Solarkraftwerk

80 Prozent Wirkungsgrad dank Solarkonzentration

30.12.15 | Autor / Redakteur: Marco Schmid* / Franz Graser

Bild 1: Die Embedded-Anwendung der „Sonnenblume“ ist grafisch mit LabVIEW programmiert und wird als robuster Echtzeit-Code auf Linux und ARM-Mikrocontroller betrieben.
Bild 1: Die Embedded-Anwendung der „Sonnenblume“ ist grafisch mit LabVIEW programmiert und wird als robuster Echtzeit-Code auf Linux und ARM-Mikrocontroller betrieben. (Bild: Schmid Elektronik)

Eine neue Generation der Solartechnik bringt mehrfachen Nutzen für den Anwender. Wo immer er auch wohnt – er erhält Elektrizität, Kühlung im Sommer, Wärme im Winter und jederzeit sauberes Trinkwasser. Der Schlüssel dazu ist die Konzentration von Sonnenenergie mit Hilfe einer Parabolschüssel.

Jeder, der schon einmal mit Lupe und Sonne experimentiert hat, kennt die Wirkung gebündelter Solarkraft. Dank der Kombination hocheffizienter Solarzellen und eines aktiven, von IBM entwickelten Kühlsystems steigt der Wirkungsgrad bis zu 80 Prozent. Ein Tracking-System führt die Schüssel um zwei Achsen immer direkt der Sonne nach. Daher rührt ihr informeller Name „Sonnenblume“. Der Clou: das Hirn der Anlage ist Embedded-Hardware, die grafisch mit LabVIEW programmiert wird!

Die 10 Meter hohe und 10 Tonnen schwere Sonnenblume hat eine Lebensdauer von bis zu 60 Jahren. Sie liefert an einem sonnigen, wolkenlosen Tag 32 kW Leistung, was über eine Zeitdauer von 10 Stunden (zum Beispiel in einer Wüstenregion) 320 Kilowattstunden Energie pro Tag erzeugt, womit mehrere durchschnittliche Haushalte versorgt werden können. Eine größere Anlage mit mehreren Sonnenblumen könnte demnach genügend Energie und Wasser für ein Dorf liefern. Die Sonnenblume besteht im Kern aus folgenden drei Systemkomponenten:

Bild 2: Die Parabolschüssel (links) konzentriert Sonnenenergie über elliptische Spiegel beim IBM-Receiver im Brennpunkt. Sie ist mit einer Membran geschützt und hält im Innern ein konstantes Mikroklima (rechts) aufrecht (Temperatur, Feuchte, Druck).
Bild 2: Die Parabolschüssel (links) konzentriert Sonnenenergie über elliptische Spiegel beim IBM-Receiver im Brennpunkt. Sie ist mit einer Membran geschützt und hält im Innern ein konstantes Mikroklima (rechts) aufrecht (Temperatur, Feuchte, Druck). (Bild: Schmid Elektronik)

Optik: Eine 40 Quadratmeter große Parabolschüssel enthält 36 elliptische Spiegel (Bild 2). Diese sind mit einer nur 0.2 Millimeter dünnen, silberbeschichteten Kunststofffolie verbunden. Sie ähnelt der Verpackungsfolie von Schokolade und wird mit kontrolliertem Unterdruck verformt und an die gekrümmten Spiegel gesaugt. Damit bündeln sie die Sonnenstrahlen im Brennpunkt auf das 2000-fache ihrer Energie. Eine luftgefüllte, klimageregelte Kunststoffhülle schützt einerseits vor Regen, Hagel und Staub und andererseits Vögel gegen Verletzungen.

Empfänger: Im Brennpunkt der Parabolschüssel trifft die konzentrierte Sonnenenergie auf 6 Empfänger (Receiver), die jeweils mit 36 Photovoltaik-Thermischen Multizellenempfängern bestückt sind. Im Laufe eines sonnigen Tages kann jede dieser einen Quadratzentimeter großen Zellen bis zu 57 W produzieren, was einer Gesamtleistung von 12 kW entspricht. Ohne Kühlung würden die Zellen jedoch bei 1500 Grad verglühen.

Dies verhindert ein von IBM für ihre Supercomputer entwickeltes Kühlsystem, das Verlustleistung in thermische Energie konvertiert. Mikrokanäle unter den Zellen bringen dabei 85-90 Grad heißes Wasser bis auf wenige Zehntelmillimeter an diese heran und halten deren Betriebstemperatur auf 105 Grad. Dabei werden zusätzliche 20 Kilowatt gewonnen, was zum Beispiel für Entsalzungsanlagen genutzt werden kann. Inspiration für diese Kühltechnik war das hierarchisch verzweigte Blutsystem im menschlichen Körper.

Tracker: Für bestmöglichen Wirkungsgrad wird die Schüssel per Tracking kontinuierlich der Sonne nachgeführt. Das geschieht in mehreren Phasen. Zuerst ermittelt der Tracker dank aktueller Meteodaten die ungefähre Lage der Sonne und führt eine Grobpositionierung der Schüssel aus. Anschließend ermittelt ein Sonnensensor den aktuellen Positionsvektor und regelt die Schüssel nach.

Bild 3: Ein zweiachsiges Trackingsystem (links) bestehend aus Schrittmotor und Encoder führt die Parabolschüssel (rechts) per Sensor der Sonne nach und sorgt damit für optimalen Wirkungsgrad.
Bild 3: Ein zweiachsiges Trackingsystem (links) bestehend aus Schrittmotor und Encoder führt die Parabolschüssel (rechts) per Sensor der Sonne nach und sorgt damit für optimalen Wirkungsgrad. (Bild: Schmid Elektronik)

Schließlich wird sie kontinuierlich zur Sonne hin ausgerichtet. Dabei wird die Ausleuchtung aller Photovoltaikzellen gemessen und der Tracker für bestmöglichen Ausgleich nachjustiert. Das Tracking geschieht über zwei Schrittmotorachsen mit Absolut-Encodern in der Rückführung (Bild 3).

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Das ist alles nicht neu, scheiterte aber an der Konstruktion und der geringen Temeraturdifferenz,...  lesen
posted am 17.02.2016 um 13:30 von Opaheini

Die Anlage kombiniert mit der Thermovoltaik (=Strom aus jeder Wärme- und Abwärmequelle) würde im...  lesen
posted am 17.02.2016 um 12:41 von Unregistriert

@ HieronymusFischer „Allerdings ist dieses Konzept nach meinem Wissen nicht neu (höchstens die...  lesen
posted am 02.09.2015 um 20:03 von MarcoSchmid

„Sie liefert an einem sonnigen Tag insgesamt 32 Kilowatt“: Was ich mit diesem Satz eigentlich...  lesen
posted am 02.09.2015 um 19:58 von MarcoSchmid

Die bolometrische (das komplette elektromagnetische Spektrum umfassende) Sonneneinstrahlung in der...  lesen
posted am 01.09.2015 um 11:45 von HieronymusFischer


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