Heliostaten zur Gewinnung von Sonnenenergie

Heliostaten zur Gewinnung von Sonnenenergie

Ein Heliostat ist ein Spiegelapparat mit einem Spiegel, der das Sonnenlicht unabhängig von der Änderung der Sonnenposition am Himmel immer auf den gleichen, ortsfesten Punkt reflektiert. Der ersten Systeme wurde entweder manuell oder mit mechanischen Federmotoren nachgestellt. Jean Bernard Léon Foucault entwickelte um 1865 einen verbesserten Heliostaten, der auch für einen größeren Bereich des Himmels verwendbar war, und bezeichnete diesen deshalb als Siderostaten.

Die Firma Bomin-Solar-System von Hans Kleinwächter stellt bereits 1988 einen kommerziellen Heliostaten vor, einen flachen Spiegel, der das Licht von außen auf innerhalb der Gebäude liegende ‚Lichtverteiler’ richtet und damit Kunstlicht überflüssig macht. Ein Quadratmeter Heliostatenfläche erbringt dabei eine Lichtleistung von max. 700 Watt, die je nach Wirkungsgrad herkömmlicher Leuchtkörper bis zu 7.000 Watt elektrische Energie ersetzen. Noch wichtiger als die ökonomischen, scheinen aber die physiologischen Vorteile des Naturlichts zu sein.

Ein weiteres System bildet der automatisch sonnennachgeführte Helioflex-Spiegel von Christoph Keller aus Berlin, der diesen 1994 zum Patent anmeldet (P 44 24 571.8). 1997 macht er wieder von sich reden, als er mit einem serienreifen Helioflex von knapp einem Meter Durchmesser dunkle Hinterhöfe im Prenzlauer Berg ‚erleuchtet’. Der Bausatz soll zu diesem Zeitpunkt etwa 5.000 DM kosten.

Seit einigen Jahren produziert auch das Offenbacher Unternehmen EGIS GmbH Heliostaten, von denen die zweiachsige 4 m²-Ausführung etwa 3 kW Energie in das Gebäude hinein transferiert – allerdings auch knapp 9.000 € kostet.

Das 1995 in Berlin neu gebaute Ring-Center in Friedrichshain wird mit drei Heliostaten von jeweils 6 m² Fläche ausgerüstet, die ihr Licht auf 72 kleinere Spiegel werfen, welche auf dem Glasdach des Atriums installiert sind. Diese Spiegel sind so justiert, daß sich im Inneren des Einkaufszentrums eine natürliche Helligkeit ergibt.

Große Stand-Heliostaten werden auch in Solarturm-Kraftwerken eingesetzt (s.d.), in dem sie zu Hunderten ihr Licht auf einen in einer Turmspitze untergebrachten Absorber konzentrieren. Mit dessen Hilfe wird die Wärme nutzbar zu gemacht, um mittels Dampferzeugung eine konventionelle Turbine mit aufgeschaltetem Generator anzutreiben.

Solartracker

Durch die neue Entwicklung von faseroptischen Kabeln aus wirtschaftlichem Plastik gewinnt die Idee, Sonnenlicht ins Innere von Gebäuden zu bringen, neue Aktualität. Bei dem neuen Hybrid Lighting System, das von dem amerikanischen Unternehmen Sunlight Direct vermarktet wird, wird auf dem Dach eines Gebäudes ein Parabolspiegel aus Kunststoff von rund 120 cm Durchmesser aufgestellt. Gesteuert von einem kleinen Prozessor mit den GPS-Daten des Standorts und der Uhrzeit verfolgt der Spiegel die Sonne, deren Licht  auf einen kleineren Spiegel reflektiert wird, der wiederum die Strahlen bündelt und zu einem faseroptischen Empfänger in der Mitte des Spiegels schickt. Dort wird das Licht gefiltert: Durchgelassen werden nur die sichtbaren Bestandteile, während UV- und Infrarotlicht wegen der ungewünschten Wärme abgeblockt wird. Der Empfänger besteht aus einem Bündel aus 127 einzelnen Lichtleiter-Fasern, jeweils etwa 0,3 cm stark, die das Sonnenlicht in das Gebäude bringen. Zwei Fasern entsprechen dabei einer Glühbirne mit 50 W. Das Modell HLS 3010 hat bei voller Sonneneinstrahlung eine Leuchtleistung von 50.000 Lux, was ausreicht um eine Fläche von 90 m² zu auszuleuchten.

