Solarthermie

Solarthermie (STE) ist eine Energieform und eine Technologie zur Nutzung von Solarenergie zur Erzeugung von Wärmeenergie oder elektrischer Energie für den Einsatz in der Industrie, im Wohn- und Gewerbebereich.

Überblick
Solarthermische Kollektoren werden von der United States Energy Information Administration als Niedrig-, Mittel- oder Hochtemperaturkollektoren klassifiziert. Niedrigtemperaturkollektoren werden in der Regel unglasiert und zum Beheizen von Schwimmbädern oder zum Heizen von Lüftungsluft verwendet. Mitteltemperaturkollektoren sind ebenfalls üblicherweise flache Platten, werden aber zum Heizen von Wasser oder Luft für den privaten und kommerziellen Gebrauch verwendet. Hochtemperaturkollektoren konzentrieren Sonnenlicht durch Spiegel oder Linsen und werden im Allgemeinen zur Erfüllung von Wärmebedarf bis zu 300 ° C / 20 bar Druck in Industriezweigen und zur Stromerzeugung verwendet. Zwei Kategorien umfassen Concentrated Solar Thermal (CST) zur Erfüllung des Wärmebedarfs in der Industrie und Concentrated Solar Power (CSP), wenn die gesammelte Wärme zur Stromerzeugung genutzt wird. CST und CSP sind in Bezug auf die Anwendung nicht ersetzbar. Die größten Anlagen befinden sich in der amerikanischen Mojave-Wüste von Kalifornien und Nevada. Diese Pflanzen verwenden eine Vielzahl verschiedener Technologien. Die größten Beispiele sind Ivanpah Solar Power Facility (377 MW), Solar Energy Generating Systems (354 MW) und Crescent Dunes (110 MW). Spanien ist der andere wichtige Entwickler von solarthermischen Kraftwerken. Die größten Beispiele sind Solnova Solarkraftwerk (150 MW), Andasol Solarkraftwerk (150 MW) und Extresol Solarkraftwerk (100 MW).

Niedrigtemperatur-Solar-Heiz- und Kühlsysteme
Systeme zur Nutzung von Niedrigtemperatur-Solarthermie umfassen Mittel zur Wärmesammlung; in der Regel Wärmespeicherung, entweder kurzfristig oder intersaisonal; und Verteilung innerhalb einer Struktur oder eines Fernwärmenetzes. In einigen Fällen ist mehr als eine dieser Funktionen für ein einzelnes Merkmal des Systems charakteristisch (z. B. einige Arten von Sonnenkollektoren speichern auch Wärme). Einige Systeme sind passiv, andere sind aktiv (sie benötigen andere externe Energie).

Heizung ist die naheliegendste Anwendung, aber solare Kühlung kann für ein Gebäude- oder Fernkältenetz erreicht werden, indem eine wärmegetriebene Absorptions- oder Adsorptionskältemaschine (Wärmepumpe) verwendet wird. Es gibt eine produktive Übereinstimmung, dass je größer die Antriebswärme von der Isolierung ist, desto größer ist die Kühlleistung. Im Jahr 1878 leistete Auguste Mouchout Pionierarbeit bei der solaren Kühlung, indem er Eis mit einer Solardampfmaschine an einem Kältegerät anbaute.

In den Vereinigten Staaten entfallen auf Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) mehr als 25% (4,75 EJ) der in gewerblichen Gebäuden verbrauchten Energie (50% in nördlichen Städten) und fast die Hälfte (10,1 EJ) der genutzten Energie in Wohngebäuden. Solare Wärme-, Kälte- und Lüftungstechnologien können verwendet werden, um einen Teil dieser Energie zu kompensieren. Die beliebteste Solarthermie-Technologie zum Beheizen von Gebäuden ist das gebäudeintegrierte, durchsichtige Solarluft-Sammelsystem, das an die HLK-Ausrüstung des Gebäudes angeschlossen wird. Nach Angaben der Solar Energy Industries Association sind in Nordamerika ab 2015 mehr als 500.000 m2 (5.000.000 Quadratfuß) dieser Module in Betrieb.

In Europa wurden seit Mitte der 1990er Jahre etwa 125 große solarthermische Fernheizwerke mit je über 500 m2 Solarkollektoren errichtet. Die größten sind etwa 10.000 m2, mit einer Kapazität von 7 MW – Wärme- und Solarwärme kostet ohne Subventionen rund 4 Cent / kWh. 40 von ihnen haben Nennkapazitäten von 1 MW oder mehr. Das Solar District Heating Programm (SDH) beteiligt sich an 14 europäischen Nationen und der Europäischen Kommission und arbeitet an der technischen und Marktentwicklung und hält jährliche Konferenzen ab.

Niedertemperatur-Kollektoren
Verglaste Solarkollektoren sind in erster Linie für die Raumheizung konzipiert. Sie rezirkulieren die Gebäudeluft durch eine Solarluftplatte, in der die Luft erhitzt und dann zurück in das Gebäude geleitet wird. Diese Solar-Raumheizsysteme benötigen mindestens zwei Durchdringungen in das Gebäude und funktionieren nur, wenn die Luft im Sonnenkollektor wärmer als die Gebäudetemperatur ist. Die meisten verglasten Kollektoren werden im Wohnsektor verwendet.

