Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand:

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1 Vorläufige Terminplanung Vorlesung Solarenergie WS 2005/2006 Stand: Termin Thema Dozent Di Wirtschaftliche Lemmer/Heering Aspekte/Energiequelle Sonne Fr verschoben wg. Krankheit Di Allerheiligen - Di Symposium Automobile - Displaytechnik Fr Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer Di Kristalline pn-solarzellen Heering Fr Elektrische Eigenschaften Heering Di Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Di Anorganische Lemmer Dünnschichtsolarzellen Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr Third generation Photovoltaics Lemmer Di Photovoltaische Systeme I Heering Fr Photovoltaische Systeme II Heering Di Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di Passive Sonnenenergienutzung Heering Di Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr Energiespeiche/Solarchemie Heering Di Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion Heering/Lemmer

2 Solarthermische Kraftwerke...Dank an Prof. Robert Pitz-Paal für zahlreiche Folien und Bilder!

3 SEGS: Impressionen... Solar Electric Generating System 1..9 SEGS: Eine Erfolgsgeschichte in Südkalifornien

4 SEGS: Fakten... -installierte SEGS Gesamtleistung: 354 MW - Stromerzeugung: ca. 500 GWh/a (..entspricht ungefähr der Netzeinspeisung aller Photovoltaik-Anlagen der Welt!!) - Stromgestehungskosten ca ct/kwh (..zum Vergleich PV: 50 ct/kwh )

5 SEGS-Fakten

6 Solarthermische Kraftwerke Parabolrinnensysteme Solarturmkraftwerk Dish-Stirling-Systeme -für den effizienten Betrieb einer Wärmekraftmaschine sind Temperaturen > 300 C erforderlich - alle solarthermischen Kraftwerke erfordern eine ausreichend starke direkte Sonneneinstrahlung und nachfolgende Konzentration (keine Nutzung der diffusen Strahlung) - wirtschaftlicher Betrieb nur zwischen Äquator und 35 nördlicher (südlicher) Breite

7 Konzentration solarer Strahlung - alle solarthermischen Kraftwerke beruhen auf der Konzentration der Sonnenstrahlung - hier am Beispiel eines parabolischen Reflektors P α D α D : Sonnenwinkel α D b El = ρ s α D D f ρ s α D φ F d =f α D B a El = ρ s s α D cos φ φ R ρr Brennfleck für Zentralstrahl Brennfleck für Strahl unter Winkel φ Brennebene Überlagerung der Ellipsen

8 Maximale Konzentration Aperturfläche des Konzentrators π 2 = = π ( ρ φ ) A sin = π ρ sin φ p D R R R R m. 4 P α D Durchmesser des Brennflecks b El = ρ s α D A π π = b 2 = ρ 2 α B el R D D φ R f α D ρr ρ s α D φ F d =f α D B Brennfleck für Zentralstrahl Brennfleck für Strahl unter Winkel φ ρ s s α a D El = cos φ Konzentration Brennebene k Ap 4 π ρr sin φr 4 sin φr = = = A π ρ α α B R D D.

9 Maximale Konzentration Sonnenwinkel α D = 32 = 0,00931 rad k Ap 4 π ρr sin φr 4 sin φr = = = A π ρ α α B R D D. P α D 2 4 sin φr k = = 2 0,00931 φ sin R. D φ R f α D ρr ρ s α D φ F d =f α D B Brennfleck für Zentralstrahl b El = ρ s α D Brennfleck für Strahl unter Winkel φ ρ s s α a D El = cos φ Brennebene 4 4 = = = = 2 kmax sin αd 0,00931

10 Maximale Konzentration - in der technischen Realisierung: dish: Turm: Parabolrinne: 100

11 Entwicklungsreihen Kollektor -Kollektordesign von LUZ Aperturweite 2.5m Kollektorlänge 50 m Stützenabstand 6 m Refl. Fläche 128m 2 Konzentration 61:1 LS-1 LS-2 LS-3 Eurotrough 5m 5.76m 99 m 17.3 m 545m 2 82:1 5.8m 82:1 48 m 12 m 235m 2 71:1 SEGS m 12 m 545m 2

12 Spiegelfläche Parabolische Form Aufbau Spiegel z 4mm Glas f x z = x 2 / 4f f = 1.71 (Eurotrough) Reflektierende Silberschicht Kupferschicht Basisschicht Endschicht Keramische Montierungspolster 2-Komponenten Schutzschicht - einachsige Nachführung des Reflektors

13 Absorberrohr - selektive Beschichtung - Vakuum zwischen Absorberrohr und äußerem Glasrohr

14 Wirkungsgrad von Parabolrinnenkollektoren Q solar η opt Optische Verluste bei senkrechter Einstrahlung IAM Zusätzl. Opt. Verluste durch schräge Einstrahlung Q abs η therm η ges Thermische Verluste = Q Q abs solar = η opt IAM η therm

15 Thermische Verluste am Absorberrohr Strahlungsverluste Q r,g-a Absorberrohr (ab) Glas-Hüllrohr (g) Rohrenden: Q b Q r,ab-g Öl Q d,ab-g Q c,g-a IAM Q solar Q verl,opt Q irr Vakuum Konvektions- und Wärmeleitungsverluste Spiegel r: Strahlung; d : Wärmeleitung; C : Konvektion

16 Verluste am Bsp. Eurotrough II Globaler Wirkungsgrad bei cos(phi) = 1 Optischer Wirkungsgrad Wirkungsgrad η th Thermische Verluste = * dt * dt T - T a [K] 2 Thermischer Globalwirkungsgrad: <50 %

