Vorläufige Terminplanung Vorlesung „Solarenergie“ WS 2005/2006 Stand: 10.11.2005 Termin Thema Dozent Di. 25.10. Wirtschaftliche

Aspekte/Energiequelle Sonne Lemmer/Heering

Fr. 04.11. - verschoben wg. Krankheit Di. 01.11. Allerheiligen - Di. 08.11. Symposium Automobile

Displaytechnik -

Fr. 11.11. Halbleiterphysikalische Grundlagen Lemmer Di. 15.11. Kristalline pn-Solarzellen Heering Fr. 18.11. Elektrische Eigenschaften Heering Di. 22.11. Optimierung kristalliner Solarzellen Lemmer Fr. 25.11. Technologie kristalliner Solarzellen Lemmer Di. 29.11. Anorganische

Dünnschichtsolarzellen Lemmer

Di. 6.12. Organische Dünnschichtsolarzellen Lemmer Fr. 9.12. Third generation Photovoltaics Lemmer Di. 13.12. Photovoltaische Systeme I Heering Fr. 16.12. Photovoltaische Systeme II Heering Di. 20.12. Solarkollektoren Heering Weihnachtsferien Di. 10.01. Passive Sonnenenergienutzung Heering Di. 17.01. Solarthermische Kraftwerke I Lemmer Fr. 20.01. Energiespeiche/Solarchemie Heering Di. 24.01. Kostenrechnungen zu Solaranlagen Heering Di. 31.01. Energieszenarien Lemmer Anfang Februar Exkursion 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: Eine Erfolgsgeschichte in Südkalifornien

SEGS: Fakten...

-installierte SEGS Gesamtleistung: 354 MW- Stromerzeugung: ca. 500 GWh/a (..entspricht ungefähr der Netzeinspeisung aller Photovoltaik-Anlagen der Welt !!)- Stromgestehungskosten ca. 12-15 €ct/kWh (..zum Vergleich PV: 50 €ct/kWh )

SEGSSEGS--FaktenFakten

Solarthermische Kraftwerke

Solarturmkraftwerk Dish-Stirling-Systeme

-für den effizienten Betrieb einer Wärmekraftmaschine sind Temperaturen > 300 °C erforderlich

Parabolrinnensysteme

- 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

Konzentration solarer Strahlung

- alle solarthermischen Kraftwerke beruhen auf der Konzentration der Sonnenstrahlung- hier am Beispiel eines parabolischen Reflektors

Brennebene

Brennfleckfür Strahl unter

Winkel φ

Brennfleckfür

Zentralstrahl

D

P

αD

αD d = fB • αDφ F ρ •ss αD

cos φ

bEl = ρs •αD

aEl =

φR

f

αD

ρs

ρR

αD: Sonnenwinkel

Überlagerung der Ellipsen

Maximale Konzentration

Aperturfläche des Konzentrators

( )π π ρ φ π ρ φ = ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ 22 2 2 2sin sin .

4p R R R RA D m

π π ρ α= ⋅ = ⋅ ⋅2 2 2

4 4B el R DA b

Brennebene

Brennfleckfür Strahl unter

Winkel φ

Brennfleckfür

Zentralstrahl

D

P

αD

αD d = fB •αDφ F ρ •ss αD

cos φ

bEl = ρs • αD

aEl =

φR

f

αD

ρs

ρR

Durchmesser des Brennflecks

Konzentration

π ρ φ φπ ρ α α

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= = =

⋅ ⋅

2 2 2

2 2 2

4 sin 4 sin .p R R R

B R D D

Ak

A

Maximale Konzentration

Sonnenwinkel αD = 32’ = 0,00931 rad

π ρ φ φπ ρ α α

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= = =

⋅ ⋅

2 2 2

2 2 2

4 sin 4 sin .p R R R

B R D D

Ak

A

Brennebene

Brennfleckfür Strahl unter

Winkel φ

Brennfleckfür

Zentralstrahl

D

P

αD

αD d = fB • αDφ F ρ •ss αD

cos φ

bEl = ρs • αD

aEl =

φR

f

αD

ρs

ρR

22

2

4 sin 46164 sin .0,00931

RRk φ φ⋅

⇒ = = ⋅

2max 2 2

D

4 4k 46164 sin 90 46164α 0,00931

⇒ = = = ⋅ ° =

Maximale Konzentration

- in der technischen Realisierung:

dish: 5000...8000 Turm: 500...1000 Parabolrinne: 100

Entwicklungsreihen KollektorEntwicklungsreihen Kollektor

-Kollektordesign von LUZ

www.solel.com

LS-1 LS-2 LS-3 EurotroughAperturweite 2.5mKollektorlängeStützenabstandRefl. FlächeKonzentration

50 m6 m

128m2

61:1

48 m12 m

235m2

71:1

5.76m99 m

17.3 m545m2

82:1

100-150 m12 m

545m2

82:1 SEGS

5m 5.8m

SpiegelflächeSpiegelfläche

Parabolische Form Aufbau Spiegel

f

x

z4mm Glas

Reflektierende SilberschichtKupferschichtBasisschichtEndschichtKeramische Montierungspolster2-KomponentenSchutzschicht

z = x2 / 4ff = 1.71 (Eurotrough)