Unglasierte Solarkollektoren werden vorwiegend zur Vorwärmung von Frischluftzufuhr in gewerblichen, industriellen und institutionellen Gebäuden mit hoher Belüftungsleistung eingesetzt. Sie wandeln Gebäudewände oder Wandabschnitte in kostengünstige, hochleistungsfähige unglasierte Solarkollektoren um. Sie werden auch als „durchsichtige Sonnenkollektoren“ oder „Solarwand“ bezeichnet und verwenden einen lackierten perforierten Metall-Solarwärmeabsorber, der auch als Außenwandfläche des Gebäudes dient. Die Wärmeübertragung an die Luft erfolgt auf der Oberfläche des Absorbers, durch den Metallabsorber und hinter dem Absorber. Die Grenzschicht der solar erwärmten Luft wird in eine nahe gelegene Perforation gezogen, bevor die Wärme durch Konvektion zur Außenluft entweichen kann. Die erwärmte Luft wird dann hinter der Absorberplatte in das Lüftungssystem des Gebäudes gesaugt.

Eine Trombe-Wand ist ein passives solares Heizungs- und Lüftungssystem, das aus einem Luftkanal besteht, der zwischen einem Fenster und einer sonnenabgewandten thermischen Masse angeordnet ist. Während des Ventilationszyklus speichert das Sonnenlicht Wärme in der thermischen Masse und wärmt den Luftkanal auf, was eine Zirkulation durch Öffnungen an der Ober- und Unterseite der Wand bewirkt. Während des Heizzyklus strahlt die Trombe-Wand gespeicherte Wärme ab.

Solardachbecken sind einzigartige Solarheiz- und Kühlsysteme, die in den 1960er Jahren von Harold Hay entwickelt wurden. Ein Basissystem besteht aus einer auf dem Dach montierten Wasserblase mit einer beweglichen isolierenden Abdeckung. Dieses System kann den Wärmeaustausch zwischen Innen- und Außenbereichen steuern, indem es die Blase zwischen Nacht und Tag abdeckt und freilegt. Wenn die Heizung ein Problem darstellt, wird die Blase während des Tages freigelegt, so dass das Sonnenlicht die Wasserblase erwärmen und die Wärme für die Abendnutzung speichern kann. Wenn die Kühlung ein Problem darstellt, zieht die bedeckte Blase tagsüber Wärme aus dem Gebäudeinneren und wird nachts freigelegt, um Wärme an die kühlere Atmosphäre abzugeben. Das Skythherm-Haus in Atascadero, Kalifornien, nutzt einen Prototyp-Dach-Teich zum Heizen und Kühlen.

Die solare Raumheizung mit Solarluftkollektoren ist in den USA und Kanada beliebter als das Heizen mit Solar-Kollektoren, da die meisten Gebäude bereits über ein Lüftungssystem zum Heizen und Kühlen verfügen. Die beiden Haupttypen von Solar-Luftkollektoren sind glasiert und unglasiert.

Von den 21.000.000 Quadratfuß (2.000.000 m2) solarthermischen Kollektoren, die in den Vereinigten Staaten im Jahr 2007 produziert wurden, waren 16.000.000 Quadratfuß (1.500.000 m2) von der Niedrigtemperatur-Sorte. Niedrigtemperaturkollektoren werden in der Regel zur Beheizung von Schwimmbädern installiert, obwohl sie auch zur Raumheizung verwendet werden können. Sammler können Luft oder Wasser als Medium verwenden, um die Wärme an ihr Ziel zu übertragen.

Wärmespeicherung in Niedrigtemperatur-Solaranlagen
Zwischensaison Lagerung. Solare Wärme (oder Wärme aus anderen Quellen) kann effektiv zwischen den gegenüberliegenden Jahreszeiten in Aquiferen, unterirdischen geologischen Schichten, großen, speziell errichteten Gruben und großen Tanks, die isoliert und mit Erde bedeckt sind, gespeichert werden.

Kurzzeitspeicher Thermische Massenmaterialien speichern tagsüber Solarenergie und geben diese Energie in kühleren Perioden ab. Gemeinsame thermische Massenmaterialien umfassen Stein, Beton und Wasser. Der Anteil und die Platzierung der thermischen Masse sollte verschiedene Faktoren wie Klima, Tageslicht und Beschattungsbedingungen berücksichtigen. Bei richtiger Integration kann die thermische Masse passiv angenehme Temperaturen aufrechterhalten und gleichzeitig den Energieverbrauch reduzieren.

Solarbetriebene Kühlung
Weltweit gab es bis 2011 etwa 750 Kühlsysteme mit solargetriebenen Wärmepumpen, und das jährliche Marktwachstum betrug 40 bis 70% gegenüber den vorangegangenen sieben Jahren. Es ist ein Nischenmarkt, weil die Wirtschaftlichkeit eine Herausforderung darstellt und die jährliche Anzahl der Kühlstunden ein begrenzender Faktor ist. Die jährlichen Abkühlzeiten betragen im Mittelmeer etwa 1000, in Südostasien 2500 und in Mitteleuropa nur 50 bis 200. Die Systembaukosten sind jedoch zwischen 2007 und 2011 um etwa 50% gesunken. Die Arbeitsgruppen der Internationalen Energieagentur (IEA) für das Programm „Solares Heizen und Kühlen“ (IEA-SHC) arbeiten an der Weiterentwicklung der beteiligten Technologien.

