konzentrierten Solarenergie.
Stellen Sie sich eine Art langen U-förmigen Kanal vor, der sich zu einer Parabel krümmt, wie ein langer, gebogener Spiegel. Dieser Kanal oder Kollektor hat auf seiner Innenfläche Spiegel, die das Licht in einer Linie bündeln.
Wie funktioniert es?
Sonnenlicht fällt auf die Spiegel und wird aufgrund der Parabelform in einem Empfangsrohr konzentriert, das genau im Brennpunkt der Parabel liegt. In diesem Rohr befindet sich normalerweise eine Wärmeübertragungsflüssigkeit (z. B. ein Spezialöl), die durch das konzentrierte Licht erhitzt wird. Diese Wärme kann direkt oder zur Erzeugung von Dampf genutzt werden, um eine Turbine anzutreiben und Strom zu erzeugen.
Diese Konzentratoren sind ideal für Gebiete, in denen die Sonne eine ziemlich konstante Höhe hat, da sie nur eine Nachführung auf einer Achse benötigen, um dem Sonnenstand zu folgen. Ihre Effizienz ist sehr hoch, allerdings beschränken sie sich auf das Einfangen von direktem Sonnenlicht, d. h. an bewölkten Tagen funktionieren sie nicht so gut.
Parabolrinnenkonzentratoren erreichen typischerweise Temperaturen von bis zu 400 °C und ermöglichen die Erzeugung von Druckdampf zum Antrieb von Turbinen und zur Stromerzeugung. Dieser Anlagentyp ermöglicht auch die Speicherung thermischer Energie in geschmolzenen Salzen und kann so auch nach Sonnenuntergang weiterhin Strom erzeugen.
Beispiel
Das Solana-Solarkraftwerk in Arizona, USA, ist eines der größten Beispiele für eine Anlage mit Parabolrinnenkonzentratoren.
Diese Anlage verfügt über eine Leistung von 280 MW, genug, um etwa 70.000 Haushalte mit Strom zu versorgen.
2. Lineare Fresnel-Konzentratoren
Ähnlich wie die vorherigen verwenden auch lineare Fresnel-Konzentratoren eine lineare Struktur, verwenden jedoch anstelle eines gekrümmten Parabolspiegels eine Reihe flacher oder nahezu flacher Spiegel, die in unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind.
Diese Spiegel sind in Reihen angeordnet und bündeln das Sonnenlicht auf eine Empfangsröhre, die sich in großer Entfernung über den Spiegeln befindet.
Der Vorteil von Fresnelspiegeln gegenüber Parabolspiegeln besteht darin, dass sie einfacher und kostengünstiger zu bauen sind, da flache Spiegel kostengünstiger sind als gebogene Spiegel. Sie ermöglichen außerdem ein kompaktes Layout, sodass Sie mehr Einheiten auf begrenztem Raum installieren können.
Allerdings ist der Wirkungsgrad etwas geringer, da die flache Bauweise das Licht nicht so präzise bündelt wie eine Parabel. Diese Konzentratoren erfordern weniger Wartung, sind aber wie Parabolrinnen auf direkte Sonneneinstrahlung angewiesen.
Lineare Fresnel-Konzentratoren erreichen typischerweise Temperaturen zwischen 250 °C und 300 °C und sind etwas einfacher aufgebaut. Sie sind kompakter als Parabolrinnenkonzentratoren und können auf flachem oder leicht geneigtem Gelände installiert werden.
Beispiel
Das Solarkraftwerk Puerto Errado 2 in Calasparra, Spanien, ist ein bemerkenswertes Beispiel für ein Solarkraftwerk mit linearen Fresnel-Konzentratoren. Mit einer Leistung von 30 MW nutzt diese Anlage die Fresnel-Technologie zur Stromerzeugung in einer Region mit hoher Sonneneinstrahlung.
3. Solarturmkonzentratoren
Diese sind beeindruckend und oft auffällig durch ihre Größe und Gestaltung. Anstelle gekrümmter oder flacher Spiegel, die in einem Kanal ausgerichtet sind, verwenden Solartürme eine große Anzahl von Spiegeln, sogenannte Heliostaten, die einen zentralen Turm umgeben.
Jeder Heliostat wird individuell gesteuert, um der Sonne nachzulaufen und das Licht zur Spitze des Turms zu reflektieren, wo sich der Empfänger befindet.
Der Auffangbehälter im Turm ist ein Behälter, der eine spezielle Flüssigkeit, häufig geschmolzene Salze, enthält, die extrem hohe Temperaturen erreichen kann. Diese heißen Salze werden dann verwendet, um Dampf zu erzeugen und eine Turbine anzutreiben, die Strom erzeugt.
