Solare Kraftwerke: Arten, Komponenten und Arbeitsprinzipien

Solaranlagen sind Systeme, die Sonnenenergie zur Erzeugung von Elektrizität nutzen. Sie können in zwei Haupttypen unterteilt werden: Photovoltaik (PV)-Anlagen und konzentrierende Solaranlagen (CSP). Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenlicht direkt in Elektrizität mithilfe von Solarmodulen um, während konzentrierende Solaranlagen Spiegel oder Linsen verwenden, um Sonnenlicht zu konzentrieren und eine Flüssigkeit zu erhitzen, die eine Turbine oder einen Motor antreibt. In diesem Artikel erklären wir die Komponenten, den Aufbau und den Betrieb beider Arten von Solaranlagen, sowie ihre Vor- und Nachteile.

Was ist eine Photovoltaikanlage?

Eine Photovoltaikanlage ist ein groß angelegtes PV-System, das an das Stromnetz angeschlossen ist und darauf ausgelegt ist, große Mengen an elektrischer Energie aus Sonnenstrahlung zu erzeugen. Eine Photovoltaikanlage besteht aus mehreren Komponenten, wie:

• Solarmodule: Dies sind die grundlegenden Einheiten eines PV-Systems. Sie bestehen aus Solarmodulen, die Licht in Elektrizität umwandeln. Solarmodule sind in der Regel aus Silizium hergestellt, einem Halbleitermaterial, das Photonen absorbieren und Elektronen freisetzen kann. Die Elektronen fließen durch den Schaltkreis und erzeugen einen Strom. Solarmodule können in verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden, wie Serie, Parallel oder Serie-Parallel, abhängig von den Spannungs- und Stromanforderungen des Systems.

• Montagestrukturen: Dies sind die Rahmen oder Gestelle, die die Solarmodule stützen und ausrichten. Sie können fest oder verstellbar sein, je nach Standort und Klima. Feste Montagestrukturen sind günstiger und einfacher, aber sie folgen nicht der Bewegung der Sonne und können die Leistung des Systems reduzieren. Verstellbare Montagestrukturen können die Solarmodule neigen oder drehen, um der Position der Sonne zu folgen und die Energieproduktion zu optimieren. Sie können manuell oder automatisch sein, abhängig vom gewünschten Maß an Steuerung und Genauigkeit.

• Inverter: Diese Geräte wandeln den Gleichstrom (DC), der von den Solarmodulen erzeugt wird, in Wechselstrom (AC) um, der ins Netz eingespeist oder von AC-Lasten genutzt werden kann.

  

• Inverter können in zwei Typen unterteilt werden: Zentralinverter und Mikroinverter. Zentralinverter sind große Einheiten, die mehrere Solarmodule oder -arrays verbinden und eine einzelne AC-Ausgangsspannung liefern. Mikroinverter sind kleine Einheiten, die an jedes Solarmodul oder -panel angeschlossen werden und individuelle AC-Ausgänge liefern. Zentralinverter sind für groß angelegte Systeme kostengünstiger und effizienter, während Mikroinverter für kleinere Systeme flexibler und zuverlässiger sind.

• Laderegler: Dies sind Geräte, die die Spannung und den Strom der Solarmodule oder -arrays regeln, um Überladung oder Über-entladung der Batterien zu verhindern. Laderegler können in zwei Typen unterteilt werden: Pulsweitenmodulation (PWM)-Regler und Maximum Power Point Tracking (MPPT)-Regler. PWM-Regler sind einfacher und günstiger, aber sie verschwenden etwas Energie, indem sie den Ladestrom ein- und ausschalten. MPPT-Regler sind komplexer und teurer, aber sie optimieren die Energieausgabe, indem sie Spannung und Strom an den maximalen Leistungspunkt der Solarmodule oder -arrays anpassen.

• Batterien: Dies sind Geräte, die überschüssige Elektrizität speichern, die von den Solarmodulen oder -arrays erzeugt wird, für späteren Gebrauch, wenn es keine Sonnenlicht gibt oder wenn das Netz ausfällt. Batterien können in zwei Typen unterteilt werden: Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien. Blei-Säure-Batterien sind günstiger und weiter verbreitet, haben aber eine geringere Energiedichte, eine kürzere Lebensdauer und erfordern mehr Wartung. Lithium-Ionen-Batterien sind teurer und weniger verbreitet, haben aber eine höhere Energiedichte, eine längere Lebensdauer und erfordern weniger Wartung.

