Konz. Solarth. (Linienkonz., Punktkonz., Kraftwerkskonz., Speicher) Flashcards
Nenne vier Systeme der konzentrierenden Solarthermie und skizziere diese!
Solarturm
Parabolrinnenkollektor (bzw. -Spiegel)
Parabolkollektor (bzw. -Spiegel)
Linear-Fresnal-Kollektor
Skizze slide 3
Was ist ein wesentlicher Unterschied hinsichtlich des Anwendungsbereiches von nicht-konzentrierender Solarthermie und konzentrierender Solarthermie?
Nicht-konzentrierende Solarthermie wird hauptsächlich für Wärmzwecke eingesetzt.
Die konzentrierende Solarthermie hauptsätzlich zur Strombereitstellung
Konzentrierende Solarthermie
Beschreibe das allgemeine Prinzip durch eine Skizze.
-> Wie berechnet sich der Konzentrationsfaktor C?
Skizze siehe slide 4!
C = AsubK / AsubR
Mit:
AsubK: Fläche des Konzentrator
AsubR: Fläche des Receivers
(häufig aber eher Reflektion am Konzentrator (Spiegel))
Konzentrierende Solarthermie
Bei höheren Konzentrationsfaktoren C werden höhere theoretische Absorbertemperaturen erreicht.
-> siehe slide 5
…
Bei der konzentrierenden Solarthermie können die Systeme wie unterteilt werden? (2) Nenne jeweils zwei Beispiele!
Linienkonzentratoren
-> Parabolrinnenkollektor
-> Linear-Fresnel-Kollektor
Punktkonzentratoren
-> Paraboloide (bzw. Solar dish)
-> Solarturm
Linienkonzentratoren
- Parabolrinnenkollektor
- Linear-Fresnel-Kollektor
Punktkonzentratoren
- Paraboloide (bzw. Solar dish)
- Solarturm
Welche Konzentrationsfaktoren liegen circa vor jeweils?
Linienkonzentratoren:
- Parabolrinnenkollektor
-> C = 15-90 - Linear-Fresnel-Kollektor
-> C = 10-80
Punktkonzentratoren:
- Paraboloide (bzw. Solar dish)
-> 100-1000 - Solarturm
-> 100-1500
Linienkonzentratoren und Punktkonzentratoren
Welche weisen üblicherweise höhere Konzentrationsfaktoren (C) auf?
die Punktkonzentratoren(!)
Linienkollektoren
-> siehe slide 9 an!
…
Nenne Komponenten bei der Parabolrinne! (8)
Parabolreflektor
Absorberleitung
Metallgerüst
Sonnennachführungssystem
Fahrsystem
Rohrverbindungen
Fundament
Wärmeübertragendes Fluid
Linienkollektoren: Parabolrinne
Der Solarkollektor rotiert entlang seiner Achse gemäß was?
der Sonne
-> siehe slide 11
Parabolreflektoren und Metallgerüste
1) Was für ein Glas wird verwendet?
2) Was stellt eine Herausforderung dar?
1) teures Glas mit sehr fragilen, speziellen Beschichtungen
2) Entwicklung von immer leichteren und günstigeren Reflektoren
-> Wichtig: Erhaltung hoher solarer Übertragungswerte
Parabolreflektoren und Metallgerüste
Struktur: aus Metall, Forschung mit Plastik, Kohlefasern,…
Bereitstellung der Stabilität für den Kollektor, um den ?(1)? gering zu halten
Trägerkonstruktion: ?(2)?
(1) optischen Fehler
(2) Torque box (torque-Drehmoment)
Konstruktion: Parameter zur Kollektorinstallation
Welcher Hauptparameter muss bei der Kollektorinstallation beachtet werden?
Widerstandsfähigkeit gegen hohe Windstärken
(normale Nutzung bis Windstärken von 60 km/h)
(bei Windstärken bis zu 120 km/h wird eine Stauposition eingenommen)
Absorberleitungen (Parabolrinne und Fresnel)
Metallröhre mit ?(1)?, Nutzung von ?(2)?, niedrige ?(3)? im IR Spektrum
Umgeben von ?(4)?, um Wärme- und Konvektionsverluste zu vermeiden.
