Klassische Silizium-Halbleiter-Solarzellen, werden zum Bsp. verkauft mit einer Peak-Leistung von 300 Watt für 400 Euros:
Der Hersteller gibt an: 295 kWh pro Jahr bei einer Südausrichtung, 260 kWh bei einer Ost/West-Ausrichtung. Das sind im Mittel 0.75 kWh pro Tag. Bei einer mittleren Tagesdauer von 12 Stunden (das ist überall auf unserer Erdkugel gleich) sind das nur 750/12 ≈ 60 Watt, über den Tag gemittelt. (Die Nacht rechnen wir nicht mit.) Das ergibt einen Anschaffungspreis von 6700 € pro erzeugtem Kilowatt (über’s Jahr gemittelt).
Dieser Technologie und diesem Preis stellen wir nachfolgend unsere Konzepte gegenüber.
Wir wandeln die Energie der Sonnenstrahlung nicht direkt in elektrische Energie, sondern zuerst in Wärme und dann in elektrische Energie, weil die baulichen Komponenten für die Herstellung solcher Energiewandler kostengünstiger sind, als großflächige Silizium-Halbleiterchips:
Herzstück unserer Anlange ist die Umwandlung von Sonnenlicht in Wärme. Das sind Thermosolar-Panels. Es ist lediglich eine schwarz lackierte Metallfläche, die Sonnenwärme aufsammelt. Im Inneren fließt eine Flüssigkeit (zum. Bsp. Öl), die die thermische Energie zur Weiterverarbeitung abtransportiert. Öl ist günstiger als Wasser, weil die höhere Temperatur den Wirkungsgrad den Wirkungsgrad der nachfolgenden Wärmekraftmaschine verbessert.
Anforderungen:
→ möglichst große Fläche
→ preisgünstige Herstellung
→ Ggf. Mitführung mit der Sonnenposition
→ Temperaturoptmierung der Flüssigkeit (Öl)
Am kostengünstigsten ist ein flächiges dünnwandiges Metall (mit Sicken), oder ein Satz dünnwandiger Rohre. Im Falle der Stromerzeugung optimiert eine hohe Betriebstemperatur den thermodynamischen Wirkungsgrad nach dem zweiten Hauptsatz. Im Falle der Versorgung einer Kühlschranks und zur Wassererzeugung ist die Öltemperatur an den Verbraucher (Dampfmaschine bzw. Kompressor-Kühlschrank, auch Absorberkühlschrank) anzupassen.
-> Antrieb einer Dampfmaschine zum weiteren Antrieb eines Stromgenerators.
Je höher die obere Temperatur ist, um so besser der Wirkungsgrad. Können wir zum Beispiel mit T kalt =27°C und T heiss =300°C arbeiten, so ist η≈47%. Für T heiss =500°C ergäbe sich η≈61%. Die Durchflussgeschwindigkeit des Wärmetransport-Öls (vom Thermosolar-Kollektor in die Dampfmaschine) muss mittels einer geeigneten Steuerung/Regelung an die von der Dampfmaschine abgeführte Leistung angepasst werden (temeraturbeständige Ölpumpe erforderlich), um einen Temperatur-konstanten Betrieb der Dampfmaschine zu erzielen. Der Stromgenerator muss an die Leistung der Dampfmaschine angepaßt werden.
- Im Falle feststehender Thermosolar-Kollektoren muß der Betrieb mit einer in einem relativ weiten Bereich variablen Leistung ermöglicht werden.
- Im Falle nachgeführter Thermosolar-Kollektoren (Drehung gemäß der Position der Sonne) ist die Veränderung der Leistung weniger stark ausgeprägt.
- Die Entscheidung über eine mögliche Nachführung (oder nicht) ergibt sich im Laufe der Entwicklungsarbeiten aus der Antwort auf die Frage: Was ist preisgünstiger bei gleichem Leistungsoutput – eine Nachführung oder großflächigere Thermosolar-Kollektoren ?
Kosten für das Blech: Dünnwandiges Stahlblech ist in Deutschland versandfertig in kleinen Platten (hinreichender Dicke) für 30 Euros pro Quadratmeter zu bekommen. In Afrika ist das deutlich billiger. Sicherheitshalber rechne ich pessimistisch und verwende diesen Preis in dem Wissen, dass große Mengen vom Metallhersteller auf Coil wesentlich günstiger sind. Zwei Platten, eine unten und eine oben, zwischen denen das Öl läuft, macht weniger als 60 €/m².
Erzielte thermische Leistung: Solarkonstante = 1,368 kW/m².
