Mini-Spiegel-Arrayfür

solarthermische Kraftwerke

Markus Sauerborn

Solar-Institut Jülich

B. Hoffschmidt, J. Göttsche, S. Schmitz

Ch. Rebholz, F. Ansorge, D. Ifland

Projekt gefördert durch das BMU (FKZ: 16UM0074)

Mini-Spiegel-Array

Ziel• Entwicklung Mini-Spiegel-Array

(flacher Heliostat)

Aufgabe• Entwicklung 1. Demonstrator:

- Mini-Spiegel-Array (in Box) - Antrieb Miniatur-Aktoren- Wirkungsgrad ≈ große Heliostate

• Technische Prüfung des Demonstrators unter der Künstlichen Sonne des SIJ i. A.

• Theoretische Systemanalyse für Solarturmkraftwerke

• Erste Analyse zur Kostenentwicklung• Ökobilanz i. A.

Partner• Solar-Institut Jülich (SIJ) / FH-Aachen – Jülich• Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (Fh-IZM) – Oberpfaffenhofen

• Institut für Technische Thermodynamik DLR – Stuttgart

Mini-Spiegel

Heliostat \ 2-4m²

Problemstellung• Stromentstehungskosten für Solarkraftwerke wesendlich durch Baukosten definiert• Spiegelfeld: 30% - 50% der Gesamtkosten

Maximales Kostenreduktionspotenzial des Heliostatenfeldes(Stand der Technik & Massenproduktion)

Beispiel: PS10 Heliostat (Spanien / Sevilla) Spiegelfläche 120m² bzw. 90m² Kosten (aktuell) 130€/m³

Spiegel, Rahmen, StrukturAntrieb, Säule, Steuerung 90% Stahl

Gewicht 38kg/m²durch Windlastabsicherung bis 45km/h

Mindestkosten70€/m²

maximaleKostenreduktion

46%

Stahlpreis≥ 2€/kg

Windlast => weniger & günstigere Werkstoffe => Mini-Spiegel-Array

1. Demonstrator-Version 25 kleine Spiegel

Spiegelgröße: (10 x 10)cm

Boxgröße: (60 x 60)cm

hochtransparentes Solarglass als Abdeckung

Bewegungssystem: untereinander verbundene, parallele Ständer

Entwicklungsziel MSA (langfristig)

> 100 kleine Spiegel

Spiegelgröße: (10 x 10)cm - (20 x 20)cm

Boxgröße: bis (200 x 200)cm

Gewicht: Tragbar für 2 Personen

Mini-Spiegel-Array (MSA)

Aktuell Demonstratorbau in Zeitverzug

Vermessungssystem

Künstliche Sonne des SIJ

Sonnen-Beleuchtungs-Simulation Paralleler Strahl Sonnenverlauf

Beleuchtungs-Einheit Lampe & Parabolspiegel LASER-System

Bewegungs-System Rotationskranz / Horizontal (Azimut)

Teleskop-Arm / Höhenstand (Elevation)

elektr. Antriebe mit CAN-Bus Programmierbare Software-Steuerung

Optische Verluste von Heliostaten für Solarturmkraftwerke

• Spiegelreflektivität

• Absorption (Atmosphäre)

• Kosinusverluste

• Shading (Verschattung) und Blocking (Abblocken)

• Spilling (Nachführgenauigkeit)

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42242

246

250

254

258

262

elevation angle (°)

azi

mu

th a

ng

le (

°)

0.547-0.548

0.546-0.547

0.545-0.546

0.544-0.545

0.543-0.544

0.542-0.543

0.541-0.542

0.54-0.541

0.539-0.54

0.538-0.539

0.537-0.538

0.536-0.537

0.535-0.536

0.534-0.535

0.533-0.534

0.532-0.533

0.531-0.532

0.53-0.531

0.529-0.53

0.528-0.529

0.527-0.528Reflektionseffizienz als Funktion der Box-Orientierung für

definierte Position im Feld

=> optimale Ausrichtung

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17time (h)

refl

ec

tio

n e

ffic

ien

cy

reference heliostat

MMA, ideal, ARC

Vergleich der Ausbeute über Tag MSA - Referenz-Heliostat

=> verringerter Wirkungsgraddes MSA um bis 30% pro m²

vergrößerte Aufstellfläche Kostenanalyse?

Theoretische Systemanalyse (DLR)

Performance Grenzen & Vergleich mit klassischem Heliostat

- Ziel: MIPS-Analysenach dem Wuppertal Institut

- Aktuelle Auslegung des Demonstratorts lässt noch keine sinnvolle Bewertung für hoch skalierten Prototypen zu

Ökonomische Betrachtung (Berechnungsmodul)

Großspiegel Mini-Spiegel-ArrayGroßspiegelKalkulationszinssatz

Zielwert = 100€/m²Literaturwert Literaturwert

Ökologische Betrachtung (in Arbeit)

Aluminiumeinsatzes in den Baugruppen des MSA 

Zusammenfassung Ein Mini-Spiegel-Array Konzept für Solarthermische Anwendungen wird für das

Heliostatenfeld von Solarthermischen Turmkraftwerken untersucht

Theoretische Systemanalysis (bei gleicher Spiegelfläche)

Erstes Analysemodul bzgl. Stromgestehungskosten erstellt

Technische Bewertung mit der Künstlichen Sonne im SIJ sind i. A.

Ökobilanz i. A.

Ergebnisse:

=> reduzierte Reflektionseffizienz (-30%) mit Vergleich zum klassischen Heliostat

=> aber mehr Spiegelfläche pro Feldfläche möglich

=> geringere Kosten pro m² möglich

=> weitere Optimierungen der technischen Eigenschaften und bei der Herstellung sind absehbar

=> ökonomische Betrachtung relativiert den schlechteren Wirkungsgrad

=> Weitere Simulationen zur Feldauslegung erforderlich

=> Weiterentwicklung zum Prototyp

Danke für die Aufmerksamkeit!