Vorlesung Solarenergie: Terminplanung Termin Thema Dozent Di. 20.4. Wirtschaftliche Lemmer/Heering Aspekte/Energiequelle Sonne Do. 22.4. Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer photovoltaischer Materialien Do. 29.4. Kristalline pn- Solarzellen Heering Di. 4.5. Elektrische Eigenschaften Heering Do. 6.5. - ggf. Exkursion - Do. 13.5. Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Di. 18.5. Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Do. 20.5. Christi Himmelfahrt Do. 27.5. Anorganische Lemmer Dünnschichtsolarzellen Di. 1.6. Pfingstwoche Do. 3.6. Pfingstwoche Di. 8.6. Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Do. 10.6. Fronleichnam Di. 15.6. Photovoltaische Systeme I Heering Do. 17.6. Photovoltaische Systeme I Heering Do. 24.6. Solarkollektoren Heering Di. 29.6. Passive Sonnenenergienutzung Heering Do. 1.7. Solarthermische Kraftwerke Lemmer Do. 8.7. Energieszenarien Lemmer Di. 13.7. - - Do. 15.7. Solarchemie Heering Do. 22.7. Exkursion ISE Heering/Lemmer
Solarthermische Kraftwerke...Dank an Prof. Robert Pitz-Paal für zahlreiche Folien und Bilder! www.bine.info/pdf/infoplus/fachartikelpitzpaaldlr.pdf
SEGS: Impressionen... Solar Electric Generating System 1..9
SEGS: Fakten... -installierte SEGS Gesamtleistung: 354 MW - Stromerzeugung: ca. 500 GWh/h (..entspricht ungefähr der Netzeinspeisung aller Photovoltaik-Anlagen der Welt!!) - Stromgestehungskosten ca. 12-15 ct/kwh (..zum Vergleich PV: > 50 ct/kwh )
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
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
Maximale Konzentration Aperturfläche des Konzentrators A p = π 2 D = π 2 ( sin ) sin [ 2 2 2 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 4 4 2 2 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 2 2 2 p R R R 2 2 2 B R D D
Maximale Konzentration Sonnenwinkel α D = 32 = 0,00931 rad A 4 π ρ sin φ 4 sin φ k = = =. A π ρ α α 2 2 2 p R R R 2 2 2 B R D D P α D 2 4 sin φr k = = 2 0,00931 φ 2 46.164 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 46.164 sin 90 46.164 2 2 αd 0,00931
Maximale Konzentration - in der technischen Realisierung: dish: 5000...8000 Turm: 500...1000 Parabolrinne: 100
Entwicklungsreihen Kollektor -Kollektordesign von LUZ www.solel.com LS-1 LS-2 LS-3 Eurotrough Aperturweite Kollektorlänge Stützenabstand 2.5m 50 m 6 m 128m 2 5m 48 m 12 m 235m 2 5.76m 99 m 17.3 m 545m 2 5.8m Refl. Fläche Konzentration 61:1 71:1 82:1 SEGS 100-150 m 12 m 545m 2 82:1
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
Absorberrohr - selektive Beschichtung - Vakuum zwischen Absorberrohr und äußerem Glasrohr
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
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
Verluste am Bsp. Eurotrough II 1 0.8 Globaler Wirkungsgrad bei cos(phi) = 1 Optischer Wirkungsgrad Wirkungsgrad 0.6 0.4 0.2 0 η th Thermische Verluste = 0.7408 0.000047851* dt 0.000000558399 * dt 0 50 100 150 200 250 300 T - Ta [K] 2 Thermischer Globalwirkungsgrad: <50 %
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
thermischer Gesamtwirkungsgrad: < 50 % Wirkungsgrad Stromerzeugung im Dampfkraftwerk: < 45 % solar-elektrischer Gesamtwirkungsgrad SEGS VIII: 14 %
Schema Parabolrinnenkraftwerk SEGS
Zusammenfassung Parabolrinnenkraftwerke - 2 Mqm Parabolrinnenfelder - 354 MW Kapazität installiert - geringer Materialeinsatz: pro qm Aperturfläche 18 kg Stahl, 11 kg Glas -30-50 % weniger Landbedarf als bei Dish-/ Turmanlagen - beste solare Wirtschaftlichkeit (10-15 ct/kwh) - gute Modularität - Parabolspiegel und Absorberrohrfertigung in D
Solare Turmkraftwerke Turmkraftwerk =Sonne +Heliostaten + Receiver +(Speicher) +konventionelles Wärmekraftwerk
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
Salzturmkraftwerke - Salz wird von 285 C auf 565 C erhitzt - Speicherung möglich - Betrieb einer Dampfturbine - Rückführung in Kaltsalztank
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
Luft als Wärmemedium Vorteile: Nachteile: einfache Handhabbarkeit hohe Temperaturen (hohe Wirkungsgrade) keine Temperaturbeschränkungen schlechte Wärmeübertragung Bsp: Phoebus-Konzept
Luftreceiver Atmossphärischer Luftreceiver volumetrischer Receiver Absorbermaterialien: Drahtgeflechte, keramische Schäume, keramische/metallische Wabenstrukturen HITREC -Luftreceiver Receiver SOLAIR 200
Technisches Verbesserungspotential Erhöhte Wirkungsgrade durch: GuD-Prozeß dazu erforderlich: Hohe Temperaturen erzeugbar durch: Hohe Konzentration ausserdem: Druckreceiver
Hohe Konzentration durch Sekundärkonzentratoren - Reduktion des Brennfleckes auf einen einzelnen Receiver - wirtschaftlicher, höhere Temperaturen möglich
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
Geschlossener volumetrischer Absorber
Wirkungsgradkette: Bsp. Solar One Wirkungsgradkette: Bsp. Solar One 100 100 80 60 40 20 0 61,9 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 [%]
Zusammenfassung Solarturmkraftwerke - noch keine kommerzielle Reife - konkurrierende Techniken Salzturm/Luftreceiver - Ziel GuD-Kombikraftwerke mit Hochtemperaturwärme 1100 C - potentiell geringere Stromgestehungskosten durch höhere Wirkungsgrade
Dish-Stirling-Systeme - typische elektrische Leistung zwischen 5 und 50 kw - geeignet zur dezentralen solaren Stromerzeugung - gute Konzentration durch parabolischen Reflektor - zweiachsige Nachführung
Funktionsprinzip Stirling-Motor Stirling V161 Fa. Solo p=150 bar (He) 650 C 1500 U/min 9-10 kw
Probleme: - kostengünstige Fertigung - zu hohe Montagekosten Aufbau der Dish-Systeme
Aufwindkraftwerk
Aufwindkraftwerk - bisher ein Versuchskraftwerk mit 100 kw - 250 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 (www.sbp.de)
Quelle: Heinloth