Konz. Solarth. (Linienkonz., Punktkonz., Kraftwerkskonz., Speicher)

Question 1

Nenne vier Systeme der konzentrierenden Solarthermie und skizziere diese!

Answer 1

Solarturm

Parabolrinnenkollektor (bzw. -Spiegel)

Parabolkollektor (bzw. -Spiegel)

Linear-Fresnal-Kollektor

Skizze slide 3

Question 2

Was ist ein wesentlicher Unterschied hinsichtlich des Anwendungsbereiches von nicht-konzentrierender Solarthermie und konzentrierender Solarthermie?

Answer 2

Nicht-konzentrierende Solarthermie wird hauptsächlich für Wärmzwecke eingesetzt.

Die konzentrierende Solarthermie hauptsätzlich zur Strombereitstellung

Question 3

Konzentrierende Solarthermie

Beschreibe das allgemeine Prinzip durch eine Skizze.
-> Wie berechnet sich der Konzentrationsfaktor C?

Answer 3

Skizze siehe slide 4!

C = AsubK / AsubR

Mit:
AsubK: Fläche des Konzentrator

AsubR: Fläche des Receivers

(häufig aber eher Reflektion am Konzentrator (Spiegel))

Question 4

Konzentrierende Solarthermie

Bei höheren Konzentrationsfaktoren C werden höhere theoretische Absorbertemperaturen erreicht.

-> siehe slide 5

Answer 4

…

Question 5

Bei der konzentrierenden Solarthermie können die Systeme wie unterteilt werden? (2) Nenne jeweils zwei Beispiele!

Answer 5

Linienkonzentratoren
-> Parabolrinnenkollektor
-> Linear-Fresnel-Kollektor

Punktkonzentratoren
-> Paraboloide (bzw. Solar dish)
-> Solarturm

Question 6

Linienkonzentratoren
- Parabolrinnenkollektor
- Linear-Fresnel-Kollektor

Punktkonzentratoren
- Paraboloide (bzw. Solar dish)
- Solarturm

Welche Konzentrationsfaktoren liegen circa vor jeweils?

Answer 6

Linienkonzentratoren:

• Parabolrinnenkollektor
  -> C = 15-90
• Linear-Fresnel-Kollektor
  -> C = 10-80

Punktkonzentratoren:

• Paraboloide (bzw. Solar dish)
  -> 100-1000
• Solarturm
  -> 100-1500

Question 7

Linienkonzentratoren und Punktkonzentratoren

Welche weisen üblicherweise höhere Konzentrationsfaktoren (C) auf?

Answer 7

die Punktkonzentratoren(!)

Question 8

Linienkollektoren
-> siehe slide 9 an!

Answer 8

…

Question 9

Nenne Komponenten bei der Parabolrinne! (8)

Answer 9

Parabolreflektor

Absorberleitung

Metallgerüst

Sonnennachführungssystem

Fahrsystem

Rohrverbindungen

Fundament

Wärmeübertragendes Fluid

Question 10

Linienkollektoren: Parabolrinne

Der Solarkollektor rotiert entlang seiner Achse gemäß was?

Answer 10

der Sonne
-> siehe slide 11

Question 11

Parabolreflektoren und Metallgerüste

1) Was für ein Glas wird verwendet?

2) Was stellt eine Herausforderung dar?

Answer 11

1) teures Glas mit sehr fragilen, speziellen Beschichtungen

2) Entwicklung von immer leichteren und günstigeren Reflektoren
-> Wichtig: Erhaltung hoher solarer Übertragungswerte

Question 12

Parabolreflektoren und Metallgerüste

Struktur: aus Metall, Forschung mit Plastik, Kohlefasern,…

Bereitstellung der Stabilität für den Kollektor, um den ?(1)? gering zu halten

Trägerkonstruktion: ?(2)?

Answer 12

(1) optischen Fehler

(2) Torque box (torque-Drehmoment)

Question 13

Konstruktion: Parameter zur Kollektorinstallation

Welcher Hauptparameter muss bei der Kollektorinstallation beachtet werden?

Answer 13

Widerstandsfähigkeit gegen hohe Windstärken

(normale Nutzung bis Windstärken von 60 km/h)

(bei Windstärken bis zu 120 km/h wird eine Stauposition eingenommen)

Question 14

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!

Answer 14

(1) selektiver Beschichtung

(2) sichtbarem bis Infrarotspektrum

(3) Emissionen

(4) Vakuumröhren

(5) Strahlung

(6) Getter

Question 15

Absorberleitungen (Parabolrinne und Fresnel)

Beschrifte Abbildungen auf slide 15!!

Answer 15

…

Question 16

Welches Arbeitsmedium wird meist für linienfokussierende Systeme eingesetzt und welche Charakteristika weist es auf?

