Solarthermische Kraftwerke

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1 Solarthermische Kraftwerke Forschung und Entwicklung am Fraunhofer ISE Workshop: Solarthermische Kraftwerke im kleinen und mittleren Leistungsbereich Fraunhofer ISE Freiburg Gabriel Morin

2 Inhalt Einleitung Ertragssimulation und Auslegungsoptimierung Experimentelle Charakterisierung Materialentwicklung 2

3 Inhalt Einleitung Ertragssimulation und Auslegungsoptimierung Experimentelle Charakterisierung optisch und thermisch Materialentwicklung 3

4 Solarthermische Kraftwerke - Technologien Parabolrinnen Linearer Fresnel-Kollektor Solarturm Solar Dish 4

5 Linearer Fresnel-Kollektor - Kommerzielle Konzepte Solar Power Group / MAN Ferrostaal, Essen Ausra / ehem. SHP, USA Novatec BioSol, Karlsruhe PSE, Freiburg Solare Kühlung, Prozesswärme 5

6 Inhalt Einleitung Ertragssimulation und Auslegungsoptimierung Experimentelle Charakterisierung optisch und thermisch Materialentwicklung 6

7 Wozu brauchen wir die Simulation? Technische und wirtschaftliche Potenzialstudien (u.a. Projekt Medifres) Technologie-Gutachten Auslegungsoptimierung von Solarfeld-Geometrien und Kraftwerksparametern Quantifizierung von Einflüssen z.b. Wärmeverluste, optische Genauigkeiten Spezifikationen für Entwicklungen (z.b. Absorberschichten, Oberflächenspiegel, Receivervariationen) 7

8 Simulation und Optimierung solarthermischer Kraftwerke Modellierung optischer und thermischer Kollektorertrag Simulation von Powerblock-Wirkungsgraden (Q th -> E el ) -> Ermittlung des el. Energieertrags von Fresnel- Kraftwerken Annahmen: /m, /m 2, /kw Kostenmodellierung von Kollektor und Powerblock -> LEC Solarfeldoptim.: -> Min. ct/kwh Optimierungsverfahren (z.b. evolutionäre Algorithmen) zur Auslegungsoptimierung 8

9 Optimierung nach verschiedenen Zielfunktionen Maximum LEC relativ zu Startbedingung Optimierung von N, D, Laenge Optimierung von N,D,Laenge,H,Zielpkt Anzahl der Optimierungsläufe Arbeitsweise eines evolutionären Algorithmus (hier genet. Alg.) am Beispiel einer math. Fkt. f(x,y) Optimierung von 3 bzw. 5 Kollektorparametern, Zielgröße Stromgestehungskosten (Evolutionsstrategie) 9

10 Inhalt Einleitung Ertragssimulation und Auslegungsoptimierung Experimentelle Charakterisierung optisch und thermisch Materialentwicklung 10

11 Warum experimentelle Qualifizierung? Optische Qualifizierung Simulation LEC, relativ H in m Kollektor Optimierung Basis für Ertragsprognosen: Bestimmung der realen Eigenschaften von Kollektor- Komponenten und Subsystemen Qualitätssicherung: - Identifizierung von Verbesserungspotenzialen - Steigerung von Kollektorleistung und Ertrag Im Zusammenhang mit Simulation: Quantifizierung des Einfluss von technischen Verbesserungsmaßnahmen auf Wirkungsgrad und Kosten wichtiger Beitrag zur technischen Verbesserung und zur Kostensenkung solarthermischer Kraftwerke 11

12 Messung der Primärspiegelform über Musterreflexion CCD-camera Bildschirm mit Computer-erzeugtem Sinusmuster Primärspiegel mit Musterabbild surface gradient [mrad] measured ideal shape mirror position x Spiegelsteigungen / -winkel eines ideal parabolförmig gekrümmten Spiegels im Vergleich mit den Messpunkten 12

13 Receiver - Optische Vermessung Blick nach oben in die Receiveröffnung (farbiges Absorberrohr) aus der Perspektive der Primärspiegelreihen; links mittige, rechts äußere Spiegelreihe Messung1 A(x) Messung2 A(x) Akzeptanz Raytracing A(x) Raytracing A1(x) Raytracing A0(x) Raytracing A2(x) Gegenüberstellung von gemessener Akzeptanz und in Raytracing simulierter Akzeptanz (unter Annahme perfekter Bauteil-Anordnung und Bauteil-Form) Position in Primärspiegelebene [m] 13

14 Receiver - Wärmeverlustmessungen Thermische Receiver-Charakterisierung im Labor und Anpassung der Wärmeverlust-Annahmen im Modell 14

15 Inhalt Einleitung Ertragssimulation und Auslegungsoptimierung Experimentelle Charakterisierung optisch und thermisch Materialentwicklung 15

16 Vakuum-Receiver für Parabolrinnenkraftwerk Anforderungen: Hohe Absorption im Spektrum des Sonnenlichts Geringe Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung Lösung: Selektiv absorbierend beschichtetes Stahlrohr in evakuiertem Glashüllrohr -> ISE-Beitrag: Materialentwicklung für Absorberschicht SCHOTT PTR 70 Receiver 400 C design temperature 16

17 Absorber-Schichten für den linearen Fresnel-Kollektor Ziel: Stabilität bis 450 C an Luft Hohe solare Absorptionen geringe Emission im IR-Spektrum Entwicklungsschritte: Substrat: Auswahl und Oberflächenvorbehandlung Schichtsystem: Auswahl der Schichtmaterialien Optimierung der Schichtdicken Mehrschichtsystem: IR-Spiegel Absorber Barriereschichten Stahlrohr Antireflexschicht 17

18 Oberflächenspiegel für Sekundärkonzentratoren: Fresnel-Kollektor Gebogener Sekundärkonzentrator eines Fresnel-Kollektors Absorberrohr am Primärspiegelfeld reflektierte Sonnenstrahlen 18

19 Oberflächenspiegel als Sekundärkonzentratoren Ziel: Entwicklung eines Vorderflächenreflektors anstatt konventioneller Rückseitenspiegel Hohe solare Reflektivität >>90% Temperaturstabilität (bis 250 C oder mehr) Stabil für Reinigung Glassubstrat Schichtsystem: Spezifikationen durch ISE und DLR für Fresnel- und Turm-Sekondaries Refl. Silberschicht Schutzschichten 19

20 Zusammenfassung Ertragssimulation und Auslegungsoptimierung - insbesondere für Kollektoren - zunehmend auch für Kraftwerksprozesse Experimentelle Charakterisierung - optische und thermische Receivercharakterisierung - optische Primärspiegelbewertung Materialentwicklung - Absorberschichten - Oberflächenspiegel Weitere CSP-relavante Kompetenzen im ISE - Nieder- und Mitteltemperatur-Kollektoren (M. Rommel) - Klein-Wärmekraftmaschinen (B. Sicre) - Leistungselektronik (B. Burger) 20