-> Wärmeübertragung durch ?(5)?
?(6)?: reaktives Material zur Vakuumreinhaltung: Entfernung von Gaspartikeln, oft mit Angaben zur Vakuumzusammensetzung
-> siehe slide 15!
(1) selektiver Beschichtung
(2) sichtbarem bis Infrarotspektrum
(3) Emissionen
(4) Vakuumröhren
(5) Strahlung
(6) Getter
Absorberleitungen (Parabolrinne und Fresnel)
Beschrifte Abbildungen auf slide 15!!
…
Welches Arbeitsmedium wird meist für linienfokussierende Systeme eingesetzt und welche Charakteristika weist es auf?
Wärmeübertragung durch Fluide im Absorber
-> meist synthetisches thermisches Öl:
Therminol VP-1 für Temperaturen zwischen 200 - 380°C
Charakteristika:
- gute Wärmeübertragung
- stabile chem. Eigens.
- meistens flüssig genutzt
- niedrige Viskosität (bei 120-400°C)
- giftig und brennbar
Welche Arbeitsfluide für linienfokussierende Systeme befinden sich in der Entwicklung oder werden erprobt? (3)
Salzschmelze
Wasser
Gas
-> jeweilige Vor- und Nachteile siehe slide 18!!
Arbeitsfluide für linienfokussierende Systeme in der Entwicklung oder Erprobung:
Nenne zu jedem einen Vor- und einen Nachteil!
1) Salzschmelze
2) Wasser
3) Gas
1) Salzschmelze
-> Vorteil, z.B.: sehr effizienter Wärmetauscher
-> Nachteil, z.B.: sehr komplexe Konstruktion notw.
2) Wasser
-> Vorteil, z.B.: einfacher Kraftwerksaufbau
-> Nachteil, z.B.: komplexere Kontrolle
3) Gas
-> Vorteil, z.B.: verstärkter thermischer Speicher
-> Nachteil, z.B.: komplexe Kontrolle
Parabolrinnenkollektor: Wartung und Reinigung
Was muss hinsichtlich der Reinigung beachtet werden? (2)
Braucht speziell angepasstes Auto zur Reinigung
hoher Bedarf an destilliertem Wasser
Verluste an der Parabolrinne
-> siehe slide 20-22!
…
Parabolrinnenkollektoren: Kollektorwirkungsgrade
-> siehe slide 24!
..
Dimensionierung eines Solarfeldes
Definition der geforderten Designcharakteristika eines Feldes (Kollektororientierung, DIN, thermische Outputmenge, Datum und Zeit,…)
Die Rohrkonstruktion soll was minimieren? (3)
die Rohrlänge (kostentechnisch)
thermische Verluste
Druckabfall (Ventile benötigt)
Dimensionierung eines Solarfeldes
Definition der geforderten Designcharakteristika eines Feldes (Kollektororientierung, DIN, thermische Outputmenge, Datum und Zeit,…)
Die Rohrkonstruktion soll was minimieren? (3)
die Rohrlänge (kostentechnisch)
thermische Verluste
Druckabfall (Ventile benötigt)
Dimensionierung eines Solarfeldes
Welche unterschiedlichen Designs gibt es? (3) Nenne zu jedem jeweils einen Vor- und einen Nachteil!
Direkter Rückfluss
-> Vorteil: geringere therm. Verluste
-> Nachteil: hohe Druckunterschiede (störanfälliger)
Inverser Rückfluss
-> Vorteil: konstante Druckänderungen (weniger störanfällig
-> Nachteile: höhere thermische Verluste
Zentrale Einspeisung
-> Vorteil: kürzere Rohrlängen
-> Nachteil: hohe Druckänderung (störanfälliger)
-> siehe Abbildungen slide 23 (25)
Erkläre das Konzept des Linear-Fresnel-Kollektors.
Skizziere ihn auch!
Einachsige Sonnennachführung
Nutzung von flachen Spiegeln mit unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten zur linearen Fokussierung
Skizze slide 3!
Optischer Wirkungsgrad des Linear Fresnel Kollektor ist höher als bei Parabolrinnenkollektor (PRK)
Wahr/Falsch?
