Die Direktstrahlung der Sonne kann mit Spiegeln und Linsen konzentriert werden.
Durch konzentrierende Kollektoren wird aber der Diffusstrahlungsanteil der Glo-balstrahlung nicht genutzt, und dadurch ist der Wirkungsgrad bezogen auf die Globalstrahlung von vornherein geringer
Abbildung 36 : Hyd-raulisches Verschal-tungsschema des
Kollektorfeldes.
Abbildung 37 : Kos-ten der installierKos-ten Anlage für den
End-kunden inklusive MWST, ohne Berücksichtigung allfälliger Förderung.
Gesamt-kosten 76 150 Fr.
(inklusive MWSt).
kalt warm
Nebenarbeiten Montage 24%
Speicher 13%
Montage Kollektorfeld 15%
Solarkreiskomponenten 10%
Materialien für Kollektrofeld 13%
Kollektoren 25%
als bei nicht-konzentrierenden Kollekto-ren. Andererseits können aber durch die Konzentration der Strahlung deutlich hö-here Kollektortemperaturen erreicht wer-den. Mit nicht-konzentrierenden Kollek-toren sind selbst mit guten Vakuumröh-renkollektoren Wirkungsgrade über 30 % nur bis Temperaturen unter 200 °C mög-lich. Die Nutzung der Solarstrahlung für höhere Temperaturen ist nur durch Kon-zentration der Direktstrahlung möglich.
Abbildung 38 zeigt die prinzipiellen Reflektorkonstruktionen für Linienkon-zentration ( Parabolrinnenkollektor und Fresnelkollektor) und für Punktkonzentra-tion ( Dish-Konzentrator und Solarturm-kraftwerk). Durch die Strahlungsphysik sind die theoretisch maximal erreichbaren Konzentrationen C (C=Eintrittsfläche/Ab-sorptionsfläche) für Linienkonzentration 215 und für Punktkonzentration 46225.
In der Praxis erreichen Kollektoren etwa die Hälfte dieser Konzentrationswerte. In Parabolrinnenkollektoren (Abbildung 39) wird Thermoöl auf 400 °C oder mehr er-hitzt. Die Aperturweite der Reflektoren
beträgt etwa 6 m. Sie konzentrieren die Direktstrahlung auf das Absorberrohr von 70 mm Durchmesser. Der Receiver be-steht aus dem selektiv beschichteten Ab-sorberrohr, das sich in einer evakuierten Glasröhre befindet. Die Kollektorreihen sind mehrere hundert Meter lang und werden einachsig der Sonne nachgeführt.
Die Energie des solar erhitzten Thermoöls wird über Wasserdampf und einen kon-ventionellen Stromgenerator in elektri-sche Energie umgewandelt. Die typielektri-sche Einheit eines Solarkraftwerkes hat eine elektrische Leistung von 50 MWel. Im Jahr 2012 waren weltweit Anlagen mit einer Leistung von insgesamt 2600 MWel instal-liert, die jährlich Elektrizität von ca. 4,6 TWh produzieren. Solarthermische Kraft-werke stehen in Konkurrenz zu grossen PV-Anlagen, bei denen gerade in den letzten Jahren deutliche Kostenreduktio-nen erzielt wurden. Allerdings haben so-larthermische Kraftwerke die Möglich-keit, über Wärmespeicher (bei 400 °C!) Energie zu speichern, wodurch die Strom-produktion auch in die Nacht verlängert
Réflecteur
Tube d’absorbeur
Absorberrohr
Absorber
Absorber Réflecteurs
Réflecteurs Réflecteur
Abbildung 38 : Konzentrierende Kollektoren. Einach-sig nachgeführte Reflektoren für Lini-enkonzentratoren (oben), Zweiachsig nachgeführte Re-flektoren für Punkt-konzentratoren (unten).
Beispiele von konzentrierenden Kraftwerks kollektoren mit Abbildung 39 : Parabolrinnenkollektoren für
industrielle Prozesswärme von 200 °C (ewz).
Abbildung 40 : Dish-Konzentrator mit Stirling-Motor (Volker Quaschning).
Abbildung 41 : Solarturmkraftwerk mit Heliostatenfeld (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, DLR).
werden kann und sie zur Regelung der stark fluktuierenden regenerativen Strom-produktion beitragen können.
Im Prinzip gleich aufgebaut sind Parabol-rinnenkollektoren, die in der Industrie (z. B.
Molkereien, Brauereien, pharmazeutische Industrie, solarthermische Kälteanlagen) für Prozesswärmeanwendungen bis etwa 250 °C eingesetzt werden. Die Dimensio-nen dieser Kollektoren liegen typischer-weise bei Aperturweiten von 2 m, Absor-berrohrdurchmessern von 35 mm und Kollektorlängen von 20 m bis 40 m).
Beim Solarturmkraftwerk wird über Helio-staten Solarstrahlung auf den oben links sichtbaren Receiver konzentriert. Als Fluid werden Gase verwendet. Im Prinzip sind aufgrund der grösseren Konzentrations-werte höhere Betriebstemperaturen (1300 °C) möglich, womit bessere thermo-dynamische Bedingungen für hohe Wir-kungsgrade der Kreisprozesse zur Strom-erzeugung gegeben sind. Bislang gibt es allerdings nur sehr wenige kommerzielle solare Turmkraftwerke.