Solarbetriebene Lüftung
Ein Sonnenkamin (oder Wärmekamin) ist ein passives Solarlüftungssystem, das aus einer hohlen thermischen Masse besteht, die das Innere und Äußere eines Gebäudes verbindet. Wenn der Schornstein wärmt, wird die Luft im Inneren erhitzt, was zu einem Aufwind führt, der Luft durch das Gebäude zieht. Diese Systeme sind seit der Römerzeit in Gebrauch und bleiben im Nahen Osten verbreitet.

Prozesswärme
Solar-Prozess-Heizsysteme sind dafür ausgelegt, große Mengen an Warmwasser oder Raumheizung für Nichtwohngebäude zu liefern.

Verdunstungsteiche sind flache Teiche, in denen gelöste Feststoffe durch Verdunstung konzentriert werden. Die Verwendung von Verdunstungsteichen zur Salzgewinnung aus Meerwasser ist eine der ältesten Anwendungen der Solarenergie. Zu den modernen Anwendungen gehören konzentrierende Salzlösungen, die im Tagebau verwendet werden, und gelöste Feststoffe aus Abfallströmen. Insgesamt stellen Verdunstungsteiche eine der größten kommerziellen Anwendungen von Solarenergie dar, die heute genutzt werden.

Unglasierte durchsickernde Kollektoren sind perforierte Sonnenfronten, die für die Vorwärmung der Ventilationsluft verwendet werden. Durchlüftete Kollektoren können auch für den ganzjährigen Einsatz auf dem Dach montiert werden. Sie können die Zulufttemperatur auf bis zu 22 ° C erhöhen und eine Austrittstemperatur von 45-60 ° C erreichen. Die kurze Amortisationsdauer von Sammlern (3 bis 12 Jahre) macht sie zu einer kosteneffektiven Alternative zu glasierten Sammelsystemen. Ab 2015 wurden weltweit über 4.000 Anlagen mit einer kombinierten Kollektorfläche von 500.000 m2 installiert. Zu den Vertretern gehören ein 860 m2 großer Kollektor in Costa Rica, der zum Trocknen von Kaffeebohnen verwendet wird, und ein 1300 m2 großer Kollektor in Coimbatore, Indien, der zum Trocknen von Ringelblumen verwendet wird.

Eine Lebensmittelverarbeitungsanlage in Modesto, Kalifornien, nutzt Parabolrinnen zur Herstellung von Dampf, der im Herstellungsprozess verwendet wird. Die 5.000 m2 große Kollektorfläche soll 15 TJ pro Jahr liefern.

Mitteltemperaturkollektoren
Diese Kollektoren könnten verwendet werden, um ungefähr 50% und mehr des Heißwassers zu erzeugen, das für den privaten und kommerziellen Gebrauch in den Vereinigten Staaten benötigt wird. In den Vereinigten Staaten kostet ein typisches System $ 4000- $ 6000 Einzelhandel ($ 1400 bis $ 2200 Großhandel für die Materialien) und 30% des Systems qualifiziert für eine Bundessteuergutschrift + zusätzliche staatliche Kredit existiert in etwa der Hälfte der Staaten. Labor für ein einfaches Open-Loop-System in südlichen Klimazonen kann 3-5 Stunden für die Installation und 4-6 Stunden in nördlichen Gebieten dauern. Northern System erfordern mehr Kollektorfläche und komplexere Rohrleitungen, um den Kollektor vor dem Einfrieren zu schützen. Mit diesem Anreiz beträgt die Amortisationszeit für einen typischen Haushalt je nach Bundesland vier bis neun Jahre. Ähnliche Subventionen gibt es in Teilen Europas. Eine Mannschaft von einem Solar-Installateur und zwei Assistenten mit minimalem Training können ein System pro Tag installieren. Thermosiphon-Installation hat vernachlässigbare Wartungskosten (die Kosten steigen, wenn Frostschutzmittel und Netzstrom für die Zirkulation verwendet werden) und in den USA reduzieren sich die Betriebskosten der Haushalte um $ 6 pro Person und Monat. Solare Wassererwärmung kann die CO2-Emissionen einer vierköpfigen Familie um 1 Tonne / Jahr (wenn Erdgas ersetzt wird) oder um 3 Tonnen / Jahr (wenn Elektrizität ersetzt wird) reduzieren. Bei Installationen mit mittlerer Temperatur kann eine von mehreren Konstruktionen verwendet werden: übliche Konstruktionen sind unter Druck stehendes Glykol, Rücklauf, Chargensysteme und neuere Niederdruck-Frost-tolerante Systeme unter Verwendung von Polymerrohren, die Wasser mit Photovoltaik-Pumpen enthalten. Die europäischen und internationalen Normen werden überarbeitet, um Innovationen bei Design und Betrieb von Mitteltemperaturkollektoren zu ermöglichen. Operative Innovationen umfassen den Betrieb „permanent benetzter Kollektor“. Diese Innovation verringert oder eliminiert sogar das Auftreten von Hochtemperaturbelastungen, die als Stagnation bezeichnet werden und die Lebensdauer der Kollektoren verringern würden.