FALSCH
-> geringer
Optischer Wirkungsgrad geringer als bei Parabolrinnenkollektor (PRK), aber geringere ?(1)?aufgrund der ?(2)? und reduzierter ?(3)?.
Benötigt aber mehr ?(4)?
(1) Produktionskosten
(2) flachen Spiegel
(3) Stabilitätskonstruktionen
(4) Aufmerksamkeit/Nachführung der einzelnen Spiegel
Linear-Fresnel-Kollektor: Hauptwinkel
Nenne die 3 Hauptwinkel!
transversaler Winkel
-> Winkel zwischen Zenit und der Projektion der geraden Achse zur Sonne auf die transversale Ebene
longitudinaler Winkel
-> Winkel zwischen Zenit und der Projektion der geraden Achse zur Sonne auf die longitudinale Ebene
Winkel i
-> Winkel zwischen der geraden Achse zur Sonne und der Schnittlinie zwischen Einfalls- und Transversalwinkel (im Prinzip beiden oberen Winkel zusammen gesetzt)
Ordne die Winkel der Abbildung auf slide 30 zu.
Linear-Fresnel-Kollektor: Optische Verluste
Bei seitlichem Lichteinfall (morgens und nachmittags) gibt es die folgenden optische Effekte am Linear Fresnel Kollektor: ?? (3)
Kosinusverluste
-> Verluste an den Spiegeln wegen unterschiedlicher Einfallswinkel
Verschattung
-> abhängig vom Sonnenstand, gibt es teilweise Abschattungen benachbarter Spiegel
Blockierung
-> bei starker Inklination der äußeren Spiegel können sie benachbarte Spiegel abschatten
(siehe Abbildungen slide 31!)
Was ist der Grund warum der optische Wirkungsgrad beim Linear Fresnel Kollektor kleiner ist als beim Parabolrinnenkollektor?
Da neben Kosinusverlusten beim Linear Fresnel Kollektor auch Blockierungen und Verschattungen auftreten.
(siehe slide 31+32)
Linear-Fresnal-Kollektor: Thermische Verluste
Abhängig vom ?(1)? des Kollektors
Wärmeverluste in [W/m^2)
Empfängercharakteristika sind vom ?(2)? abhängig
(1) Empfängertyp
(2) Kollektormodell
(siehe slide 33)
Nenne mind. 3 Vorteile des Linear-Fresnel-Kollektors im Vergleich zu Parabolrinnenkollektor! (5)
Geringere Investitionskosten
-> planare (flache) Spiegel in bodennähe installiert und einfache Nachführsysteme
Benötigt weniger Landfläche pro MW Kapazität im Vergleich zu anderen Solarkollektoren
-> können nebeneinander platziert werden
Verringerte Windlast durch flache Reflektoren in Bodennähe
-> ermöglicht leichtere Konstruktionen und einfachere Nachführungen
–
Verringerte technische Anforderungen der Absorber
-> (…)
Verringerte optische Präzision nötig
-> (…)
Grundsätzlich benötigen Linear Frisnel Kraftwerke bis zu ?(1)? weniger Material, um die gleiche thermische Energie wie ein Parabolrinnenkraftwerk zu erzeugen
70%
Linear-Fresnel-Kollektor
Integration eines zweiten Reflektors bietet folgende Vorteile: ??
Größere Kollektoröffnung bedeutet größeres Ziel -> einfachere Spiegelausrichtung und Installation
Linear-Frisnel-Kollektoren können auch auf Flachdächern installiert werden.
Wahr/Falsch?
Wahr
-> weil deutlich leichter als Parabolrinnenkollektoren
Solar dish
-> siehe slide 46+47
…
Parboloid/Solar dish
Beschrifte Abbildung auf slide 46
…
Bei Paraboloiden (bzw. Solar dish) kommt als Wärmekraftmaschine was zum Einsatz?
Sterling-Motor
Sterlingmotor Arbeitsprinzip
Beschreibe die 4 Arbeitsschritte!