• Schalter: Dies sind Geräte, die verschiedene Teile des Systems, wie Solarmodule, Inverter, Batterien, Lasten oder Netze, verbinden oder trennen. Schalter können manuell oder automatisch sein, abhängig vom gewünschten Maß an Sicherheit und Steuerung. Manuelle Schalter erfordern menschliche Intervention, um sie zu bedienen, während automatische Schalter auf vordefinierte Bedingungen oder Signale reagieren.

• Zähler: Dies sind Geräte, die verschiedene Parameter des Systems messen und anzeigen, wie Spannung, Strom, Leistung, Energie, Temperatur oder Strahlungsstärke. Zähler können analog oder digital sein, abhängig vom Anzeigetyp und der benötigten Genauigkeit. Analogzähler verwenden Nadeln oder Skalen, um Werte anzuzeigen, während Digitalzähler Zahlen oder Diagramme verwenden, um Werte anzuzeigen.

• Kabel: Dies sind Drähte, die Elektrizität zwischen verschiedenen Komponenten des Systems übertragen. Kabel können in zwei Typen unterteilt werden: Gleichstromkabel und Wechselstromkabel. Gleichstromkabel führen Gleichstrom von den Solarmodulen zu den Invertern oder Batterien, während Wechselstromkabel Wechselstrom von den Invertern zum Netz oder den Lasten führen.

Der Aufbau einer Photovoltaikanlage hängt von mehreren Faktoren ab, wie Standortbedingungen, Systemgröße, Entwurfsziele und Netzwerkanforderungen. Ein typischer Aufbau besteht jedoch aus drei Hauptteilen: Erzeugungsteil, Übertragungsteil und Verteilungsteil.

Das Erzeugungsteil umfasst Solarmodule, Montagestrukturen und Inverter, die Elektrizität aus Sonnenlicht erzeugen.

Das Übertragungsteil umfasst die Kabel, Schalter und Zähler, die Elektrizität vom Erzeugungsteil zum Verteilungsteil übertragen.

Das Verteilungsteil umfasst die Batterien, Laderegler und Lasten, die Elektrizität speichern oder verbrauchen.

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Photovoltaikanlage:

Der Betrieb einer Photovoltaikanlage hängt von mehreren Faktoren ab, wie Wetterbedingungen, Lastbedarf und Netzstatus. Ein typischer Betrieb besteht jedoch aus drei Hauptszenarien: Lademodus, Entlademodus und Netzanschlussmodus.

Der Lademodus tritt auf, wenn es viel Sonnenlicht und geringen Lastbedarf gibt. In diesem Modus erzeugen die Solarmodule mehr Elektrizität, als von den Lasten benötigt wird. Die überschüssige Elektrizität wird durch die Laderegler in die Batterien geladen.

Der Entlademodus tritt auf, wenn es kein Sonnenlicht oder einen hohen Lastbedarf gibt. In diesem Modus erzeugen die Solarmodule weniger Elektrizität, als von den Lasten benötigt wird. Die fehlende Elektrizität wird durch die Batterien über die Inverter bereitgestellt.

Der Netzanschlussmodus tritt auf, wenn das Netz verfügbar ist und die Tarife günstig sind. In diesem Modus erzeugen die Solarmodule Elektrizität, die durch die Inverter ins Netz eingespeist werden kann.

Der Netzanschlussmodus kann auch auftreten, wenn es einen Netzausfall gibt und Notstrom benötigt wird. In diesem Modus erzeugen die Solarmodule Elektrizität, die durch die Inverter von den Lasten genutzt werden kann.

Was ist eine konzentrierende Solaranlage?