Solartrocknung
Solarthermie kann zum Trocknen von Holz für den Bau und von Holzbrennstoffen wie Holzspänen für die Verbrennung nützlich sein. Solar wird auch für Lebensmittelprodukte wie Obst, Getreide und Fisch verwendet. Die Trocknung von Pflanzen durch Solarenergie ist sowohl umweltfreundlich als auch kosteneffektiv und verbessert gleichzeitig die Qualität. Je weniger Geld man braucht, um ein Produkt herzustellen, desto weniger kann es verkauft werden, was sowohl den Käufern als auch den Verkäufern gefällt. Zu den Technologien im Bereich der Solartrocknung gehören extrem preisgünstige, durchlüftete Plattenluftkollektoren auf Basis schwarzer Stoffe. Solarthermie ist hilfreich bei der Trocknung von Produkten wie Holzspänen und anderen Formen von Biomasse, indem die Temperatur erhöht wird, während Luft durchgelassen wird und die Feuchtigkeit entfernt wird.

Kochen
Solarkocher verwenden Sonnenlicht zum Kochen, Trocknen und Pasteurisieren. Das Solarkochen kompensiert die Brennstoffkosten, reduziert den Bedarf an Brennstoff oder Brennholz und verbessert die Luftqualität, indem eine Rauchquelle reduziert oder entfernt wird.

Die einfachste Art von Solarkocher ist der 1767 von Horace de Saussure gebaute Kastenkocher. Ein einfacher Kastenkocher besteht aus einem isolierten Behälter mit einem transparenten Deckel. Diese Kocher können effektiv mit teilweise bedecktem Himmel verwendet werden und erreichen typischerweise Temperaturen von 50-100 ° C.

Konzentrierende Solarkocher nutzen Reflektoren, um Solarenergie auf einen Kochbehälter zu konzentrieren. Die gebräuchlichsten Reflektorgeometrien sind Platten-, Scheiben- und Parabolrinnentypen. Diese Designs kochen schneller und bei höheren Temperaturen (bis zu 350 ° C), erfordern jedoch direktes Licht, um richtig zu funktionieren.

Die Solarküche in Auroville, Indien, nutzt eine einzigartige Konzentrierungstechnologie, die als Solarbowl bekannt ist. Im Gegensatz zu konventionellen Trackingreflektoren / festen Empfängersystemen verwendet die Solarbox einen feststehenden sphärischen Reflektor mit einem Empfänger, der den Fokus des Lichts verfolgt, während sich die Sonne über den Himmel bewegt. Der Empfänger der Solarschüssel erreicht eine Temperatur von 150 ° C, die zur Erzeugung von Dampf verwendet wird, mit dem 2.000 tägliche Mahlzeiten zubereitet werden können.

Viele andere Solarküchen in Indien verwenden eine andere einzigartige Konzentrationstechnologie, die als Scheffler-Reflektor bekannt ist. Diese Technologie wurde erstmals von Wolfgang Scheffler im Jahr 1986 entwickelt. Ein Scheffler-Reflektor ist ein Parabolspiegel, der die Einachsverfolgung verwendet, um dem Tagesverlauf der Sonne zu folgen. Diese Reflektoren haben eine flexible reflektierende Oberfläche, die in der Lage ist, ihre Krümmung zu ändern, um sich an saisonale Variationen des Einfallswinkels des Sonnenlichts anzupassen. Scheffler-Reflektoren haben den Vorteil, dass sie einen festen Brennpunkt haben, der das Kochen erleichtert und Temperaturen von 450-650 ° C erreichen kann. 1999 von der Brahma Kumaris, dem weltweit größten Scheffler-Reflektorsystem in der Abu Road, gebaut, kann Rajasthan Indien bis zu 35.000 Mahlzeiten pro Tag kochen. Bis Anfang 2008 wurden weltweit über 2.000 Großkocher des Scheffler-Designs gebaut.

Destillation
Solar-Stills können in Gegenden, in denen sauberes Wasser nicht üblich ist, für Trinkwasser verwendet werden. Solare Destillation ist in diesen Situationen notwendig, um Menschen mit gereinigtem Wasser zu versorgen. Solarenergie heizt das Wasser in der Stille auf. Das Wasser verdunstet dann und kondensiert auf dem Boden des Deckglases.

Hochtemperaturkollektoren
Wenn Temperaturen unter etwa 95ºC ausreichend sind, wie bei der Raumheizung, werden im allgemeinen Flachkollektoren vom nicht-konzentrierenden Typ verwendet. Aufgrund der relativ hohen Wärmeverluste durch die Verglasung erreichen Flachkollektoren selbst bei stagnierender Wärmeträgerflüssigkeit keine Temperaturen weit über 200 ° C. Solche Temperaturen sind zu niedrig für eine effiziente Umwandlung in Elektrizität.

Die Effizienz von Wärmekraftmaschinen steigt mit der Temperatur der Wärmequelle. Um dies in Solarthermieanlagen zu erreichen, wird die Sonnenstrahlung durch Spiegel oder Linsen konzentriert, um höhere Temperaturen zu erreichen – eine Technik, die als Concentrated Solar Power (CSP) bezeichnet wird. Der praktische Effekt von hohen Wirkungsgraden besteht darin, die Kollektorgröße und die gesamte Landnutzung pro erzeugter Einheitsleistung zu reduzieren und so die Umweltauswirkungen eines Kraftwerks sowie dessen Kosten zu reduzieren.

