Die Stadt Sevilla im Südwesten Spaniens ist eine sonnige Gegend – die Sonne scheint an über 320 Tagen neun oder mehr Stunden am Tag. Im Hochsommer erreichen die Temperaturen bis zu 50°C. Die Sonne scheint dann über 15 Stunden täglich. Dieses perfekte Wetter macht Sevilla zum idealen Standort für die Solarstromerzeugung.
20 Kilometer westlich von Sevilla liegt die kleine Stadt Sanlúcar la Mayor. Dort hat das spanische Unternehmen Abengoa zwei Solarkraftwerke gebaut. Weitere befinden sich im Bau. Das Sevilla PV-Kraftwerk nutzt photovoltaische Paneele, die in ihrer Ausrichtung der Sonne folgen und Strom für über 500 Haushalte erzeugen. Wenn Sie aber Sanlúcar la Mayor verlassen, treffen Sie auf einen 115 Meter hohen Turm, der sich über die Landschaft erhebt und scheinbar mit gleißend hellem Licht angestrahlt wird.
Dieser Turm ist das Zentrum eines Feldes von Heliostaten (Spiegel, die in ihrer Ausrichtung der Bewegung der Sonne folgen), die das Sonnenlicht so reflektieren, dass es auf einen Empfänger nahe der Turmspitze trifft. Dieses reflektierte Sonnenlicht ist so stark, dass Wasser verdampft und der Staub in der Luft weiß glüht. Es fehlt nur noch ein wahnsinniger Bösewicht auf der Spitze des Turms und Sie haben ein perfektes Szenarium für einen James Bond-Film.
Der Turm ist das Zentrum des Kraftwerks Solúcar PS10 (siehe Abbildung 31.1). In der Turmspitze befindet sich ein Solarempfänger, der durch Sonnenstrahlen aufgeheizt wird und 257°C heißen Dampf erzeugt. Dieser Dampf treibt dann eine Turbine an, die elektrischen Strom erzeugt. Tragen Sie unbedingt eine Sonnenbrille, wenn Sie auf die Spitze blicken. Das weiße Glühen des Turms ist sehr stark.
Auf dem Feld rund um den Turm stehen 624 Sanlúcar 120-Heliostaten, die das Sonnenlicht jeweils auf einer Fläche von 120 Quadratmetern reflektieren. Insgesamt wandelt das System etwa 17% des Sonnenlichts in 10 Megawatt Strom um. Im Vergleich dazu erzeugt das nahe gelegene Sevilla PV-Feld etwa 1,2 Megawatt mit einer Effektivität von 12%.
Direkt neben PS10 befindet sich ein noch größeres Projekt im Bau – Solúcar PS20, das 20 Megawatt produzieren wird. Das gesamte Sanlúcar la Mayor-Projekt wird irgendwann 300 Megawatt Strom aus Türmen, Photovoltaik, Solarschüsseln und Stirlingmotoren produzieren.
Das Kraftwerk Solnova 1, das sich ebenfalls gerade im Bau befindet, verwendet Parabolspiegel, um die Sonnenstrahlen auf eine Pipeline zu richten, die ein synthetisches Öl enthält, das auf fast 400°C erhitzt wird. Das heiße Öl wird dann genutzt, um Dampf zu erzeugen, der wiederum Turbinen zur Stromerzeugung antreibt. Nach seiner Fertigstellung wird Solnova 1 50 Megawatt Strom mit einer Effektivität von 19% erzeugen.
Abengoa plant auch den Bau einer Solaranlage mit Stirlingmotoren. Große Parabolspiegel konzentrieren die Sonnenstrahlen auf einen Stirlingmotor in der Mitte der Spiegels. Ein Stirlingmotor ist ein einfacher, abgeschlossener Motor, dessen Funktionsweise auf der wiederholten Erhitzung und Abkühlung eines Gases basiert, das sich in zwei Zylindern mit zwei Kolben befindet – ein Kolben bewegt sich, wenn das Gas erhitzt wird, der andere wenn es abkühlt. Dabei bewegen die Kolben einen Generator zur Stromerzeugung.