Da die Sonne nicht überall ganztägig scheint, werden die Lichtverhältnisse in den Räumen ununterbrochen von Beleuchtungssensoren überwacht. Sobald das Sonnenlicht nicht mehr genügt, wird es mittels konventionellem elektrischem Licht ergänzt. Mitte 2006 wird das System in einigen öffentlichen Gebäuden und in Unternehmen im ‚Sun-Belt’ der USA getestet, und da sich die Räume dank gefiltertem Sonnenlicht auch weniger aufheizen rechnet man mit zusätzlichen Einsparungen. Die Kosten sollen für institutionelle Kunden nach der Marktreife Anfang 2007 unter 10.000 $ liegen, ein System für Privatkunden wird für 2008 angepeilt.

Aufgrund der Plastiklichtleiter ist das HSL-System zwar günstig, doch das Material absorbiert so viel Licht, daß bei einer Strecke von 10 m Schluss ist. Als Lösung empfiehlt der deutsche Lichtleiterexperte Hans Poisel, der an der FH Nürnberg Europas erstes Anwendungszentrum für Polymere Optische Fasern leitet, bei langen und geraden Strecken die Hohlrohre mit verspiegelter Auskleidung einzusetzen, an denen er arbeitet.

Die japanische Firma La Foret Engineering bietet ein ähnliches System wie HSL an, allerdings mit echter und leistungsfähigerer Glasfaser, das deshalb auch wesentlich kostspieligerer ist.

Ein weiteres Unternehmen, das sich seit 2006 mit der Technologie beschäftigt, Sonnenlicht in Innenräume zu leiten, ist die Solatube International Inc. aus Vista, Kalifornien. Hier wird ein Konzept umgesetzt das dem Vorschlag entspricht, verspiegelte Hohlrohre einzusetzen.

Ein ganzes Dorf von Heliostaten zu beleuchten wird erstmals im November 2006 in den italienischen Alpen umgesetzt.

Hierbei richtet ein sonnennachgeführter Spiegel aus einem 5 x 8 m großen Stahlblech, der auf einem nahen Berggipfel installiert ist, das Sonnenlicht auf den zentralen Marktplatz der 200-Personen-Ortschaft Viganella, nördlich von Turin in der Nähe der schweizer Grenze, um auch im Winter eine natürliche Helligkeit des ansonsten zwischen dem 11.11. und dem 02.02. eines jeden Jahres im Schatten liegenden Dorfes zu erreichen. Das Projekt kostet rund 100.000 € und wird von der Gemeindeverwaltung und einer Bank finanziert.

Bodensolarisation

Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem durch transparente Kunststoffabdeckungen eine Erhöhung der Bodentemperatur und damit auch die Vernichtung von Schädlingen erreicht wird.

Destillation

Ähnlich wie die Wasserentsalzung, auf die ich gesondert zu sprechen komme, besteht auch die Möglichkeit, Destillationsprozesse solar zu betreiben. Ein Beispiel dafür ist die Destillation von Duftölen mit Hilfe der Sonne, die Anfang der 1990er Jahre von einem deutsch-schweizerischen Ingenieurteam entwickelt wird, um sie in Entwicklungsländern einzusetzen.

Sterilisation

Auf der Hannovermesse 1992 wird ein 3.-Welt-tauglicher Dampfsterilisator vorgestellt, der mit Sonnenenergie betrieben mühelos die erforderlichen Temperaturen bis 140°C erreicht.

Sonnenkamin

Eine weitere Form thermischer Solaranlagen ist der Sonnenkamin. Dabei handelt es sich um eine Kombination des Gewächshauseffekts mit dem Kamineffekt. Unter einem Plastik- oder Glasdach erhitzt sich die Luft besonders stark. Anschließend wird sie durch konstruktive Elemente zur Mitte hin geleitet, wo ein hoher Kamin die heiße Luft nach oben saugt. An dieser Stelle ist eine horizontale Windturbine installiert, die durch den aufwärtsgerichteten Sog angetrieben wird.

Ich habe aus diesem Grund den Sonnenkamin dem Bereich der Windenergie zugeordnet – unter seinem anderen und möglicherweise sogar bekannteren Namen Aufwindkraftwerk (s.u. Augmentor-Systeme).