Quellen
Volker Quaschning: Regenerative Ener-giesysteme, Hanser-Verlag ISBN 978-3-446-43526-1 (2013, 8. Auflage). Stan-dardlehrbuch; inklusive DVD mit umfangreicher Software-Sammlung zur Simulation regenerativer Energiesysteme.
Viktor Wesselak, Thomas Schabbach:
Regenerative Energietechnik, Springer Verlag, ISBN 978-3-540-95881-1 (2009).
Lehrbuch, etwas mehr technische Details zu Kollektoren und ihrer physikalischen Modellierung.
Swissolar: Leitfaden Solarthermische Anlagen, ISBN 978-3-9805738-8-7, (2013).
Ein sehr praxisnaher Leitfaden für das SHK-, Elektro- und Dachdeckerhandwerk, Fachplaner, Architekten, Bauherren und Weiterbildungsinstitutionen.
John A. Duffie & William A. Beckman:
Solar Engineering of Thermal Processes, (ISBN 978-0-471-69867-8 (2006, 3rd Edition). Standardwerk der Solarthermie.
Polysun: Eine kostenlose Demoversion dieses Simulationsprogramms kann unter www.velasolaris.com bezogen werden.
Abbildung 44 (oben): Kennlinie für verschiedene Einstrahlungen bei 25 °C Zelltempera-tur.
Abbildung 45 (un-ten): Kennlinie für verschiedene Tem-peraturen bei einer Sonneneinstrahlung von 1000 W/m2.
Solarzelle
Funktionsweise
In der Solarzelle (auch Photovoltaikzelle, PV-Zelle) wird Licht in Strom umgewandelt.
Durch den photoelektrischen Effekt, für dessen Beschreibung Albert Einstein 1921 mit dem Nobelpreis geehrt wurde, wird die Energie von Photonen (Licht) auf Elektro-nen übertragen. Dies führt zu einer Span-nung zwischen der Vorder- und der Rück-seite einer Solarzelle. Die Spannung ist ab-hängig vom Material der Solarzelle und beträgt bei Silizium ca. 0,5 bis 0,6 Volt.
Elektrische Eigenschaften
Fällt Licht auf eine nicht angeschlossene Solarzelle, hat diese eine bestimmte Leer-laufspannung UOC. Wird ein Verbraucher an die Zelle angeschlossen, so fliesst Strom durch den Verbraucher und die Zellspan-nung sinkt. Im Extremfall (Kurzschluss) ist die Spannung null und der Strom ent-spricht dem Kurzschlussstrom ISC. Die ma-ximale Leistung gibt die Zelle dann ab, wenn das Produkt aus Strom und Span-nung (also die Leistung) maximal ist. Die-ser Betriebspunkt wird Maximum Power Point (MPP) genannt, der zugehörige Strom IMPP und die zugehörige Spannung UMPP (Abbildung 43).
Abbildung 42 (oben): Aufbau und
Funktionsprin-zip einer kristalli-nen Silizium-Solar-zelle (Swissolar).
Abbildung 43 (unten): Strom und
Leistung als Funk-tion der Spannung
bei Standard-Test-bedingungen (STC).
Siehe auch Kasten Watt-Peak auf Seite 44.
Gleichstrom
Silizium-schicht
Lichtquanten heben Elektronen auf das höhere Potenzial, wo sie von den Leiterbahnen aufgefangen werden.
Antireflexionsschicht
Spannung U [V]
Leistung P [W]
ISC
1,00 kW/m2 Einstrahlung 0,75 kW/m2
0,50 kW/m2 0,25 kW/m2 8
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Spannung U [V]
ISC Spannung U [V]
Christof Bucher
Die Spannung der Zelle ist abhängig vom Zellmaterial sowie dessen Temperatur. Pro Grad Celsius Temperaturerhöhung sinkt die Spannung um knapp 0,5 % (Abbil-dung 45). Der Strom hingegen ist propor-tional zur Einstrahlung (Abbildung 44), der Fläche der Zelle und deren Wirkungsgrad.
Eine Sechszoll-Standard-Siliziumzelle hat typischerweise einen Kurzschlussstrom von 8 Ampère.
Arten von Solarzellen
Solarzellen können aus verschiedenen Ma-terialien hergestellt werden. Silizium steht mit einem Weltmarktanteil von 90 % aber klar an der Spitze. In Tabelle 9 sind die wichtigsten Technologien und ihre Rele-vanz aufgeführt. Die grössten Vorteile von Silizium sind die schier unbegrenzte Ver-fügbarkeit des Materials sowie der relativ hohe Wirkungsgrad. Andere Materialien konnten sich bisher nur in Nischenmärkten durchsetzen, beispielsweise Mehrschicht-zellen aus Indium, Gallium, Phosphor, Ar-sen und Germanium, welche dank ihrer hohen Wirkungsgrade unter anderem in Weltraumapplikationen Verwendung fin-den. Neben einer aufwändigen Herstel-lung ist dabei die Verfügbarkeit der Roh-stoffe ein limitierender Faktor.