Answer 16

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

Question 17

Welche Arbeitsfluide für linienfokussierende Systeme befinden sich in der Entwicklung oder werden erprobt? (3)

Answer 17

Salzschmelze

Wasser

Gas

-> jeweilige Vor- und Nachteile siehe slide 18!!

Question 18

Arbeitsfluide für linienfokussierende Systeme in der Entwicklung oder Erprobung:

Nenne zu jedem einen Vor- und einen Nachteil!

1) Salzschmelze

2) Wasser

3) Gas

Answer 18

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

Question 19

Parabolrinnenkollektor: Wartung und Reinigung

Was muss hinsichtlich der Reinigung beachtet werden? (2)

Answer 19

Braucht speziell angepasstes Auto zur Reinigung

hoher Bedarf an destilliertem Wasser

Question 20

Verluste an der Parabolrinne

-> siehe slide 20-22!

Answer 20

…

Question 21

Parabolrinnenkollektoren: Kollektorwirkungsgrade

-> siehe slide 24!

Answer 21

..

Question 22

Dimensionierung eines Solarfeldes

Definition der geforderten Designcharakteristika eines Feldes (Kollektororientierung, DIN, thermische Outputmenge, Datum und Zeit,…)

Die Rohrkonstruktion soll was minimieren? (3)

Answer 22

die Rohrlänge (kostentechnisch)

thermische Verluste

Druckabfall (Ventile benötigt)

Question 23

Dimensionierung eines Solarfeldes

Definition der geforderten Designcharakteristika eines Feldes (Kollektororientierung, DIN, thermische Outputmenge, Datum und Zeit,…)

Die Rohrkonstruktion soll was minimieren? (3)

Answer 23

die Rohrlänge (kostentechnisch)

thermische Verluste

Druckabfall (Ventile benötigt)

Question 24

Dimensionierung eines Solarfeldes

Welche unterschiedlichen Designs gibt es? (3) Nenne zu jedem jeweils einen Vor- und einen Nachteil!

Answer 24

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)

Question 25

Erkläre das Konzept des Linear-Fresnel-Kollektors. Skizziere ihn auch!

Answer 25

Einachsige Sonnennachführung Nutzung von flachen Spiegeln mit unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten zur linearen Fokussierung Skizze slide 3!

Question 26

Optischer Wirkungsgrad des Linear Fresnel Kollektor ist höher als bei Parabolrinnenkollektor (PRK) Wahr/Falsch?

Answer 26

FALSCH -> geringer

Question 27

Optischer Wirkungsgrad geringer als bei Parabolrinnenkollektor (PRK), aber geringere ?(1)?aufgrund der ?(2)? und reduzierter ?(3)?. Benötigt aber mehr ?(4)?

Answer 27

(1) Produktionskosten (2) flachen Spiegel (3) Stabilitätskonstruktionen (4) Aufmerksamkeit/Nachführung der einzelnen Spiegel

Question 28

Linear-Fresnel-Kollektor: Hauptwinkel Nenne die 3 Hauptwinkel!

Answer 28

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.

Question 29

Linear-Fresnel-Kollektor: Optische Verluste Bei seitlichem Lichteinfall (morgens und nachmittags) gibt es die folgenden optische Effekte am Linear Fresnel Kollektor: ?? (3)

Answer 29

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!)

Question 30

Was ist der Grund warum der optische Wirkungsgrad beim Linear Fresnel Kollektor kleiner ist als beim Parabolrinnenkollektor?

Answer 30

Da neben Kosinusverlusten beim Linear Fresnel Kollektor auch Blockierungen und Verschattungen auftreten. (siehe slide 31+32)

Question 31

Linear-Fresnal-Kollektor: Thermische Verluste Abhängig vom ?(1)? des Kollektors Wärmeverluste in [W/m^2) Empfängercharakteristika sind vom ?(2)? abhängig

Answer 31

(1) Empfängertyp (2) Kollektormodell (siehe slide 33)

Question 32

Nenne mind. 3 Vorteile des Linear-Fresnel-Kollektors im Vergleich zu Parabolrinnenkollektor! (5)

Answer 32

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 -> (...)

Question 33

Grundsätzlich benötigen Linear Frisnel Kraftwerke bis zu ?(1)? weniger Material, um die gleiche thermische Energie wie ein Parabolrinnenkraftwerk zu erzeugen

Answer 33

70%

Question 34

Linear-Fresnel-Kollektor Integration eines zweiten Reflektors bietet folgende Vorteile: ??

Answer 34

Größere Kollektoröffnung bedeutet größeres Ziel -> einfachere Spiegelausrichtung und Installation

Question 35

Linear-Frisnel-Kollektoren können auch auf Flachdächern installiert werden. Wahr/Falsch?