I. Erhitzung und Expansion
-> Das Arbeitsgas wird erwärmt, dehnt sich aus und treibt den Arbeitskolben an, der Arbeit leistet
II. Verdrängung und Abkühlung
-> Der Verdrängerkolben bewegt das Gas in den kalten Bereich, wo es Wärme an den Regenerator abgibt und sich abkühlt
III. Rückkehr des Arbeitskolben
-> Im kalten Raum kommt es weiter zur Wärmeabgabe
-> Der Arbeitskolben kehrt in die Ausgangsposition zurück da das Gas kontrahiert
IV. Erneute Erwärmung
-> Der Verdrängerkolben verschiebt das Gas zurück in den heißen Bereich, wo es Wärme vom Regenerator aufnimmt.
(siehe slide 50!!)
Sterlingmotor
Welche Energieumwandlung findet statt?
Wärmeenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Sterling Kreisprozess
-> Zeichne ihn im p-V und T-s-Diagramm!
-> Kennzeichne die Arbeitsschritte und wo Wärme zu-abgeführt wird
siehe slide 51!!
Sterling Kreisprozess
Nenne die Prozessschritte!
1->2: Die Luft expandiert isotherm (also bei konstanter Temperatur)
2 -> 3: Luft wird nach der Expansion isochor (d.h. bei konstantem Volumen) abgekühlt
3 -> 4: Danach wird sie isotherm komprimiert
4 -> 1: Die Luft wird wieder isochor aufgeheizt auf die Anfangstemperatur
-> siehe slide 51
Siehe Stirlingmotor slide 52
…
Solarturmkraftwerk
1) Beschreibe das Konzept!
2) Skizziere es!
1)
Kreisförmig angeordnete Heliostate konzentrieren die Sonneneinstrahlung auf einen zentralen Empfänger
Empfänger hat Wärmetauscher, der die Energie in Wärme umwandelt.
Wärmemittel: Wasser, Salz, unter Druck stehendes Gas mit bis zu 1500°C
Heliostate sind zweiachsig und in Reihen verteilt
Durch die hohe Konzentration sind hohe Wirkungsgrade möglich.
2) slide 7!
Solarturmkraftwerk
?(1)? machen 50% der Kosten aus.
Der ?(2)? ist das Kernelement und hat hohe Voraussetzungen, um entsprechende Wirkungsgrade zu gewährleisten und einfach und zuverlässig zu arbeiten
Kopplung mit ?(3)? empfehlenswert (bis zu 15h)
2-achsige Heliostate benötigen viel mehr Fläche als Parabolrinnenkollektoren oder Linear Fresnel Kollektoren, nutzen die eingestrahlte Energie jedoch ?(4)?.
?(5)? Investitions- und Wartungskosten (v.a. durch Nachführung)
(1) Heliostate
(2) Empfänger
(3) Wärmespeicher
(4) besser
(5) Höhere
2-achsige Heliostate benötigen viel mehr Fläche als Parabolrinnenkollektoren oder Linear Fresnel Kollektoren, aber?
sie nutzen die eingestrahlte Energie besser
Solarthermisches Kraftwerk
Die durch Linear-Fresnel-Kollektor, Solarturm oder auch Paraboloidrinnenkollektor erzeugte Wärme auf einem hohen bis sehr hohen Temperaturniveau kann genutzt werden, um einen Kraftwerksprozess anzutreiben.
Welche Kraftwerksprozesse kommen in Betracht?
Clausius-Rankine-Przozess (Dampfkraftprozess)
Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)
Kombination (GuD-Prozesse)
Solarthermisches Kraftwerk
Clausius-Rankine-Prozess (Dampfkraftprozess)
-> zeichne den Prozess!!!
Lösung siehe slide 58 (in der Mitte, aber außen auch mit ansehen)!!
Zeichne den Clausius-Rankine-Prozess (Dampfkraftprozess) in ein T-s- und ein p-V-Diagramm!
siehe slide 59+60!!
Clausius-Rankine-Prozess
Links oder rechtslaufender Kreisprozess?
Geschlossener oder offener Prozess?
rechtlaufender Kreisprozess (Arbeit aus Wärme)
geschlossener Prozess
Solarthermisches Kraftwerk mit Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)
siehe slide 61
…
Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)
Skizziere das Kraftwerkskonzept!
slide 62 oben rechts!!
Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)
Zeichne den Prozess in ein p-v- und ein T-s-Diagramm!
