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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
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
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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
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