Solarschmelzofen: Optisches System zur Energiegewinnung aus Strahlung der Sonne

Die konzentrierte Energie des Sonnenlichts kann für die einfache Erhitzung eines Materials, Alterungsexperimente von Kunststoffen oder Lacken, endotherme chemische Reaktionen oder für Belastungsexperimente mit mechanischen oder elektrischen Bauteilen verwendet werden.

Das konzentrierende Bauteil eines Sonnenofens funktioniert im Prinzip wie ein Brennglas. Aus technischen Gründen wird jedoch ein Hohl- bzw. Parabolspiegel benutzt, der das von der Sonne einfallende Licht in einem Brennpunkt bündelt. Die reflektierende Fläche dieses Konzentrators kann von einem Quadratmeter bis zu einigen 100 Quadratmetern groß sein. Werden größere Flächen benötigt, verwendet man in der Regel ein Heliostatenfeld, bei dem mehrere Planspiegel das Licht auf einen Punkt abbilden.

Um eine optimale Ausleuchtung des Konzentrators zu gewährleisten, ist es nötig, den Heliostaten kontinuierlich der Sonne nachzuführen. Dies wird entweder von einer Software geleistet, die ständig den aktuellen Sonnenstand berechnet, oder es wird ein Sensor benutzt, der den Sonnenstand ermittelt und so für eine Nachführung des Heliostaten sorgt. Für einen Sonnenofen mit Konzentrator sind in der Praxis drei mögliche Geometrien realisiert:

• direkt nachgeführter Konzentrator,
• ortsfester on-axis-Konzentrator mit nachgeführtem Heliostat,
• ortsfester off-axis-Konzentrator mit nachgeführtem Heliostat.

Bei größeren Konzentratoren sind diese aus einzelnen planen Spiegeln, bzw. in einer fresnelschen Anordnung, aus einzelnen fokussierenden Spiegeln zusammengesetzt. Man erreicht Konzentrationen bis zu einigen 10.000 Sonnen.

Die reflektierenden Bauteile müssen gewissen qualitativen Kriterien entsprechen. So ist es wichtig, dass die Reflektivität möglichst hoch, bzw. genau bekannt ist, ebenso wie die Streuung der reflektierenden Fläche. Auch sind die zu reflektierenden Wellenlängen ein wichtiges Kriterium, wenn man zum Beispiel die UV (A, B) – Anteile des Sonnenlichts nutzen möchte.

Voraussetzung für eine effektive Konzentration ist gerichtetes direktes Sonnenlicht. Somit spielen die klimatischen Bedingungen am Standort eines Sonnenofens eine wichtige Rolle.

Der größte Solarofen ist der Megawatt Solar Furnace (MWSF) in der Nähe der Stadt Odeillo in Frankreich. Die 1968 fertiggestellte Anlage verfügt über einen achtgeschossigen Parabolreflektor mit einer Gesamtfläche von 1.830 m². Eine Anordnung von 63 Heliostaten, die über die nahegelegenen Felder verstreut sind, lenkt Licht auf diesen. Jeder der Heliostaten misst 6,5 m mal 7 m, was eine Gesamtfläche von 2.835 m² ergibt. Der Reflektor bündelt das Licht dann auf einen kleinen Punkt im angrenzenden Laborgebäude. Hier wird rund 1 Megawatt Sonnenenergie auf eine Fläche von rund 80 cm Durchmesser konzentriert. Der Punkt, an dem das Licht gebündelt wird, kann auf Temperaturen von über 3.000 °C erhitzt werden. Die Anlage ist für Forscher wertvoll, da sie es ermöglicht, Proben auf extreme Temperaturen zu erhitzen, ohne dass Schadstoffe, wie bei herkömmlichen, fossil betriebenen Brennöfen erzeugt werden.

• Hochflussdichte-Sonnenofen in Köln des DLR, Leistung: 25 kW thermisch, Konzentration: bis 5200-faches Sonnenlicht
• Odeillo (Frankreich), Leistung: 1000 kW thermisch, zahlreiche Heliostaten im Gelände, 1 Paraboloidspiegel.
• Plataforma Solar de Almería (Spanien), Heliostatenfeld mit 20.000 m² Gesamtfläche
• Prototyp aus 1949 von Félix Trombe (1906–1985) in Mont-Louis, Frankreich, 50 kW, 1 planer Heliostat, 1 Paraboloidspiegel.

• Solarkocher
• Sonnenwärmekraftwerk

 

Commons: Schmelzofen Centre du Four Solaire Félix Trombe – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Plataforma Solar de Almería (Memento vom 27. März 2009 im Internet Archive)
• Le Laboratoire PROcédés, Matériaux et Energie Solaire (PROMES), Odeillo, Frankreich
• Solar Technology Laboratory des Paul Scherrer Instituts, Villigen, Schweiz