Energiepotential
Sonnenkollektoren
Wirkungsgrade
Anwendungsbereiche
Solartthermische Kraftwerke
Aufwindkraftwerke
Aktuelle Entwicklungen
Energiepotential
Von der Energie der Solarkonstante erreichen etwa 0,5-1 kW/m² die Erdoberfläche. Dieser Wert wird stark beeinflußt von dem Grad der Bewölkung, der Höhenlage über Meeresspiegel, der Tageslänge und dem Sonnenstand (Jahreszeit, geographische Breite). Während die eingestrahlte Energie am Äquator relativ konstant bleibt, wird sie mit zunehmender geographischer Breite jahreszeitenabhängiger, kann jedoch auch aufgrund der längeren Tage in den Sommermonaten höhere Tageswerte als am Äquator erreichen.
In Deutschland beträgt die Einstrahlung über alle Tages- und Jahreszeiten hinweg ca. 1000 kWh/m2 pro Jahr. Die Einstrahlung im Sommer beträgt etwa das fünffache der Einstrahlung im Winter. Die durchschnittlichen Sonnenstunden pro Jahr (Stunden direkter Sonnenstrahlung mit mindestens 0,2 kW/m2) betragen in Deutschland etwa 1.300-1.900 h.
Sonnenkollektoren
Solarwärme wird durch Sonnenkollektoren gewonnen. Sonnenkollektoren wandeln die eingestrahlte Lichtenergie der Sonne direkt in Wärmeenergie um. Sie nutzen das Prinzip des "Treibhaus-Effektes". Dieser Effekt entsteht dadurch, daß Glas für kurzwellige Strahlung (eingestrahltes Licht) durchlässig ist, kaum jedoch für langwellige Strahlung (reflektiertes Licht, Wärmestrahlung). Eine Aufkonzentrierung von Wärme wird somit möglich.
Zentraler Bestandteil eines Sonnenkollektors ist der Absorber, welcher die eingestrahlte Lichtenergie aufnimmt und sich erwärmt. Der Absorber gibt seine Wärme über ein Transportmedium (Glykol/Wasser oder Luft), an den Wärmeverbraucher ab. Wegen der günstigen Absorptionseigenschaften von dunkler Farbe werden meist schwarze Absorber aus Kupfer oder Aluminium eingesetzt, häufig mit Spezialbeschichtungen aus Schwarzchrom, Schwarznickel, mit Nickel pigmentiertem Aluminiumoxid oder Titan-Nitrid-Oxid. Neben Kissenabsorbern sind auch röhrenförmige Absorber verbreitet.
Neben dem Absorber gehören folgende Komponenten zu einem Sonnenkollektor:
Glasscheibe z.T. auch 2 Scheiben wegen besserer Isolierung
Gehäuse Werkstoff: verzinktes Stahlblech, Aluminium, Kunststoff
Isolierung k-Werte zwischen 2,5 und 3,5 W/m2K üblich
Verrohrung
Sonnenkollektoren lassen sich nach verschiedenen Kriterien in Bautypen einteilen.
Gebräuchlich sind Flachkollektoren, Röhrenkollektoren (häufig mit Trennung von Wärmeerzeugungsrohr und Wärmetransportmedium durch Wärmetauscher) sowie Vakuumkollektoren (Reduktion von Konvektionsverlusten). Konzentrierende Kollektoren mit Spiegeln oder Linsen spielen vor allem bei solarthermischen Kraftwerken eine Rolle.
Bei der Art der Umwälzung des Transportmediums unterscheidet man eine Schwerkraftumwälzung und eine Zwangsumwälzung (Pumpe), nach der Trennung der Medien ein offenes System (ohne Wärmetauscher mit Wasser als direkt genutztem Medium) und ein geschlossenes System (mit Wärmetauscher und Frostsicherung).
Wirkungsgrade
Das System "Sonnenkollektor" weist Verlustquellen bei der Umwandlung der Lichtenergie in Wärmeenergie auf. Neben Absorption und Reflektion der Glasscheibe kommen auch Konvektion und Wärmeabstrahlung zum Tragen (abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Kollektorinnenraum und Außentemperatur sowie Isolierung) oder zeitweiser Schattenwurf.
Der optische Wirkungsgrad (Konversionsfaktor) hängt ab von der Glasscheibe (Abdeckung) und dem Absorber, der Kollektorwirkungsgrad darüberhinaus vom thermischen Wirkungsgrad. Der Gesamtwirkungsgrad beträgt in der Praxis bis zu 50 %.
In der Literatur wird häufig auch für den Anteil der aufgenommenen zur eingestrahlten Energie der Begriff "Absorptionsgrad " verwendet, sowie "Emissionsgrad" für den Anteil der rückgestrahlten langwelligen Wärmeenergie zur eingestrahlten Energie.
Anwendungsbereiche
Anlagen zur Nutzung der Solarwärme werden überwiegend als dachgebunde Anlagen (Sonnenkollektor-Systeme) auf Privatwohnungen zur Erzeugung des Eigenbedarfs an Warmwasser eingesetzt. Dieser Anwendungsbereich ist in den meisten Fällen bereits wirtschaftlich, da über das ganze Jahr hinweg über 80-90% des Warmwasserbedarfs gedeckt werden können.
Zur Raumheizungsunterstützung hat sich die Solarwärme auch schon etabliert. Eingesetzt wird Solarwärme zunehmend als Ergänzung bei Niedrig-Energiehäusern, die über Fußboden-Heizsysteme mit geringeren Vorlauftemperaturen auskommen.
