VL 7 - Solarthermische Kraftwerke Flashcards
Was sind solarthermische Kraftwerken?
Sie sind Anlagen, die:
- Solarstrahlung in Wärme wandeln,
- dann Wärme mittels eines weiteren Prozesses (Wärme-Kraft-Prozess) in Rotations- bzw. mechanische Energie umwandeln und
- dann durch eine mechanisch-elektrische Wandlung elektrische Energie bereitstellen.
Solarstrahlung –> Wärme –> Rotations- bzw. mechanische Energie –> elektrische Energie
Konzepte von solarthermischen Kraftwerken
Linienkonzentrierende Konzepte
- Parabolrinnen-Kraftwerke
- Linear-Fresnel-Kraftwerke
Punktkonzentrierende Konzepte
- Solarturmkraftwerke
- Dish/Stirling Systeme
Nichtkonzentrierende Konzepte
- Aufwindkraftwerke
- Solarteichkraftwerke
Funktionsprinzip der Parabolrinnen-Kraftwerke
- Strahlung wird auf einen Absorber reflektiert, der sich in der Brennlinie des Konzentrators befindet.
- die eindimensionale Konzentration führt zu Konzentrationsfaktoren von 15 bis 30.
Wie viel der einfallenden Direktstrahlung steht als technisch nutzbare Wärme zur Verfügung bei den Parabolrinnen-Kraftwerken?
Wovon ist diese Menge abhängig?
40-70%
Die Menge ist vom Sonnenstand, von der Feldgröße und vom Anlagenstandort abhängig.
Welche sind die Systemkomponenten der Parabolrinnen-Kraftwerke?
- Parabolrinnen-Kollektoren: parabolisch geformter Reflektor konzentriert die einfallende Strahlung auf ein Rohr (Absorber), das sich in der Brennlinie befindet.
- Reflektor: kontinuierliche Fläche oder mehrere gekrümmte Spiegelsegmente
- Spiegelsegmente: mit hohen Reflektivitätswerten
- Absorber: horizontale Einzelrohre, selektiv beschichtet (hohe Absorption), evakuiert um Wärmeverluste zu minimieren, hohe Absorption.
- -> die maximale Absorbertemperatur ist von Konzentration abhängig (Konzentrationsverhältnis C)
- Wärmeträgermedium: idR hochsiedende, synthetische Thermo-Öle (alternativ Salzschmelzen)
- Kollektorfelder
- Wärmespeicherung: ggf. notwendig weil Sonnenenergie vom Tages- und Jahresgang abhängt
- -> einsetzbare Speicher: Wärmeträgerspeicher, Massenspeicher, Speicher mit phasenwechselnden Materialien.
Vorteile und Nachteile von Salzschmelzen
+ höhere Wärmekapazität
+ potenziell höhere Arbeitstemperaturen
- hohe Schmelztemperatur
Funktionsprinzip der Linear-Fresnel-Kraftwerke
- Nachbildung des Parabolprofils aus mehreren schmalen Spiegelsegmenten.
- die Kollektoren folgen dem Lauf der Sonne und konzentrieren die Strahlung auf einem Receiver in der Fokuslinie.
1.
+ weniger Windlast
- niedrigere Konzentration (geom. bedingt) und geringere optischer Wirkungsgrad als Parabolrinnen
- + Verluste können durch alternierende Spiegelstellungen reduziert werden
- gegenseitige Verschattung, höherer Steuerungsaufwand
Systemkomponenten der Linear-Fresnel-Kraftwerke
- Receiver: Sekundärkonzentrator, Absorberrohren (beweglich)
- Zwischenraum luftgefüllt und nicht hermetisch abgedichtet
Wie sind die Wärmeverluste bei den Linear-Fresnel-Kraftwerke bestimmt?
Durch Konvektion
Funktionsprinzip der Solarturmkraftwerke
- Spiegel (Heliostaten) reflektieren die direkte Solarstrahlung auf einen Receiver, der zentral auf einem Turm angebracht ist.
- Im Turm wird die Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt und an ein Wärmeträgermedium übertragen.
- Die Wärme wird in Wärme-Kraft-Prozessen zur Stromgenerierung genutzt.
Funktionsprinzip skizze Folie 17
Systemkomponente der Solarturmkraftwerke
- Heliostat: zweiachsige Nachführung nach dem Lauf der Sonne, besteht aus Reflektorfläche und Nachführeinheit.
- -> Herausforderungen: exakte Nachführung und Korrektor von Windböen
- Receiverturm: hoher Turm vorteilhaft –> größere und dichtere Heliostatenfelder mit geringeren Verschattungsverluste.
- Strahlungsempfanger (Receiver): wandelt Strahlungsenergie in technisch nutzbare Wärme. Nach Wärmeträgerfluid und Receivergeometrie unterteilt:
- Wasser/Dampf-Receiver (direkte Verdampfung)
- Salz-, Öl- oder Flüssigmetallreceiver
- offene volumetrische Luftreceiver
- geschlossene (druckbeaufschlagte) Luft-, Helium-, Gasreceiver
Funktionsprinzip der Dish/Stirling Systeme
dezentraler Charakter
- Konzentration der Strahlung im Dish.
- Umwandlung der Wärme im Receiver
- Umwandlung in mechanische Energie durch Stirling Motor
- Umwandlung in elektrische Energie durch Generator
Systemkomponenten der Dish/Stirling-Systeme
- Parabolkonzentrator (Dish): konzentriert das Sonnenlicht in Abhängigkeit von der Genauigkeit seiner Form, der Oberflächenbeschaffenheit und der Brennweite in einem Brennfleck.
- höchstes Konzentrationsverhältnis: 1500 bis 4000
- Receiver: wandelt Solarstrahlung in technisch nutzbare Wärme mit Temperaturen von 600-800°C um.
- Hohlraum-Receiver (Cavity-Receiver)
- Stirlingmotor (Wärme-Kraft-Maschine): nutzt den Effekt, dass Gas bei einer Temperaturänderung eine entsprechende Volumenänderungsarbeit verrichtet.
- Arbeitsgas: Helium oder Wasserstoff
Funktionsprinzip der Aufwindkraftwerke
Luft wird unter einem Glasdach durch die Sonnenstrahlung erwärmt. Glasdach bildet zusammen mit dem darunter liegenden Boden eine Warmluftkollektor.
Mitte des Dachs steht senkrecht ein Kaminrohr mit großen Zuluftöffnungen am Fuß. Die warme Luft steigt im Kamin auf, da sie im Vergleich zu kalter Luft geringere Dichte hat. Gleichzeitig wird warme Luft aus dem Kollektor nachgesaugt.
Von außen strömt kalte Luft in das außen offene Glasdach. Kontinuierlicher Aufwind im Kamin. Die Energie wird mit druckgestuften Turbinen in mechanische und über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt
Systemkomponenten der Aufwindkraftwerke
- Kollektor: horizontales, transparentes Glas- oder Kunststoffdach. Durchlässig für Solarstrahlung, undurchlässig für die langwellige Wärmestrahlung, die vom Kollektorboden emittiert wird.
- Speicher: Erdboden unter Kollektordach wirkt als natürlicher Speicher.
- um die Wärme in der Nacht zu speichern, können Wasserkissen auf dem Kollektorboden aufgestellt werden.
- Turmröhre: einfacher Hohlzylinder aus Beton.
- Turbinen: arbeiten als druckgestufter Windturbogeneratorsatz.
