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Umw > Konz. Solarth. (Linienkonz., Punktkonz., Kraftwerkskonz., Speicher) > Flashcards

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

1
Q

Nenne vier Systeme der konzentrierenden Solarthermie und skizziere diese!

A

Solarturm

Parabolrinnenkollektor (bzw. -Spiegel)

Parabolkollektor (bzw. -Spiegel)

Linear-Fresnal-Kollektor

Skizze slide 3

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Q

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

A

Nicht-konzentrierende Solarthermie wird hauptsächlich für Wärmzwecke eingesetzt.

Die konzentrierende Solarthermie hauptsätzlich zur Strombereitstellung

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3
Q

Konzentrierende Solarthermie

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

A

Skizze siehe slide 4!

C = AsubK / AsubR

Mit:
AsubK: Fläche des Konzentrator

AsubR: Fläche des Receivers

(häufig aber eher Reflektion am Konzentrator (Spiegel))

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4
Q

Konzentrierende Solarthermie

Bei höheren Konzentrationsfaktoren C werden höhere theoretische Absorbertemperaturen erreicht.

-> siehe slide 5

A

…

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5
Q

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

A

Linienkonzentratoren
-> Parabolrinnenkollektor
-> Linear-Fresnel-Kollektor

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

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6
Q

Linienkonzentratoren
- Parabolrinnenkollektor
- Linear-Fresnel-Kollektor

Punktkonzentratoren
- Paraboloide (bzw. Solar dish)
- Solarturm

Welche Konzentrationsfaktoren liegen circa vor jeweils?

A

Linienkonzentratoren:

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

Punktkonzentratoren:

  • Paraboloide (bzw. Solar dish)
    -> 100-1000
  • Solarturm
    -> 100-1500
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7
Q

Linienkonzentratoren und Punktkonzentratoren

Welche weisen üblicherweise höhere Konzentrationsfaktoren (C) auf?

A

die Punktkonzentratoren(!)

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8
Q

Linienkollektoren
-> siehe slide 9 an!

A

…

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9
Q

Nenne Komponenten bei der Parabolrinne! (8)

A

Parabolreflektor

Absorberleitung

Metallgerüst

Sonnennachführungssystem

Fahrsystem

Rohrverbindungen

Fundament

Wärmeübertragendes Fluid

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10
Q

Linienkollektoren: Parabolrinne

Der Solarkollektor rotiert entlang seiner Achse gemäß was?

A

der Sonne
-> siehe slide 11

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11
Q

Parabolreflektoren und Metallgerüste

1) Was für ein Glas wird verwendet?

2) Was stellt eine Herausforderung dar?

A

1) teures Glas mit sehr fragilen, speziellen Beschichtungen

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

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12
Q

Parabolreflektoren und Metallgerüste

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

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

Trägerkonstruktion: ?(2)?

A

(1) optischen Fehler

(2) Torque box (torque-Drehmoment)

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13
Q

Konstruktion: Parameter zur Kollektorinstallation

Welcher Hauptparameter muss bei der Kollektorinstallation beachtet werden?

A

Widerstandsfähigkeit gegen hohe Windstärken

(normale Nutzung bis Windstärken von 60 km/h)

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

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14
Q

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!

A

(1) selektiver Beschichtung

(2) sichtbarem bis Infrarotspektrum

(3) Emissionen

(4) Vakuumröhren

(5) Strahlung

(6) Getter

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15
Q

Absorberleitungen (Parabolrinne und Fresnel)

Beschrifte Abbildungen auf slide 15!!

A

…

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16
Q

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

A

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

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17
Q

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

A

Salzschmelze

Wasser

Gas

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

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18
Q

Arbeitsfluide für linienfokussierende Systeme in der Entwicklung oder Erprobung:

Nenne zu jedem einen Vor- und einen Nachteil!

1) Salzschmelze

2) Wasser

3) Gas

A

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

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19
Q

Parabolrinnenkollektor: Wartung und Reinigung

Was muss hinsichtlich der Reinigung beachtet werden? (2)

A

Braucht speziell angepasstes Auto zur Reinigung

hoher Bedarf an destilliertem Wasser

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20
Q

Verluste an der Parabolrinne

-> siehe slide 20-22!

A

…

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21
Q

Parabolrinnenkollektoren: Kollektorwirkungsgrade

-> siehe slide 24!

A

..

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22
Q

Dimensionierung eines Solarfeldes

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

Die Rohrkonstruktion soll was minimieren? (3)

A

die Rohrlänge (kostentechnisch)

thermische Verluste

Druckabfall (Ventile benötigt)

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23
Q

Dimensionierung eines Solarfeldes

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

Die Rohrkonstruktion soll was minimieren? (3)

A

die Rohrlänge (kostentechnisch)

thermische Verluste

Druckabfall (Ventile benötigt)

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24
Q

Dimensionierung eines Solarfeldes

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

A

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)

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25
Q

Erkläre das Konzept des Linear-Fresnel-Kollektors.

Skizziere ihn auch!

A

Einachsige Sonnennachführung

Nutzung von flachen Spiegeln mit unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten zur linearen Fokussierung

Skizze slide 3!

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26
Q

Optischer Wirkungsgrad des Linear Fresnel Kollektor ist höher als bei Parabolrinnenkollektor (PRK)

Wahr/Falsch?

A

FALSCH
-> geringer

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27
Q

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

Benötigt aber mehr ?(4)?