Eine konzentrierende Solaranlage ist ein groß angelegtes CSP-System, das Spiegel oder Linsen verwendet, um Sonnenlicht auf einen Empfänger zu konzentrieren, der eine Flüssigkeit erhitzt, die eine Turbine oder einen Motor antreibt, um Elektrizität zu erzeugen. Eine konzentrierende Solaranlage besteht aus mehreren Komponenten, wie:

• Sammler: Dies sind Geräte, die Sonnenlicht auf einen Empfänger reflektieren oder brechen. Sammler können in vier Typen unterteilt werden: parabolische Rinnen, parabolische Schalen, lineare Fresnel-Reflektoren und zentrale Empfänger. Parabolische Rinnen sind gekrümmte Spiegel, die Sonnenlicht auf einen linearen Empfängerröhre fokussieren, die entlang ihrer Brennlinie verläuft. Parabolische Schalen sind konkave Spiegel, die Sonnenlicht auf einen punktförmigen Empfänger am Brennpunkt fokussieren. Lineare Fresnel-Reflektoren sind ebene Spiegel, die Sonnenlicht auf eine lineare Empfängerröhre oberhalb von ihnen reflektieren. Zentrale Empfänger sind Türme, umgeben von einem Array flacher Spiegel, sogenannter Heliostaten, die Sonnenlicht auf einen punktförmigen Empfänger an ihrem oberen Ende reflektieren.

• Empfänger: Dies sind Geräte, die konzentriertes Sonnenlicht absorbieren und es an ein Wärmetransfermedium (WTM) übertragen. Empfänger können in zwei Typen unterteilt werden: externe Empfänger und interne Empfänger. Externe Empfänger sind der Atmosphäre ausgesetzt und haben hohe Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung. Interne Empfänger sind in einem Vakuumgehäuse eingeschlossen und haben geringe Wärmeverluste durch Isolation und Evakuierung.

• Wärmetransfermedien: Dies sind Flüssigkeiten, die durch die Empfänger zirkulieren und Wärme von den Sammlern zum Kraftwerk transportieren. Wärmetransfermedien können in zwei Typen unterteilt werden: thermische Flüssigkeiten und geschmolzene Salze. Thermische Flüssigkeiten sind organische Flüssigkeiten wie synthetische Öle oder Kohlenwasserstoffe, die hohe Siedepunkte und niedrige Gefrierpunkte haben. Geschmolzene Salze sind anorganische Verbindungen wie Natriumnitrat oder Kaliumnitrat, die eine hohe Wärmekapazität und einen geringen Dampfdruck haben.

• Kraftwerk: Hier wird Wärme durch eine Turbine oder einen Motor, gekoppelt mit einem Generator, in Elektrizität umgewandelt. Das Kraftwerk kann in zwei Typen unterteilt werden: Dampfkreislauf und Brayton-Kreislauf. Der Dampfkreislauf verwendet Wasser als WTM und erzeugt Dampf, der eine Dampfturbine antreibt, die mit einem Elektrogenerator verbunden ist. Der Brayton-Kreislauf verwendet Luft als WTM und erzeugt heiße Luft, die eine Gasturbine antreibt, die mit einem Elektrogenerator verbunden ist.

• Speichersystem: Hier wird überschüssige Wärme gespeichert, um sie später zu nutzen, wenn es kein Sonnenlicht gibt oder wenn der Lastbedarf hoch ist. Speichersysteme können in zwei Typen unterteilt werden: sensible Wärmespeicher und latente Wärmespeicher. Sensible Wärmespeicher verwenden Materialien wie Gestein, Wasser oder geschmolzene Salze, die Wärme speichern, indem sie ihre Temperatur ohne Phasenänderung erhöhen. Latente Wärmespeicher verwenden Materialien wie Phasenwechselmaterialien (PCM) oder thermochemische Materialien (TCM), die Wärme speichern, indem sie ihre Phase oder chemische Zustände ohne Temperaturänderung ändern.

Der Aufbau einer konzentrierenden Solaranlage hängt von mehreren Faktoren ab, wie Standortbedingungen, Systemgröße, Entwurfsziele und Netzwerkanforderungen. Ein typischer Aufbau besteht jedoch aus drei Hauptteilen: Sammelbereich, Kraftwerk und Speichersystem.

Der Sammelbereich umfasst die Sammler, Empfänger und WTMs, die Wärme aus Sonnenlicht sammeln und transportieren.