Wenn die Temperatur ansteigt, werden verschiedene Formen der Umwandlung praktisch. Bis zu 600 ° C haben Dampfturbinen, Standardtechnologie, einen Wirkungsgrad von bis zu 41%. Über 600 ° C können Gasturbinen effizienter sein. Höhere Temperaturen sind problematisch, da unterschiedliche Materialien und Techniken benötigt werden. Ein Vorschlag für sehr hohe Temperaturen besteht darin, flüssige Fluoridsalze zu verwenden, die zwischen 700 ° C und 800 ° C arbeiten, wobei mehrstufige Turbinensysteme verwendet werden, um 50% oder mehr thermische Wirkungsgrade zu erreichen. Die höheren Betriebstemperaturen erlauben es der Anlage, für ihre thermischen Abgase höhere Temperatur-Trockenwärmetauscher zu verwenden, was den Wasserverbrauch der Anlage reduziert – kritisch in den Wüsten, wo große Solaranlagen praktisch sind. Hohe Temperaturen machen auch die Wärmespeicherung effizienter, weil mehr Wattstunden pro Fluideinheit gespeichert werden.

Kommerzielle solarthermische Kraftwerke (CSP) wurden erst in den 1980er Jahren entwickelt. Die weltgrößten solarthermischen Kraftwerke sind jetzt die 370 MW Ivanpah Solar Power Facility, die 2014 in Betrieb genommen wurde, und die 354 MW SEGS CSP Installation, beide in der kalifornischen Mojave-Wüste, wo auch einige andere Solarprojekte realisiert wurden. Mit Ausnahme des Shams-Solarkraftwerks, das 2013 in der Nähe von Abu Dhabi, den Vereinigten Arabischen Emiraten, errichtet wurde, befinden sich alle anderen CSP-Anlagen mit 100 MW oder mehr entweder in den Vereinigten Staaten oder in Spanien.

Der Hauptvorteil von CSP besteht in der Fähigkeit, Wärmespeicher effizient hinzuzufügen und die Stromabgabe über einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden zu ermöglichen. Da der Spitzenstrombedarf typischerweise zwischen etwa 4 und 8 Uhr auftritt, verwenden viele CSP-Kraftwerke 3 bis 5 Stunden Wärmespeicherung. Mit der derzeitigen Technologie ist die Speicherung von Wärme viel billiger und effizienter als die Speicherung von Elektrizität. Auf diese Weise kann die CSP-Anlage Tag und Nacht Strom produzieren. Wenn der CSP-Standort über vorhersehbare Sonnenstrahlung verfügt, wird die CSP-Anlage zu einem zuverlässigen Kraftwerk. Die Zuverlässigkeit kann durch die Installation eines Backup-Verbrennungssystems weiter verbessert werden. Das Backup-System kann den größten Teil der CSP-Anlage nutzen, was die Kosten des Backup-Systems verringert.

CSP-Anlagen verwenden Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wie Kupfer in Feldstromkabeln, Erdungsnetzen und Motoren zum Nachführen und Pumpen von Flüssigkeiten sowie im Hauptgenerator und Hochspannungstransformatoren.

Mit Zuverlässigkeit, unbenutzter Wüste, ohne Verschmutzung und ohne Treibstoffkosten sind die Hindernisse für einen großen CSP-Einsatz Kosten, Ästhetik, Flächennutzung und ähnliche Faktoren für die notwendigen Hochspannungsleitungen. Obwohl nur ein kleiner Teil der Wüste notwendig ist, um den globalen Strombedarf zu decken, muss immer noch ein großer Bereich mit Spiegeln oder Linsen bedeckt werden, um eine signifikante Menge an Energie zu erhalten. Ein wichtiger Weg zur Kostensenkung ist die Verwendung eines einfachen Designs.

Bei der Betrachtung der Auswirkungen der Landnutzung im Zusammenhang mit der Exploration und Förderung bis hin zum Transport und zur Umwandlung fossiler Brennstoffe, die für den größten Teil unserer elektrischen Energie verwendet werden, ist Solarstrom im Vergleich zu einem der effizientesten Energieressourcen überhaupt verfügbar:

Die Bundesregierung hat fast 2.000 Mal mehr Flächen für Öl- und Gasleasing als für die Solarentwicklung bereitgestellt. Im Jahr 2010 genehmigte das Bureau of Land Management neun große Solarprojekte mit einer Gesamtkapazität von 3.682 Megawatt, was etwa 40.000 Acres entspricht. Im Gegensatz dazu verarbeitete das Bureau of Land Management im Jahr 2010 mehr als 5.200 Anträge für Gas- und Ölleasingverträge und gab 1.308 Mietverträge ab, was einer Gesamtfläche von 3,2 Millionen Acres entspricht. Derzeit sind 38,2 Millionen Acres Land an Land und weitere 36,9 Millionen Acres Offshore-Exploration im Golf von Mexiko für Öl- und Gasförderung, Exploration und Produktion verpachtet.