Eine ganzjährige Deckung der Raumheizwährme konnte sich noch nicht durchsetzen , da Wärmeproduktion und Wärmebedarf zeitlich zu stark voneinander abweichen. Hierfür muss die saisonale Wärmespeichertechnik forciert werden. Zunehmend praxisreif (vor allem im Ausland) ist die Kombination von Solarwärmenutzung und Wärmepumpen mit integriertem Wärmespeicher in der Erde, wodurch der Solarwärme auch der Anwendungsbereich der Raumheizung geöffnet wird.
Solartthermische Kraftwerke
Die Funktion solarthermischer Kraftanlagen beruht auf einem Konzentrationsprozeß der Solarwärme auf ein Niveau, welches zum Betrieb von Kraftwerkturbinen geeignet ist. Die Solarwärme entsteht durch die Umwandlung von eingestrahlter Lichtenergie in Wärmeenergie in Sonnenkollektoren. Die bestehenden solarthermischen Anlagen bzw. Systeme haben zur Zeit noch überwiegend Pilotcharakter.
Da mit üblichen Flachkollektoren das erforderliche Temperaturniveau nicht erreicht werden kann, werden für die Solarthermie konzentrierende Kollektorsysteme verwendet, die Nutztemperaturen bis 1000 °C erzeugen können. In diesen konzentrierenden Systemen wird lediglich der Anteil direkter Strahlung von der Globalstrahlung genutzt. Die weitere Umwandlung der Wärmeenergie in elektrische Energie entspricht derjenigen herkömmlicher Dampf- oder Gasturbinenkraftwerke. Das kreislaufgeführte Dampf-/Kondensationsmedium ist entweder die Absorberflüssigkeit selbst (Thermoöl, Wasser) oder ein über Wärmetauscher getrennter Wasserkreislauf.
Derzeit befinden sich zwei konzentrierende Kollektorsysteme im Einsatz, das Parabolrinnenkraftwerk (Solarfarm) und das Spiegelfeldkraftwerk (Solarturm).
-Beim Parabolrinnenkraftwerk erfolgt eine lineare Konzentrierung des Lichtes in einer Vielzahl von Parabolrinnen, für die entsprechend eine einachsige Nachführungstechnik ausreicht. Die Erwärmung findet in sehr langen Schlauchsystemen statt, in denen ein Temperaturniveau von bis zu 500 °C erreicht wird. Für den Einsatz einer Dampfturbine ist insofern eine Zusatzfeuerung erforderlich.
-Beim Spiegelfeldkraftwerk erfolgt eine punktgenaue Konzentrierung des Lichtes durch eine Vielzahl von Spiegeln (Heliostaten), für die entsprechend eine zweiachsige Nachführungstechnik erforderlich ist. Die Erwärmung findet in einem Punkt statt, in der Regel der Spitze eines Turmes, wo ein Temperaturniveau von bis zu 1000 °C erreicht werden kann. Eine Zusatzfeuerung für den Turbineneinsatz ist hier nicht erforderlich.
Aufwindkraftwerke
Das Aufwindkraftwerk stellt einen Sonderfall der Nutzung von Solarwärme dar. Es beruht auf dem Prinzip des Kaminzugs und wandelt die eingestrahlte Lichtenergie indirekt in mechanische bzw. elektrische Energie um. Die Technik ist in einem Prototyp-Kraftwerk in Manzanares, Spanien eingesetzt worden.
Das Aufwindkraftwerk besteht aus einer riesigen Kuppel mit transparenter Abdeckung (Glas oder Folie), unter welcher sich die Luft nach dem Treibhaus-Effekt erwärmt, und einem zentralen Kamin, in welchem durch den Kaminzug die erwärmte Luft nach oben strömt und dabei eine Windturbine mit angeschlossenem Generator antreibt.
Zu den Vorteilen des Aufwindkraftwerkes zählt im Vergleich zu den konzentrierenden Systemen die Nutzungsmöglichkeit der diffusen Strahlung und die Verlängerung der Nutzungsdauer über Wärmespeicher, die einen Anteil der tagsüber eingestrahlten Energie nachts als Wärme freisetzen können.
Zu den Nachteilen zählt die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderliche Dimension des Aufwindkraftwerkes, welches eine überdachte Fläche von einigen Quadratkilometern beansprucht und einen Kamin von über 1 km Höhe mit einem Durchmesser von 150-200 m. Als Standorte kommen somit nur entlegene Gebiete wie z.B. Wüsten oder Wüstenränder in Betracht.
Aktuelle Entwicklungen
Die Systeme sind bereits wirtschaftlich darstellbar. Einer der Schwerpunkte der Weiterentwicklungen ist die Verbesserung des Konversionsfaktors durch spezielle Beschichtungen des Absorbers oder auch der Abdeckung.
Durch Strukturierung der Absorberoberfläche im Submikron-Bereich (kleiner als die Wellenlänge des Lichtes) lassen sich Reflexionsverluste offenbar erheblich reduzieren.
Entwicklung saisonaler Wärmespeicher
Neben den Erdspeichern wurde die praxisreife eines Sorptionsspeichers angekündigt. Dabei handelt es sich um eine mit Solarwärme betriebene Wärmepumpe, die periodisch arbeitet. Das Kältemittel ist Wasser und das Sorbens z.B. Silicagel (beim Apparat von UFE Solar und vom Frauenhoferinstitut). Wesentlicher Vorteil dieser Apparate: die Langzeitspeicherung der Exergie (`Arbeitsfähigkeit`) der Wärme ist fast unbegrenzt möglich . Mit der Überschussenergie der Sommermonate wird im Winter die Wärme von einem niederen Temperaturniveau auf das gewünschte Temperaturniveau eingestellt.
Die Lösung des Problems von jahreszeitlich wechselndem Wärmeangebot und Wärmebedarf eröffnet die Möglichkeit rein solarer Heizsysteme und verbessert damit die Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen entscheidend.
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