Sanlúcar la Mayor ist über die A-477 nach Los Ranchos de Guadimar einfach zu erreichen. Das Kraftwerk Solúcar PS10 liegt drei Kilometer nordwestlich von Los Ranchos de Guadimar und an den Koordinaten 37° 26’ 34.8» N, 6° 15’ 0» W direkt von der Straße aus zu sehen.
Photovoltaik
Solúcar PS10 wandelt Sonnenlicht zuerst in Dampf um, und diesen Dampf dann in Elektrizität. Bei einer etwas direkteren Methode, die von der kleinen Sevilla PV-Anlage verwendet wird, wird Sonnenlicht mittels Photovoltaik direkt in Strom umgewandelt. Alle Photovoltaik-Paneele, üblicherweise Solarpaneele genannt, verwenden immer die gleiche Technik, egal ob sie zur Stromerzeugung im Haus oder für den Taschenrechner verwendet werden. Es handelt sich um Halbleiter, die den photoelektrischen Effekt (siehe Abbildung 35.2) nutzen, um Strom zu erzeugen.
Ein typisches Solarpaneel besteht aus zwei Leitern (siehe Abbildung 31.2) zwischen denen ein Halbleiter (wie Silizium) liegt. Dadurch wird die Kernkomponente aller Halbleiter erzeugt – ein PN-Übergang (siehe Abbildung 84.2), an dem sich n- und p-dotiertes Silizium treffen.
Das n-dotierte Silizium (das einen Überschuss an Elektronen besitzt) zeigt in Richtung Sonne. Die Leiter werden mit dem zu betreibenden Gerät verbunden. Der der Sonne zugewandte Leiter muss transparent sein (d.h. aus einem transparenten Material bestehen oder Löcher aufweisen), damit das Sonnenlicht durchdringt. Das Sonnenlicht trifft auf das n-dotierte Silikon und der photoelektrische Effekt sorgt dafür, dass einige Elektronen zusätzliche Energie durch die Photonen aufnehmen.
Hat ein Elektron ausreichend Energie aufgenommen, spaltet es sich von seinem Atom ab und kann sich innerhalb des Halbleiters frei bewegen. Wenn nun eine Belastung hinzugefügt wird, bewegen sich die freigesetzten Elektronen vom n-dotierten Bereich hin zum p-dotierten Bereich (der zu wenige Elektronen enthält) und durch den Schaltkreis.
Die Elektronen können sich nur in eine Richtung bewegen, da der PN-Übergang eine Diode bildet, d. h., der Strom kann nur in einer Richtung fließen. Der Grund hierfür ist die sogenannte Sperrschicht, die an der Stelle entsteht, an der sich n-dotiertes und p-dotiertes Silikon treffen.
Wenn keine Last angeschlossen ist, besteht eine natürliche Balance zwischen den Elektronen am PN-Übergang (Abbildung 31.3). Da dem p-dotierten Silizium Elektronen fehlen, wandern Elektronen aus dem n-dotierten Silizium nahe des Übergangs zum p-dotierten Silizium (wodurch ein passendes »Loch« – Raum für ein Elektron – von der p-dotierten zur n-dotierten Seite wechselt). Dieser Prozess ist abgeschlossen, wenn alle Elektronen und Löcher in der Nähe des Übergangs ausgetauscht wurden. Dadurch entsteht ein negativ geladener Bereich auf der p-dotierten Seite und ein positiv geladenen Bereich auf der n-dotierten Seite. Dieser Unterschied in der Ladung erzeugt ein elektrisches Feld, das dafür verantwortlich ist, dass Halbleiter nur in einer Richtung leiten können.
Damit Elektronen sich von den Atomen abzuspalten, benötigen sie eine bestimmte Energie von den Photonen, die auf das Solarpaneel treffen. Ist die Energie des Photons zu gering, durchläuft es einfach das Paneel, ohne Elektrizität zu erzeugen. Einige Photonen werden von der Oberfläche des Paneels reflektiert und gehen verloren. Der Rest wird zur Erzeugung von Strom verwendet. Momentan haben die besten Solarpaneele (in den Laboratorien) einen Wirkungsgrad von 41%.