Systemdesigns
Während des Tages hat die Sonne verschiedene Positionen. Bei Systemen mit niedriger Konzentration (und niedrigen Temperaturen) kann die Verfolgung vermieden werden (oder auf einige wenige Positionen pro Jahr beschränkt werden), wenn nichtabbildende Optiken verwendet werden. Bei höheren Konzentrationen ändert sich jedoch, wenn sich die Spiegel oder Linsen nicht bewegen, der Fokus der Spiegel oder Linsen (aber auch in diesen Fällen liefert die nichtabbildende Optik die breitesten Akzeptanzwinkel für eine gegebene Konzentration). Daher scheint es unvermeidlich, dass ein Nachführsystem benötigt wird, das dem Sonnenstand folgt (für Solar-Photovoltaik ist ein Solartracker nur optional). Das Verfolgungssystem erhöht die Kosten und die Komplexität. Vor diesem Hintergrund können unterschiedliche Designs unterschieden werden, wie sie das Licht bündeln und den Sonnenstand verfolgen.

Parabolrinnen-Designs
Parabolrinnenkraftwerke verwenden eine gekrümmte, gespiegelte Mulde, die die direkte Sonneneinstrahlung auf ein Glasrohr reflektiert, das eine Flüssigkeit (auch Empfänger, Absorber oder Kollektor genannt) über die Länge der Mulde im Brennpunkt der Reflektoren positioniert. Der Trog ist parabolisch entlang einer Achse und linear in der orthogonalen Achse. Bei Änderung der Tagesposition der Sonne senkrecht zum Empfänger neigt sich der Trog von Ost nach West, so dass die direkte Strahlung auf den Empfänger fokussiert bleibt. Saisonale Änderungen im Winkel des Sonnenlichts parallel zur Wanne erfordern jedoch keine Einstellung der Spiegel, da das Licht einfach an anderer Stelle auf dem Empfänger konzentriert wird. Somit erfordert das Trogdesign keine Verfolgung auf einer zweiten Achse. Der Empfänger kann in einer Glasvakuumkammer eingeschlossen sein. Das Vakuum reduziert den konvektiven Wärmeverlust erheblich.

Ein Fluid (auch Wärmeträgerflüssigkeit genannt) passiert den Empfänger und wird sehr heiß. Übliche Flüssigkeiten sind synthetisches Öl, geschmolzenes Salz und unter Druck stehender Dampf. Das Fluid, das die Wärme enthält, wird zu einer Wärmekraftmaschine transportiert, wo etwa ein Drittel der Wärme in Elektrizität umgewandelt wird.

Parabolrinnen-Parabolrinnensysteme bestehen aus vielen solcher Tröge, die parallel auf einer großen Landfläche angeordnet sind. Seit 1985 ist in Kalifornien in den USA eine solarthermische Anlage in Betrieb. Es wird das System der Sonnenenergie-erzeugenden Systeme (SEGS) genannt. Bei anderen CSP-Designs fehlt diese lange Erfahrung. Daher kann man derzeit sagen, dass das Parabolrinnen-Design die am besten bewährte CSP-Technologie ist.

Die SEGS ist eine Sammlung von neun Anlagen mit einer Gesamtkapazität von 354 MW und ist seit vielen Jahren das weltweit größte thermische und nicht thermische Solarkraftwerk. Eine neuere Anlage ist Nevada Solar One mit einer Kapazität von 64 MW. Die Andasol-Solarkraftwerke mit einer Leistung von 150 MW befinden sich in Spanien, wobei jeder Standort eine Kapazität von 50 MW hat. Man beachte jedoch, dass diese Anlagen einen Wärmespeicher haben, der ein größeres Feld von Sonnenkollektoren im Verhältnis zur Größe des Dampfturbinengenerators erfordert, um Wärme zu speichern und gleichzeitig Wärme an die Dampfturbine zu senden. Wärmespeicherung ermöglicht eine bessere Nutzung der Dampfturbine. Mit Tages- und Nachtbetrieb der Dampfturbine produziert Andasol 1 mit 50 Megawatt Spitzenleistung mehr Energie als Nevada Solar One mit 64 Megawatt Spitzenleistung, aufgrund des thermischen Energiespeichersystems der ehemaligen Anlage und des größeren Solarfeldes. Die 280 MW Solana Generating Station ist 2013 in Arizona mit 6 Stunden Energiespeicher online gegangen. Das in Hassi R’Mel integrierte solare Kombikraftwerk in Algerien und das Martin Next Generation Solarenergiezentrum nutzen Parabolrinnen in einem kombinierten Kreislauf mit Erdgas.

Eingeschlossener Trog
Die geschlossene Trogarchitektur kapselt die Solarthermieanlage in einem Gewächshaus-ähnlichen Gewächshaus ein. Das Gewächshaus schafft eine geschützte Umgebung, um den Elementen zu widerstehen, die sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Effizienz der Solaranlage auswirken können.

Leichte, gewölbte, solar reflektierende Spiegel sind innerhalb der Glashausstruktur aufgehängt. Ein einachsiges Nachführsystem positioniert die Spiegel so, dass sie der Sonne folgen und ihr Licht auf ein Netz von stationären Stahlrohren fokussieren, das ebenfalls an der Glashauskonstruktion aufgehängt ist. Der Dampf wird direkt unter Verwendung von Wasser in Ölfeldqualität erzeugt, da Wasser von dem Einlass über die gesamte Länge der Rohre ohne Wärmetauscher oder Zwischenarbeitsfluide strömt.