Nenne die einzelnen Schritte!
1 -> 2: isentrope Kompression (s konstant)
2 -> 3 isobare Wärmezufuhr
3 -> 4: isentrope Expansion
4 -> 5: isobare Wärmeabfuhr bei abnehmendem spezifischen Volumen v
siehe Diagramme slide 62!!! (konz. Solarth. I)
Solarthermische Kraftwerkskonzepte
Dampfprozesse:
-> Parabolrinne
-> Fresenel
-> Solarturm
GuD-Prozesse
-> ISCC mit Parabolrinne
-> Solarturm mit Einkopplung in Gasturbine
-> Solarturm-Kraftwerk mit Partikel-Receiver
Solare Gasturbine
-> Solarturm mit rekuperativem Gasturbinen-Prozess mit Zwischenkühlung
…
Kraftwerk mit Parabolrinnen
-> siehe slide 65
Kraftwerk mit Parabolrinnen und Speicher
-> siehe slide 66
Solarturm-Kraftwerk
-> siehe slide 67
Solarturm (GuD)
-> siehe slide 68
(konz. Solarth. II)
…
Benenne und Skizziere ein solarthermisches Kraftwerkskonzept mit Speicher!
Parabolrinne mit Dampfprozess
-> Zeichne Abbildung auf slide 57!!
Thermische Speicher für Solarwärme
Warum sind diese wichtig?
sind das entscheidende Element für die Markteinführung der konzentrierenden solarthermischen Nutzung
-> erweitern die Kapazität von solarthermischen Kraftwerkskonzepten
-> Kopplung ermöglicht Rechtfertigung der teuren Solartechnologie
Thermische Speicher für Solarwärme
Eine einzelne technologische Entwicklung wird die unterschiedlichen Anforderungen der CSP-Technologie (concentrated solar power) nicht decken können.
…
Wärmespeicher
Kommerziell sind momentan welche Speicher im Einsatz? (2)
Dampfakkumulatoren
2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen
Wärmespeicher
Kommerziell heute:
- Dampfakkumulatoren
- 2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen
Nenne 2 Alternativen, die sich in der Erprobung befinden!
Beton-Feststoffspeicher
PCM-Speicher (Phase-Change-Material)
Wärmespeicher: Dampf(druck)speicher
1) Erläutere das Konzept kurz! (3)
2) Bewerte das Konzept kurz! (2)
1) Speichern von Wärme durch unter Druck stehendes Wasser
Beladung: Temperatur des flüssigen Wassers durch Kondensationsstrom erhöhen (V konstant, p steigt)
Entladen: Druck des gesättigten Wassers senken (V konstant, p sinkt)
(Skizze slide 5)
2)
Nur kleiner Puffer für Spitzenlasten
Ineffizient und ökonomisch nicht sinnvoll für hohe Drücke und Kapazitäten
Wärmespeicher: Salzspeicher
Welche Vorteile bietet dieses Konzept? (6)
Hohe Energiedichte pro Masse und Volumen
Gute Wärmeübertragung
Hohe mechanische und chemische Stabilität
Chemische Kompatibilität mit Wärmeübertragungsmitteln (synthetische Öle)
Wenig Energieverluste beim Auf- und Entladen
Niedrige Kosten, nicht brennbar, nicht explosiv oder giftig
Wärmespeicher: Salzspeicher
Erkläre das Konzept kurz!
2-Tank-System
Salzlösung speichert Wärme
-> wenn Energie benötigt wird, wird Salzlösung durch einen Wärmetauscher geleitet
-> Wärme kann dann zur Wärmebereitstellung oder Stromerzeugung genutzt werden
Wärmespeicher: Beton Feststoffspeicher (in Erprobung)
1) Erkläre kurz!
2) Nenne Vorteile
1)
Wärmeenergie wird in einem Betonblock gespeichert
Betonblock ist von Rohren durchzogen
-> Rohre sind mit Wärmeübertragungsflüssigkeit gefüllt, die Wärmeenergie aufnehmen und abgeben kann
2)
Vorteile:
- gut skalierbar
- niedrige Kosten
- hohe Wärmekapazität
- können Wärme über lange Zeiträume speichern
Desertec Projekt
…