Eine der Stärken dieses Systems besteht darin, dass die Salze die Wärme mehrere Stunden lang speichern können, sodass auch nach Sonnenuntergang Strom erzeugt werden kann.
Solartürme haben einen sehr hohen Wirkungsgrad und sind in der Lage, große Energiemengen zu erzeugen, erfordern jedoch eine hohe Anfangsinvestition und sind für große Anlagen in lichten Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung gedacht. Aufgrund ihres großen Platzbedarfs und eines fortschrittlichen Nachführsystems sind Solartürme nicht so verbreitet wie lineare Konzentratoren.
Dank der Verwendung geschmolzener Salze als Wärmeübertragungsmedium können Solartürme Temperaturen über 565 °C erreichen. Diese hohe Wärme ermöglicht die Speicherung der thermischen Energie über mehrere Stunden, so dass Anlagen mit Solartürmen auch dann Strom liefern können, wenn die Sonne nicht mehr scheint. Dies macht sie mit einem Speicherwirkungsgrad von 85–90 % zu einer wettbewerbsfähigen Option im Vergleich zu herkömmlichen Energiequellen.
Beispiel
Das Solarkraftwerk Ivanpah in Kalifornien, USA, ist mit einer Gesamtkapazität von 392 MW der größte Solarturm der Welt. Es nutzt mehr als 170.000 Heliostaten mit jeweils zwei Spiegeln, um das Sonnenlicht auf drei Empfangstürme zu konzentrieren.
4. Parabolische Konzentratoren
Diese funktionieren ähnlich wie eine Satellitenschüssel und sehen in mancher Hinsicht sogar so aus. Es handelt sich um kleinere Konzentratoren, die typischerweise in eigenständigen oder kleineren Systemen und nicht in großen Kraftwerken eingesetzt werden.
Der Parabolschalenkonzentrator verwendet einen schalenförmigen Parabolspiegel, um das Sonnenlicht in einem einzigen Brennpunkt zu konzentrieren, an dem sich ein Empfänger befindet. Im Gegensatz zu Parabolrinnenkonzentratoren, die das Licht entlang einer Linie konzentrieren, geschieht dies bei Parabolrinnenkonzentratoren an einem Punkt, wodurch sehr hohe Temperaturen erreicht werden können.
Ein Vorteil von Parabolschüsseln besteht darin, dass sie von einem Stirlingmotor angetrieben werden können, einem Motortyp, der Wärme in Bewegung umwandelt, ohne dass Dampf oder Turbinen erforderlich sind.
Besonders nützlich sind diese Motoren bei dezentralen Anwendungen, bei denen die erzeugte Energie sofort genutzt oder gespeichert werden kann.
Auch sie weisen einen relativ hohen Wirkungsgrad auf, sind jedoch in der Regel teurer und erfordern ein zweiachsiges Solarnachführungssystem.
Parabolschalenkonzentratoren können Temperaturen von bis zu 750 °C erreichen, da sie das Sonnenlicht an einem einzigen Punkt konzentrieren. Damit sind sie ideal für den Betrieb von Stirlingmotoren geeignet, die Wärme direkt in Strom umwandeln, ohne dass eine Turbine erforderlich ist. Jede Parabolantenne erzeugt zwischen 3 und 25 kW.
Beispiele
Das Parabolantennenprojekt Big Dish in Canberra, Australien (im Bild) ist ein Beispiel für eine Installation in kleinerem Maßstab.
5. Fresnel-Linsenkonzentratoren
Dieser Konzentratortyp verwendet eine Fresnel-Linse anstelle von Spiegeln. Fresnel-Linsen sind flache Linsen aus mehreren konzentrischen Ringen, die eine Konzentration des Lichts an einem Punkt ermöglichen, ohne dass sie so viel Dicke benötigen wie eine herkömmliche Linse. Sie sind dafür bekannt, dass sie eine Lichtbündelung in einem kompakten und leichten Design ermöglichen.
Sie werden eher in Photovoltaik-Solaranwendungen als in thermischen Anwendungen eingesetzt. Das heißt, das konzentrierte Licht wird direkt zur Stromerzeugung mittels Solarzellen genutzt.
Diese Systeme werden typischerweise in kleinen bis mittelgroßen Installationen und tragbaren Anwendungen wie in Fahrzeugen und Gebäuden eingesetzt. Obwohl sie günstiger als andere Konzentratoren sind, ist ihr Wirkungsgrad etwas geringer und sie neigen zur Überhitzung, sodass sie oft ein Kühlsystem benötigen.