Der produzierte Dampf wird dann direkt in das vorhandene Dampfverteilungsnetz des Feldes geleitet, wo der Dampf kontinuierlich tief in das Ölreservoir injiziert wird. Indem sie die Spiegel vor dem Wind schützen, können sie höhere Temperaturen erreichen und verhindern, dass sich Staub aufgrund von Feuchtigkeit bildet. GlassPoint Solar, das Unternehmen, das das Enclosed Trough-Design entwickelt hat, gibt an, dass seine Technologie Wärme für EOR für etwa 5 US-Dollar pro Million britische Wärmeeinheiten in sonnigen Regionen produzieren kann, verglichen mit 10 bis 12 US-Dollar für andere konventionelle solarthermische Technologien.

Das geschlossene Rinnensystem von GlassPoint wurde in der Miraah-Anlage in Oman eingesetzt, und kürzlich wurde ein neues Projekt für das Unternehmen angekündigt, seine geschlossene Rinnen-Technologie in das South-Belridge-Ölfeld in der Nähe von Bakersfield, Kalifornien, zu bringen.

Power Tower-Designs
Power Towers (auch bekannt als „Central Tower“ Kraftwerke oder „Heliostat“ Kraftwerke) erfassen und fokussieren die thermische Energie der Sonne mit Tausenden von Tracking-Spiegeln (Heliostaten genannt) in einem etwa zwei Quadratmeilen großen Feld. Ein Turm befindet sich in der Mitte des Heliostatenfeldes. Die Heliostaten fokussieren konzentriertes Sonnenlicht auf einen Empfänger, der oben auf dem Turm sitzt. Im Inneren des Empfängers erhitzt das konzentrierte Sonnenlicht geschmolzenes Salz auf über 538 ° C (1000 ° F). Das erhitzte geschmolzene Salz fließt dann in einen Wärmespeichertank, in dem es gelagert wird, wobei ein thermischer Wirkungsgrad von 98% aufrechterhalten wird, und schließlich zu einem Dampfgenerator gepumpt wird. Der Dampf treibt eine Standardturbine an, um Elektrizität zu erzeugen. Dieser Prozess, der auch als „Rankine-Zyklus“ bezeichnet wird, ähnelt einem herkömmlichen Kohlekraftwerk, außer dass er mit sauberer und freier Solarenergie betrieben wird.

Der Vorteil dieses Designs gegenüber dem Parabolrinnen-Design ist die höhere Temperatur. Thermische Energie bei höheren Temperaturen kann effizienter in Elektrizität umgewandelt werden und kann für eine spätere Verwendung billiger gelagert werden. Darüber hinaus ist es weniger notwendig, die Bodenfläche abzuflachen. Im Prinzip kann ein Kraftturm an der Seite eines Hügels gebaut werden. Die Spiegel können flach sein und die Rohrleitungen sind im Turm konzentriert. Der Nachteil ist, dass jeder Spiegel seine eigene Doppelachsensteuerung haben muss, während in der Parabolrinnenkonstruktion die Einzelachsenverfolgung für eine große Anzahl von Spiegeln gemeinsam genutzt werden kann.

Ein Kosten / Leistungsvergleich zwischen Power Tower- und Parabolrinnen-Konzentratoren wurde vom NREL durchgeführt, der schätzte, dass Strom bis 2020 aus Strommasten für 5,47 ct / kWh und 6,21 ct / kWh aus Parabolrinnen erzeugt werden könnte. Der Kapazitätsfaktor für Strommasten wurde auf 72,9% und für Parabolrinnen auf 56,2% geschätzt. Es besteht die Hoffnung, dass die Entwicklung billiger, langlebiger, massenproduzierbarer Heliostatkraftwerkskomponenten diese Kosten senken könnte.

Das erste kommerzielle Turmkraftwerk war PS10 in Spanien mit einer Kapazität von 11 MW, das 2007 fertiggestellt wurde. Seitdem wurde eine Reihe von Anlagen vorgeschlagen, mehrere wurden in einer Reihe von Ländern gebaut (Spanien, Deutschland, USA, Türkei, China) , Indien), aber mehrere geplante Anlagen wurden gestrichen, da die Preise für Photovoltaik – Solar stark gesunken sind. 2014 soll ein Solarturm in Südafrika in Betrieb gehen. Die Ivanpah Solar Power Facility in Kalifornien erzeugt 392 MW Strom aus drei Türmen und ist damit Ende 2013 das größte Solarturmkraftwerk.

Geschirr Designs
CSP-Stirling hat bekanntlich die höchste Effizienz aller Solartechnologien (etwa 30%, verglichen mit der Photovoltaik etwa 15%) und wird voraussichtlich in der Lage sein, die billigste Energie unter allen erneuerbaren Energiequellen in hoher Produktion und Produktion zu produzieren heiße Bereiche, Halbwüsten, etc. Ein Gericht Stirling-System verwendet eine große, reflektierende, parabolische Schüssel (ähnlich in Form eines Satelliten-TV-Gericht). Es fokussiert das gesamte Sonnenlicht, das auf die Schale trifft, auf einen einzelnen Punkt über der Schale, wo ein Empfänger die Wärme aufnimmt und in eine nützliche Form umwandelt. Typischerweise ist die Schale mit einem Stirling-Motor in einem Dish-Stirling-System gekoppelt, aber manchmal wird auch eine Dampfmaschine verwendet. Diese erzeugen kinetische Rotationsenergie, die mit einem elektrischen Generator in Elektrizität umgewandelt werden kann.