Answer 35

Wahr -> weil deutlich leichter als Parabolrinnenkollektoren

Question 36

Solar dish -> siehe slide 46+47

Answer 36

...

Question 37

Parboloid/Solar dish Beschrifte Abbildung auf slide 46

Answer 37

...

Question 38

Bei Paraboloiden (bzw. Solar dish) kommt als Wärmekraftmaschine was zum Einsatz?

Answer 38

Sterling-Motor

Question 39

Sterlingmotor Arbeitsprinzip Beschreibe die 4 Arbeitsschritte!

Answer 39

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!!)

Question 40

Sterlingmotor Welche Energieumwandlung findet statt?

Answer 40

Wärmeenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Question 41

Sterling Kreisprozess -> Zeichne ihn im p-V und T-s-Diagramm! -> Kennzeichne die Arbeitsschritte und wo Wärme zu-abgeführt wird

Answer 41

siehe slide 51!!

Question 42

Sterling Kreisprozess Nenne die Prozessschritte!

Answer 42

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

Question 43

Siehe Stirlingmotor slide 52

Answer 43

...

Question 44

Solarturmkraftwerk 1) Beschreibe das Konzept! 2) Skizziere es!

Answer 44

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!

Question 45

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)

Answer 45

(1) Heliostate (2) Empfänger (3) Wärmespeicher (4) besser (5) Höhere

Question 46

2-achsige Heliostate benötigen viel mehr Fläche als Parabolrinnenkollektoren oder Linear Fresnel Kollektoren, aber?

Answer 46

sie nutzen die eingestrahlte Energie besser

Question 47

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?

Answer 47

Clausius-Rankine-Przozess (Dampfkraftprozess) Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess) Kombination (GuD-Prozesse)

Question 48

Solarthermisches Kraftwerk Clausius-Rankine-Prozess (Dampfkraftprozess) -> zeichne den Prozess!!!

Answer 48

Lösung siehe slide 58 (in der Mitte, aber außen auch mit ansehen)!!

Question 49

Zeichne den Clausius-Rankine-Prozess (Dampfkraftprozess) in ein T-s- und ein p-V-Diagramm!

Answer 49

siehe slide 59+60!!

Question 50

Clausius-Rankine-Prozess Links oder rechtslaufender Kreisprozess? Geschlossener oder offener Prozess?

Answer 50

rechtlaufender Kreisprozess (Arbeit aus Wärme) geschlossener Prozess

Question 51

Solarthermisches Kraftwerk mit Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess) siehe slide 61

Answer 51

...

Question 52

Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess) Skizziere das Kraftwerkskonzept!

Answer 52

slide 62 oben rechts!!

Question 53

Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess) Zeichne den Prozess in ein p-v- und ein T-s-Diagramm! Nenne die einzelnen Schritte!

Answer 53

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)

Question 54

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

Answer 54

...

Question 55

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)

Answer 55

...

Question 56

Benenne und Skizziere ein solarthermisches Kraftwerkskonzept mit Speicher!

Answer 56

Parabolrinne mit Dampfprozess -> Zeichne Abbildung auf slide 57!!

Question 57

Thermische Speicher für Solarwärme Warum sind diese wichtig?

Answer 57

sind das entscheidende Element für die Markteinführung der konzentrierenden solarthermischen Nutzung -> erweitern die Kapazität von solarthermischen Kraftwerkskonzepten -> Kopplung ermöglicht Rechtfertigung der teuren Solartechnologie

Question 58

Thermische Speicher für Solarwärme Eine einzelne technologische Entwicklung wird die unterschiedlichen Anforderungen der CSP-Technologie (concentrated solar power) nicht decken können.

Answer 58

...

Question 59

Wärmespeicher Kommerziell sind momentan welche Speicher im Einsatz? (2)

Answer 59

Dampfakkumulatoren 2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen

Question 60

Wärmespeicher Kommerziell heute: - Dampfakkumulatoren - 2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen Nenne 2 Alternativen, die sich in der Erprobung befinden!

Answer 60

Beton-Feststoffspeicher PCM-Speicher (Phase-Change-Material)

Question 61

Wärmespeicher: Dampf(druck)speicher 1) Erläutere das Konzept kurz! (3) 2) Bewerte das Konzept kurz! (2)

Answer 61

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

Question 62

Wärmespeicher: Salzspeicher Welche Vorteile bietet dieses Konzept? (6)

Answer 62

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

Question 63

Wärmespeicher: Salzspeicher Erkläre das Konzept kurz!

Answer 63

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

Question 64

Wärmespeicher: Beton Feststoffspeicher (in Erprobung) 1) Erkläre kurz! 2) Nenne Vorteile

Answer 64

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

Question 65

Desertec Projekt

Answer 65

...