17 Schema Parabolrinnenkraftwerk SEGS Kollektorfeld Überhitzer Zusatz- Feuer. Dampfturbine (Hochdruck+Niederdruck) Konden. Verd. - Thermoöl als Wärmeträgermedium - Temperaturen bis ca. 400 C Zw.-Überhitzer Modifizierter Clausius-Rankine -Prozess SW-Vorw. Verdampfung Sattdampf Erhitzung Sattdampf Überhitzung Expansion in HD-Turbine Zwischenüberhitzung Expansion in ND-Turbine Kondensation Speisewasservorwärmung

18 thermischer Gesamtwirkungsgrad: < 50 % Wirkungsgrad Stromerzeugung im Dampfkraftwerk: < 45 % solar-elektrischer Gesamtwirkungsgrad SEGS VIII: 14 %

19 Zusammenfassung Parabolrinnenkraftwerke - 2 Mqm Parabolrinnenfelder MW Kapazität installiert - geringer Materialeinsatz: pro qm Aperturfläche 18 kg Stahl, 11 kg Glas % weniger Landbedarf als bei Dish-/ Turmanlagen - beste solare Wirtschaftlichkeit (10-15 ct/kwh) - gute Modularität - Parabolspiegel und Absorberrohrfertigung in D

20 Solare Turmkraftwerke Turmkraftwerk =Sonne +Heliostaten + Receiver +(Speicher) +konventionelles Wärmekraftwerk

21 Solare Turmkraftwerke: Wärmeträgermedium? - schwankende Einstrahlung führt zu schnell schwankenden Parametern bei Verwendung von Wasser als Medium - Alternativen: Salzschmelzen, Natrium, Luft,... SSPS: Zerstörung des Kraftwerkes durch Natriumbrand

22 Salzturmkraftwerke - Salz wird von 285 C auf 565 C erhitzt - Speicherung möglich - Betrieb einer Dampfturbine - Rückführung in Kaltsalztank

23 Salzturmkraftwerke - Salz wird von 285 C auf 565 C erhitzt - Speicherung möglich - Betrieb einer Dampfturbine - Rückführung in Kaltsalztank Nachteile/Probleme: - hohe Schmelzpunkt, elektrische Beheizung notwendig - Korrosion

24 Luft als Wärmemedium Vorteile: Nachteile: einfache Handhabbarkeit hohe Temperaturen (hohe Wirkungsgrade) keine Temperaturbeschränkungen schlechte Wärmeübertragung Bsp: Phoebus-Konzept

25 Luftreceiver Atmosphärischer Luftreceiver volumetrischer Receiver Absorbermaterialien: Drahtgeflechte, keramische Schäume, keramische/metallische Wabenstrukturen HITREC -Luftreceiver Receiver SOLAIR 200

26 Technisches Verbesserungspotential Erhöhte Wirkungsgrade durch: GuD-Prozeß dazu erforderlich: Hohe Temperaturen erzeugbar durch: Hohe Konzentration ausserdem erforderlich: Druckreceiver

27 Hohe Konzentration durch Sekundärkonzentratoren - Reduktion des Brennfleckes auf einen einzelnen Receiver - wirtschaftlicher, höhere Temperaturen möglich

28 Druckreceiver mit volumetrischem Absorber

29 Kraftwerksschaltungen - GuD-Prozess Prinzip volumetrischer Druck-Receiver Netz Kanalbrenner (optional) Überhitzer Zwischenüberhitzer Verdampfer Generator Gasturbine Vorwärmer Dampfturbine Generator Kondensator Luftzufuhr Kühlturm Kamin Speisewasserpumpe - Steigerung des Gesamtwirkungsgrades durch zweistufigen Prozess - Betrieb einer Gasturbine bei hohen Temperaturen - nachgeschaltetes konventionelles Dampfkraftwerk

30 Wirkungsgradkette: Bsp. Solar One ,9 36,7 34,7 26,5 26,3 8,8 5,7 DNI Genutzte Strahlung von Heliostaten reflektiert auf den Receiver Thermische Energie Zur Turbine Brutto Elektrisch Netto Elektrisch Prozent [%]

31 Zusammenfassung Solarturmkraftwerke - noch keine kommerzielle Reife - konkurrierende Techniken Salzturm/Luftreceiver - Ziel GuD-Kombikraftwerke mit Hochtemperaturwärme 1100 C - potentiell geringere Stromgestehungskosten durch höhere Wirkungsgrade

32 Dish-Stirling-Systeme - typische elektrische Leistung zwischen 5 und 50 kw - geeignet zur dezentralen solaren Stromerzeugung - gute Konzentration durch parabolischen Reflektor - zweiachsige Nachführung

33 Funktionsprinzip Stirling-Motor Stirling V161 Fa. Solo p=150 bar (He) 650 C 1500 U/min 9-10 kw

34 Probleme: - kostengünstige Fertigung - zu hohe Montagekosten Aufbau der Dish-Systeme

35 Aufwindkraftwerk

36 Aufwindkraftwerk - bisher ein Versuchskraftwerk mit 100 kw m Durchmesser, 2 m Kamindurchmesser, 200 m Höhe - Windgeschwindigkeiten 9-15 m/s - geringer Wirkungsgrad (0.2 %) - geringe Investitionen nach Kamineinsturz demontiert

37 Aufwindkraftwerk Leistung 200 MW Durchmesser ca m bis m Höhe m Grundfläche max. rund 38 km² 200 MW Aufwindkraftwerk (in Planung) Ort Mildura, Australien Bauart Aufwindkraftwerk mit Stahlbetonturmröhre und Stahl/Glas- Luftsolarkollektor (alternativ mit Kunststoffeindeckung) Bauherr Enviromission Schlaich, Bergermann und Partner (

38 Quelle: Heinloth 1997