Im Jahr 2005 kündigte Southern California Edison eine Vereinbarung über den Kauf von solarbetriebenen Stirling-Motoren von Stirling Energy Systems über einen Zeitraum von zwanzig Jahren und in Mengen (20.000 Einheiten) an, die ausreichen, um 500 Megawatt Strom zu erzeugen. Im Januar 2010 haben Stirling Energy Systems und Tessera Solar das erste 1,5-Megawatt-Demonstrationskraftwerk („Maricopa Solar“) mit Stirling-Technologie in Peoria, Arizona in Betrieb genommen. Anfang 2011 hat Tessera Solar, der Entwicklungsbereich von Stirling Energy, seine beiden großen Projekte, das Imperial-Projekt mit 709 MW und das Calico-Projekt mit 850 MW, an AES Solar und K.Road verkauft. Im Jahr 2012 wurde das Werk in Maricopa von United Sun Systems gekauft und abgebaut. United Sun Systems hat ein System der neuen Generation auf den Markt gebracht, das auf einem V-förmigen Stirlingmotor und einer Spitzenproduktion von 33 kW basiert. Die neue CSP-Stirling-Technologie senkt die Stromgestehungskosten auf USD 0,02 im Utility-Bereich.

Laut dem Entwickler Rispasso Energy, einem schwedischen Unternehmen, wurde 2015 das Dish Sterling-System, das in der Kalahari-Wüste in Südafrika getestet wurde, eine Effizienz von 34% aufweisen.

Fresnel-Technologien
Ein lineares Fresnel-Reflektor-Kraftwerk verwendet eine Reihe von langen, schmalen, flachkrümmenden (oder sogar flachen) Spiegeln, um Licht auf einen oder mehrere lineare Empfänger zu richten, die über den Spiegeln positioniert sind. Auf dem Empfänger kann ein kleiner Parabolspiegel zur weiteren Fokussierung des Lichts angebracht werden. Diese Systeme zielen darauf ab, niedrigere Gesamtkosten zu bieten, indem ein Empfänger zwischen mehreren Spiegeln (im Vergleich zu Trog- und Schalenkonzepten) geteilt wird, während immer noch die einfache Linienfokusgeometrie mit einer Achse zur Verfolgung verwendet wird. Dies ist ähnlich dem Trogdesign (und unterscheidet sich von zentralen Türmen und Schüsseln mit Doppelachse). Der Empfänger ist stationär und so sind keine Fluidkupplungen erforderlich (wie in Wannen und Schalen). Die Spiegel müssen den Empfänger auch nicht tragen, daher sind sie strukturell einfacher. Wenn geeignete Zielstrategien verwendet werden (Spiegel, die auf unterschiedliche Empfänger zu unterschiedlichen Tageszeiten gerichtet sind), kann dies eine dichtere Packung von Spiegeln auf der verfügbaren Landfläche ermöglichen.

Rival-Single-Axis-Tracking-Technologien umfassen die relativ neuen linearen Fresnel-Reflektoren (LFR) und Compact-LFR (CLFR) -Technologien. Der LFR unterscheidet sich von dem der Parabolrinne dadurch, dass der Absorber im Raum oberhalb des Spiegelfeldes fixiert ist. Außerdem besteht der Reflektor aus vielen niedrigen Reihensegmenten, die sich kollektiv auf einen erhöhten langen Turmempfänger konzentrieren, der parallel zur Drehachse des Reflektors verläuft.

Prototypen von Fresnel-Linsenkonzentratoren wurden für die Sammlung von Wärmeenergie von International Automated Systems hergestellt.Es sind keine vollständigen thermischen Systeme bekannt, die Fresnel-Linsen verwenden, obwohl Produkte mit Fresnel-Linsen in Verbindung mit photovoltaischen Zellen bereits verfügbar sind.

MicroCSP
MicroCSP wird für kommunale Kraftwerke (1 MW bis 50 MW), für industrielle, landwirtschaftliche und verarbeitende „Prozesswärme“ -Anwendungen und wenn große Mengen an heißem Wasser benötigt werden, wie zum Beispiel Schwimmbäder, Wasserparks, große Anlagen, verwendet Wäscherei, Sterilisation, Destillation und andere solche Anwendungen.

Geschlossene Parabolrinne
Die geschlossene Parabolrinnen-Solarthermie kapselt die Komponenten in einem Gewächshaus-Gewächshaus ein. Das Gewächshaus schützt die Komponenten vor den Elementen, die die Zuverlässigkeit und Effizienz des Systems beeinträchtigen können. Dieser Schutz beinhaltet die nächtliche Glasdachwäsche mit optimierten wassersparenden automatischen Waschsystemen. Leichte gebogene solar reflektierende Spiegel sind von der Decke des Gewächshauses durch Drähte abgehängt. Ein einachsiges Nachführsystem positioniert die Spiegel, um die optimale Menge an Sonnenlicht zu erhalten. Die Spiegel konzentrieren das Sonnenlicht und fokussieren es auf ein Netz stationärer Stahlrohre, die ebenfalls an der Struktur des Gewächshauses hängen. Wasser wird durch die Rohre gepumpt und gekocht, um bei intensiver Sonneneinstrahlung Dampf zu erzeugen.Der Dampf steht für Prozesswärme zur Verfügung. Indem sie die Spiegel vor dem Wind schützen, erreichen sie höhere Temperaturraten und verhindern, dass sich Staub auf den Spiegeln ansammelt, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt sind.