Vorlesung Solarenergie: Terminplanung

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1 Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Termin Thema Dozent Di Wirtschaftliche Lemmer/Heering Aspekte/Energiequelle Sonne Do Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer photovoltaischer Materialien Do Kristalline pn- Solarzellen Heering Di Elektrische Eigenschaften Heering Do ggf. Exkursion - Do Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Di Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Do Christi Himmelfahrt Do Anorganische Lemmer Dünnschichtsolarzellen Di Pfingstwoche Do Pfingstwoche Di Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Do Fronleichnam Di Photovoltaische Systeme I Heering Do Photovoltaische Systeme I Heering Do Solarkollektoren Heering Di Passive Sonnenenergienutzung Heering Do Solarthermische Kraftwerke Lemmer Do Energieszenarien Lemmer Di Do Solarchemie Heering Do Exkursion ISE 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

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

5 Solarthermische Kraftwerke Parabolrinnensysteme Solarturmkraftwerk Dish-Sterling-Systeme - alle solarthermischen Kraftwerke erfordern eine ausreichend starke direkte Sonneneinstrahlung (keine Nutzung der diffusen Strahlung) - wirtschaftlicher Betrieb nur zwischen Äquator und 35 nördliche (südliche) Breite

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

7 Maximale Konzentration Aperturfläche des Konzentrators A p = π 2 D = π 2 ( sin ) sin [ ρ φ = π ρ φ m ]. R R R R P α D Durchmesser des Brennflecks b El = ρ s α D A π π = b = ρ α B el 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 A 4 π ρ sin φ 4 sin φ k = = =. A π ρ α α p R R R B R D D

8 Maximale Konzentration Sonnenwinkel α D = 32 = 0,00931 rad A 4 π ρ sin φ 4 sin φ k = = =. A π ρ α α p R R R 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

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

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

11 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

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

13 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

14 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

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

16 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

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

18 Schema Parabolrinnenkraftwerk SEGS

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 Atmossphärischer 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: Druckreceiver

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

28 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

29 Geschlossener volumetrischer Absorber

30 Wirkungsgradkette: Bsp. Solar One 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 - geringer Wirkungsgrad (0.2 %) - geringe Investionen... in der Planung : 1000 m Turm, 100 MW Schlaich, Bergermann und Partner (

37 Quelle: Heinloth