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Die Physikalische Voraussetzung der Solarthermie ist die Transformation der elektromagnetischen Sonnestrahlung in Wärmeenergie. Die Strahlungsenergie der Sonne ist allerdings nicht konstant, sie wird in Strahlungsquanten, so genannten Photonen, abgegeben. Wenn diese Photonen auf einen Körper treffen, werden sie absorbiert oder reflektiert. Bei Absorption werden die Atome des Körpers durch die Photonen in Schwingung versetzt: es entsteht Wärme. Das ist das Grundprinzip der Solarthermie, mit dem Solarthermische Kraftwerke arbeiten. Eine weitere Voraussetzung für Solarthermische Kraftwerke ist die Verfügbarkeit der Solarenergie.
Man unterscheidet vier unterschiedliche Konfigurationen der konzentrierenden Spiegelsysteme: Linienkonzentrierende wie Parabolrinnen und Fresnelkollektoren und punktkonzentrierende wie Solartürme und Dish (Paraboloid). Alle Systeme müssen der Sonne nachgeführt werden, um die direkte Strahlung konzentrieren zu können
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Das Solarfeld einesParabolrinnenkraftwerkes enthält zahlreiche parallele Reihen von Kollektoren, die aus parabelförmig gebogenen Spiegeln bestehen und das Sonnenlicht auf ein in der Brennlinie verlaufendes Absorberrohr bündeln und hier Temperaturen erzeugen.Zirkulierendes Thermoöl als Wärmeträger führt die Wärme ab und erzeugt in einem Wärmeübertrager Wasserdampf mit einer Temperatur, der wie bei herkömmlichen Kraftwerken eine Dampfturbine und einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
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In der praktischen Erprobung sind auch so genannte Fresnel-Kollektoren. Hier konzentrieren lange, nur leicht gekrümmte Flachspiegel die Sonnenstrahlung auf ein feststehendes Absorberrohr, wo Wasser direkt erhitzt und verdampft wird.
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In Solarturmkraftwerken wird die Sonnenstrahlung von Hunderten sich automatisch positionierender Spiegel auf einen zentralen Absorber an der Turmspitze punktförmig konzentriert.
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Bei den so genannten Dish-Stirling-Anlagen konzentriert ein paraboloidförmiger Spiegel die Sonnenstrahlung auf den Wärmeempfänger eines nachgeschalteten Stirlingmotors, der die thermische Energie direkt in mechanische Arbeit bzw. Strom umsetzt
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Allerdings ist die Solarthermie nicht das ganze Jahr gleichmäßig verfügbar weshalb Solarthermische Kraftwerke oft zusätzlich mit anderen Energiequellen kombiniert werden.