Aktive thermische Nutzung
Sonnenkollektoren
Sonnenkollektoren in Flachbauweise arbeiten nach dem folgenden einfachen Prinzip: Auf dem Kollektor befindet sich ein Absorber, der meist aus Kupfer besteht und die Sonnenstrahlung aufnimmt. Die Aufnahme der Sonnenstrahlung kann durch eine selektive Beschichtung immens gesteigert werden. Mit dem Absorber verbunden sind Rohrleitungen, durch die ein Wärmeträger, in der Regel Wasser mit Frostschutzmittel, zirkuliert. Eine Glasscheibe über dem Absorber dient als Schutz vor Witterungseinflüssen und reduziert den Wärmeverlust. Durch eine gute Isolation der Rückseite des Kollektors wird ebenfalls der Wärmeverlust minimiert. Der erwärmte Wärmeträger wird dann in ein Wärmespeichersystem geleitet, wo die aufgenommene Wärmeenergie gespeichert und bei Bedarf für Heizung oder Warmwasser genutzt werden kann.
Bei der Verwendung von Vakuumröhren als Sonnenkollektoren kann der Wirkungsgrad im Vergleich zu den einfachen Sonnenkollektoren erhöht werden. Während herkömmliche Flachkollektoren einen Wirkungsgrad von etwa \(60\,\%\) aufweisen, können Vakuumröhrenkollektoren einen Wirkungsgrad von bis zu \(90\,\%\) erreichen.
Vakuumröhrenkollektoren bestehen aus einem Röhrensystem, das in einem Vakuum versiegelt ist. Jede Röhre besteht aus einer äußeren Glasröhre und einer inneren Metallröhre, die mit einer Absorberschicht versehen ist. Das Vakuum zwischen den Röhren dient als Isolationsschicht und minimiert den Wärmeverlust durch Konvektion und Wärmeleitung. Obwohl Vakuumröhrenkollektoren aufgrund ihrer höheren Leistungsfähigkeit attraktiv sind, sind sie im Vergleich zu herkömmlichen Flachkollektoren verhältnismäßig teurer.
Um sicherzustellen, dass bei niedrigen Temperaturen keine Energie vom Wärmespeicher auf den Wärmeträger übertragen wird, ist eine Steuerung erforderlich. Diese Steuerung vergleicht die Temperaturen im Wärmespeicher und im System und schaltet die Umwälzpumpe nur ein, wenn der Wärmeträger eine höhere Temperatur aufweist als das Wasser im Wärmespeicher.
Abbildung: Aufbau und Energiefluss eines einfachen Flachkollektors
Konzentrierende Kollektoranlagen
In Deutschland können mit den oben beschriebenen Sonnenkollektoren Temperaturen von bis zu \(100\,°C\) erreicht werden. In Systemen, die das Sonnenlicht fokussieren, ist es möglich, noch höhere Temperaturen zu erzielt, was für den sinnvollen Betrieb einer Dampfturbine unabdingbar ist. Diese Systeme erfordern direktes Sonnenlicht und sind daher nur in Gebieten mit hoher Direkteinstrahlung sinnvoll einsetzbar. Es gibt verschiedene Arten von Fokussierungsvorrichtungen, von denen einige bereits in Pilotanlagen realisiert wurden. Allen gemeinsam ist, dass sie durch große Reflektorflächen die einfallende Direktstrahlung auf eine Absorberfläche konzentrieren.
Eine der Varianten sind Parabolrinnenanlagen. Diese bestehen aus lang gestreckten Spiegelrinnen mit einem parabolischen Querschnitt. Dadurch wird die einfallende Direktstrahlung auf die Brennlinie fokussiert. An dieser Stelle befindet sich ein Absorberrohr, das von einem Wärmeträger durchströmt wird. Dadurch kann entweder direkt oder über einen Wärmetauscher eine Turbine angetrieben werden, um Strom auf konventionelle Weise während der Sonnenstunden zu erzeugen. Dies ist besonders sinnvoll, wenn ein hoher Strombedarf während der heißen Tageszeit besteht, beispielsweise für den Betrieb von Klimaanlagen zur Raumkühlung. Die Parabolspiegel müssen dem Sonnenstand nachgeführt werden, um möglichst hohe Strahlungswerte zu erzielen.
Abbildung: Schema einer Parabolrinnenanlage