Ausbeute 12 Stunden pro Tag zu 40% (wegen Absorption von Sonnenstrahlung in der Atmosphäre und wegen der Bewegung der Sonne, wieder pessimistisch gerechnet) gibt 550 Watt · 12 Stunden = 6600 Wh jeden Tag pro Quadratmeter Kollektorfläche. Wir bleiben bei 550 Watt thermischer Leistung im Tagesmittel pro Quadratmeter Solar-Kollektorenfläche.
Erzielte mechanische Leistung: Mit der thermischen Leistung treiben wir eine Dampfmaschine, optimalerweise einen Sterling-Motor. Da (aufgrund mechanischer Reibungsverluste und aufgrund von Wärmeverlusten) erfahrungsgemäß der reale Wirkungsgrad etwa zwei Drittel des idealen Wirkungsgrades erreicht, rechnen wir mit η ≈ ⅔ · 47% ≈ 30%
=> Die mittlere mechanische Leistung im Tagesmittel liegt als bei 30% · 550 Watt ≈ 165 Watt (vorsichtiger Wert).
Erzielte elektrische Leistung: Stromgeneratoren haben normalerweise einen guten Wirkungsgrad zwischen 90 % und 95 %. Bezogen auf die soeben berechneten 165 Watt mechanischer Leistung dürfen wir also 150 Watt elektrischer Leistung erwarten, pro Quadratmeter Solar-Kollektorenfläche. Das ist die Rechnung für sonniges Wetter im sonnenreichen Afrika. Für deutsche Verhältnisse würden wir in etwa die 60 Watt/Quadratmeter erhalten, die der Hersteller der Halbleiter-Thermosolarzellen angibt.
Vergleich der Wirkungsgrade: Der Wirkungsgrad unserer Thermalsolarzellen ist also in etwa gleich wie der Wirkungsgrad der Photovoltaik-Halbleiter-Solarzellen.
Vergleich der Anschaffungskosten:
Photovoltaik-Halbleiter-Solarzellen liegen typischerweise im Bereich von 220 … 250 €/m², wie man leicht im Internet recherchieren kann.
Bei gleicher Leistung liegen unsere Thermo-Solarzellen deutlich unter 60 €/m², plus zuzüglich der Kosten für den Sterling-Motor plus Stromgenerator.
Ein realistischer Preis für eine Dampfmaschine liegt bei etwa 8000 … 10000 € für eine 40 … 50 kW-Maschine, mithin rund 200 €/kW. Wenn ich den Preis von 200 €/kW auf die Solarzellenfläche bei 150 Watt/m² umrechnet, erhalte ich 200/1000*150 = 30 € pro m² Solarzellenfläche. Das heißt, dass ich für die Energie, die aus 1 m² Thermo-Solarzellenfläche kommt, 30 € aufwenden muß, um die thermische Energie in mechanische Energie einer umlaufenden Welle zu wandeln.
Stromgeneratoren finde ich bequem und schnell im Internet, einschließlich Dieselmotor mit 5kW unter 1000 €. Lassen wir den Dieselmotor weg, dann wird‘s deutlich billiger, dann schätze ich 10 kW für 1000 € ab (ohne Dieselmotor, den wir nicht brauchen). Das ist die Hälfte dessen, was ich für die Dampfmaschine eingesetzt habe. Das schlägt also zu Buche mit 15 € pro m² Solarzellenfläche.
Damit haben wir für die Thermosolarzelle:
- 60 €/m² für den Solar-Wärme-Kollektor
- 30 €/m² für die Dampfmaschine
- 15 €/m² für den Stromgenerator
- Macht in Summe 105 €/m² bei etwa gleichem Wirkungsgrad wie die Halbleiter-Solarzelle.
Wenn ich die Halbleiter-Solarzelle im Mittel mit 235 €/m² ansetze (siehe oben), dann haben wir bei gleichem Wirkungsgrad und gleicher Leistung nur 105 €/m². Das gibt eine Preisersparnis von 130 €/m², entsprechend 55% billiger. Unsere Thermo-Solarzellen kosten also ein bisschen weniger als die Hälfte der Halbleiter-Solarzellen, bei gleicher Leistung und gleichem Wirkungsgrad. Dabei habe ich zu europäischen Preisen deutlich zu Ungunsten unserer Thermo-Solarzelle gerechnet, wobei ich erwarte, dass die Herstellung zu afrikanischem Preisniveau noch deutlich günstiger für unsere Thermo-Solarzelle ausfällt.
Resumée: Unsere Thermo-Solarzellen kosten (merklich) weniger als die Hälfte klassischer
Halbleiter-Solarzellen, bei gleicher Leistung.