A

(1) Produktionskosten

(2) flachen Spiegel

(3) Stabilitätskonstruktionen

(4) Aufmerksamkeit/Nachführung der einzelnen Spiegel

28
Q

Linear-Fresnel-Kollektor: Hauptwinkel

Nenne die 3 Hauptwinkel!

A

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.

29
Q

Linear-Fresnel-Kollektor: Optische Verluste

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

A

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!)

30
Q

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

A

Da neben Kosinusverlusten beim Linear Fresnel Kollektor auch Blockierungen und Verschattungen auftreten.

(siehe slide 31+32)

31
Q

Linear-Fresnal-Kollektor: Thermische Verluste

Abhängig vom ?(1)? des Kollektors

Wärmeverluste in [W/m^2)

Empfängercharakteristika sind vom ?(2)? abhängig

A

(1) Empfängertyp

(2) Kollektormodell

(siehe slide 33)

32
Q

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

A

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
-> (…)

33
Q

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

A

70%

34
Q

Linear-Fresnel-Kollektor

Integration eines zweiten Reflektors bietet folgende Vorteile: ??

A

Größere Kollektoröffnung bedeutet größeres Ziel -> einfachere Spiegelausrichtung und Installation

35
Q

Linear-Frisnel-Kollektoren können auch auf Flachdächern installiert werden.

Wahr/Falsch?

A

Wahr
-> weil deutlich leichter als Parabolrinnenkollektoren

36
Q

Solar dish

-> siehe slide 46+47

A

…

37
Q

Parboloid/Solar dish

Beschrifte Abbildung auf slide 46

A

…

38
Q

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

A

Sterling-Motor

39
Q

Sterlingmotor Arbeitsprinzip

Beschreibe die 4 Arbeitsschritte!

A

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!!)

40
Q

Sterlingmotor

Welche Energieumwandlung findet statt?

A

Wärmeenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

41
Q

Sterling Kreisprozess

-> Zeichne ihn im p-V und T-s-Diagramm!

-> Kennzeichne die Arbeitsschritte und wo Wärme zu-abgeführt wird

A

siehe slide 51!!

42
Q

Sterling Kreisprozess

Nenne die Prozessschritte!

A

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

43
Q

Siehe Stirlingmotor slide 52

A

…

44
Q

Solarturmkraftwerk

1) Beschreibe das Konzept!

2) Skizziere es!

A

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!

45
Q

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)

A

(1) Heliostate

(2) Empfänger

(3) Wärmespeicher

(4) besser

(5) Höhere

46
Q

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

A

sie nutzen die eingestrahlte Energie besser

47
Q

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?

A

Clausius-Rankine-Przozess (Dampfkraftprozess)

Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)

Kombination (GuD-Prozesse)

48
Q

Solarthermisches Kraftwerk

Clausius-Rankine-Prozess (Dampfkraftprozess)

-> zeichne den Prozess!!!

A

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

49
Q

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

A

siehe slide 59+60!!

50
Q

Clausius-Rankine-Prozess

Links oder rechtslaufender Kreisprozess?

Geschlossener oder offener Prozess?

A

rechtlaufender Kreisprozess (Arbeit aus Wärme)

geschlossener Prozess

51
Q

Solarthermisches Kraftwerk mit Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)

siehe slide 61

A

…

52
Q

Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)

Skizziere das Kraftwerkskonzept!

A

slide 62 oben rechts!!

53
Q

Solarthermisches Kraftwerk mit geschlossenem Joule-Prozess (Gasturbinen-Prozess)

Zeichne den Prozess in ein p-v- und ein T-s-Diagramm!

Nenne die einzelnen Schritte!

A

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)

54
Q

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

A

…

55
Q

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)

A

…

56
Q

Benenne und Skizziere ein solarthermisches Kraftwerkskonzept mit Speicher!

A

Parabolrinne mit Dampfprozess

-> Zeichne Abbildung auf slide 57!!

57
Q

Thermische Speicher für Solarwärme

Warum sind diese wichtig?

A

sind das entscheidende Element für die Markteinführung der konzentrierenden solarthermischen Nutzung

-> erweitern die Kapazität von solarthermischen Kraftwerkskonzepten

-> Kopplung ermöglicht Rechtfertigung der teuren Solartechnologie

58
Q

Thermische Speicher für Solarwärme

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

A

…

59
Q

Wärmespeicher

Kommerziell sind momentan welche Speicher im Einsatz? (2)

A

Dampfakkumulatoren

2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen

60
Q

Wärmespeicher

Kommerziell heute:
- Dampfakkumulatoren
- 2-Tank Salzschmelzespeicher basierend auf Nitratsalzen

Nenne 2 Alternativen, die sich in der Erprobung befinden!

A

Beton-Feststoffspeicher

PCM-Speicher (Phase-Change-Material)

61
Q

Wärmespeicher: Dampf(druck)speicher

1) Erläutere das Konzept kurz! (3)

2) Bewerte das Konzept kurz! (2)

A

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

62
Q

Wärmespeicher: Salzspeicher

Welche Vorteile bietet dieses Konzept? (6)

A

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

63
Q

Wärmespeicher: Salzspeicher

Erkläre das Konzept kurz!

A

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

64
Q

Wärmespeicher: Beton Feststoffspeicher (in Erprobung)

1) Erkläre kurz!

2) Nenne Vorteile

A

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

65
Q

Desertec Projekt

A

…

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