- einachsige Nachführung des Reflektors

AbsorberrohrAbsorberrohr

- selektive Beschichtung- Vakuum zwischen Absorberrohr und äußerem Glasrohr

Wirkungsgrad von Parabolrinnenkollektoren

solarQ

absQ

optη

IAM

thermη

Optische Verluste bei senkrechter Einstrahlung

Zusätzl. Opt. Verluste durch schräge Einstrahlung

Thermische Verluste

thermoptsolar

absges IAM

QQ

η⋅⋅η==η

Thermische Verluste am Absorberrohr

Öl

Spiegel

Absorberrohr (ab)Glas-Hüllrohr (g)

VakuumQverl,opt

Qirr

Konvektions- undWärmeleitungs-verluste

Qc,g-a

Qd,ab-g

Strahlungsverluste

Qr,g-a

Qr,ab-g

Rohrenden: Qb

IAM Qsolar

r: Strahlung; d: Wärmeleitung; C: Konvektion

Verluste am Verluste am BspBsp. . EurotroughEurotrough IIII

Globaler Wirkungsgrad bei cos(phi) = 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 50 100 150 200 250 300T - Ta [K]

Wirk

ungs

grad

2*990000005583.0*000047851.07408.0 dTdTth −−=η

Optischer Wirkungsgrad

Thermische Verluste

Thermischer Globalwirkungsgrad: <50 %

Schema Schema ParabolrinnenkraftwerkParabolrinnenkraftwerk SEGSSEGS

KollektorfeldDampfturbine

Überhitzer

Zw.-ÜberhitzerSW-Vorw.

Konden.

Verd.

Zusatz-Feuer.

- Thermoöl als Wärmeträgermedium- Temperaturen bis ca. 400 °C

Verdampfung→SattdampfErhitzung SattdampfÜberhitzungExpansion in HD-TurbineZwischenüberhitzungExpansion in ND-TurbineKondensationSpeisewasservorwärmungModifizierter „Clausius-Rankine“-Prozess

(Hochdruck+Niederdruck)

solar-elektrischer Gesamtwirkungsgrad SEGS VIII: 14 %

thermischer Gesamtwirkungsgrad: < 50 %Wirkungsgrad Stromerzeugung im Dampfkraftwerk: < 45 %

Zusammenfassung Parabolrinnenkraftwerke

- 2 Mqm Parabolrinnenfelder

- 354 MW Kapazität installiert

- geringer Materialeinsatz: pro qm Aperturfläche18 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 Parameternbei 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: einfache Handhabbarkeithohe Temperaturen (hohe Wirkungsgrade)keine Temperaturbeschränkungen

Nachteile: schlechte Wärmeübertragung

Bsp: Phoebus-Konzept

Luftreceiver

Atmosphärischer Luftreceiver„volumetrischer Receiver“ Absorbermaterialien:

Drahtgeflechte, keramische Schäume,keramische/metallische Wabenstrukturen

„HITREC“-LuftreceiverReceiver SOLAIR 200

Technisches VerbesserungspotentialTechnisches Verbesserungspotential

Erhöhte Wirkungsgrade durch:

GuD-Prozeßdazu erforderlich: Hohe Temperaturen erzeugbar durch: Hohe Konzentrationausserdem erforderlich: Druckreceiver

Hohe Konzentration durch Sekundärkonzentratoren

- Reduktion des Brennfleckes auf einen einzelnen Receiver- wirtschaftlicher, höhere Temperaturen möglich

Druckreceiver mit volumetrischem Absorber

Kraftwerksschaltungen - GuD-Prozess

PrinzipPrinzip

Zwischen-überhitzer

DampfturbineGenerator

Verdampfer

Vorwärmer

Überhitzer

Kühlturm

Kondensator

Speisewasser-pumpe

Kanalbrenner(optional)

volumetrischerDruck-Receiver

GasturbineGenerator

Luftzufuhr

Kamin

Netz

- Steigerung des Gesamtwirkungsgrades durch zweistufigen Prozess- Betrieb einer Gasturbine bei hohen Temperaturen- nachgeschaltetes konventionelles Dampfkraftwerk

Wirkungsgradkette: Bsp. Solar One

100

61,9

36,7 34,726,5 26,3

8,8 5,70

20

40

60

80

100

DNI

Genutzt

e Stra

hlung

von H

elios

taten

refle

ktier

tau

f den

Rec

eiver

Ther

mische E

nerg

ieZu

r Tur

bine

Brutto

Elek

trisc

hNett

o Elek

trisc

h

Proz

ent [

%]

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 V161Fa. Solo

p=150 bar (He)650 °C1500 U/min9-10 kW

Aufbau der Dish-Systeme

Probleme: - kostengünstige Fertigung- zu hohe Montagekosten

Aufwindkraftwerk

Aufwindkraftwerk

- bisher ein Versuchskraftwerk mit 100 kW- 250 m Durchmesser , 2 m Kamindurchmesser, 200 m Höhe- Windgeschwindigkeiten 9 -15 m/s- geringer Wirkungsgrad (0.2 %) - geringe Investitionen- 1988 nach Kamineinsturz demontiert

Aufwindkraftwerk

Leistung 200 MW Durchmesser ca. 6.000 m bis 7.000 m Höhe 1.000 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 (www.sbp.de)

Quelle: Heinloth 1997