Konzentrierte Solarthermieanlagen

Konzentrierte Solarkraftwerke

Verwenden Spiegel oder Linsen, um Sonnenlicht auf einen Empfänger zu fokussieren, der ein Fluid erhitzt, das eine Turbine oder einen Motor antreibt, um Strom zu erzeugen.

Ein konzentrierter Solarkraftwerk ist ein groß angelegtes CSP-System, das Spiegel oder Linsen verwendet, um Sonnenlicht auf einen Empfänger zu fokussieren, der ein Fluid erhitzt, das eine Turbine oder einen Motor antreibt, um Strom zu erzeugen. Ein konzentrierter Solarkraftwerk besteht aus mehreren Komponenten, wie:

•   Sammler:Diese sind Geräte, die Sonnenlicht auf einen Empfänger reflektieren oder brechen. Sammler können in vier Arten unterteilt werden: parabolische Rinnen, parabolische Schalen, lineare Fresnel-Reflektoren und zentrale Empfänger. Parabolische Rinnen sind gekrümmte Spiegel, die Sonnenlicht auf einen linearen Empfängerrohr fokussieren, das entlang ihrer Brennlinie verläuft. Parabolische Schalen sind konkave Spiegel, die Sonnenlicht auf einen punktförmigen Empfänger an ihrem Brennpunkt fokussieren. Lineare Fresnel-Reflektoren sind ebene Spiegel, die Sonnenlicht auf ein lineares Empfängerrohr über ihnen reflektieren. Zentrale Empfänger sind Türme, umgeben von einem Array flacher Spiegel, sogenannten Heliostaten, die Sonnenlicht auf einen punktförmigen Empfänger an ihrer Spitze reflektieren.

• Empfänger:  Diese sind Geräte, die konzentriertes Sonnenlicht absorbieren und an ein Wärmetransfermedium (HTF) weiterleiten. Empfänger können in zwei Arten unterteilt werden: externe Empfänger und interne Empfänger. Externe Empfänger sind der Atmosphäre ausgesetzt und haben hohe Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung. Interne Empfänger sind in einer Vakuumbelüftung eingeschlossen und haben geringe Wärmeverluste aufgrund von Isolierung und Entlüftung.

• Wärmetransfermedien: Dies sind Fluide, die durch die Empfänger zirkulieren und Wärme von den Sammlern zum Kraftblock transportieren. Wärmetransfermedien können in zwei Arten unterteilt werden: thermische Fluide und geschmolzene Salze. Thermische Fluide sind organische Flüssigkeiten wie synthetische Öle oder Kohlenwasserstoffe, die hohe Siedepunkte und niedrige Gefrierpunkte haben. Geschmolzene Salze sind anorganische Verbindungen wie Natriumnitrat oder Kaliumnitrat, die eine hohe Wärmekapazität und einen geringen Dampfdruck haben.

• Kraftblock: Hier wird Wärme mithilfe einer Turbine oder eines Motors, verbunden mit einem Generator, in Strom umgewandelt. Der Kraftblock kann in zwei Arten unterteilt werden: Dampfprozess und Brayton-Prozess. Der Dampfprozess verwendet Wasser als HTF und erzeugt Dampf, der eine Dampfturbine antreibt, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Der Brayton-Prozess verwendet Luft als HTF und erzeugt heiße Luft, die eine Gasturbine antreibt, die mit einem elektrischen Generator verbunden ist.

• Speichersystem: Hier wird überschüssige Wärme für spätere Nutzung gespeichert, wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist oder wenn die Lastbedingungen hoch sind. Speichersysteme können in zwei Arten unterteilt werden: sensible Wärmespeicherung und latente Wärmespeicherung. Sensible Wärmespeicherung verwendet Materialien wie Felsen, Wasser oder geschmolzene Salze, die Wärme speichern, indem sie ihre Temperatur erhöhen, ohne ihre Phase zu ändern. Latente Wärmespeicherung verwendet Materialien wie Phasenwechselmaterialien (PCM) oder thermochemische Materialien (TCM), die Wärme speichern, indem sie ihre Phase oder chemische Zustände ändern, ohne ihre Temperatur zu verändern.

  
  

Die Anordnung eines konzentrierten Solarkraftwerks hängt von mehreren Faktoren ab, wie Standortbedingungen, Systemgröße, Designziele und Netzanschlussanforderungen. Allerdings besteht eine typische Anordnung aus drei Hauptteilen: Sammelbereich, Kraftblock und Speichersystem.

Der Sammelbereich umfasst die Sammler, Empfänger und HTFs, die Wärme aus dem Sonnenlicht sammeln und transportieren.Der Kraftblock umfasst die Turbinen, Motoren,Generatoren und andere Ausrüstungen, die Wärme in Elektrizität umwandeln.Das Speichersystem umfasst Tanks, Behälter und andere Geräte, die Wärme für spätere Nutzung speichern.

Der Betrieb eines konzentrierten Solarkraftwerks hängt von mehreren Faktoren ab, wie Wetterbedingungen, Lastbedarf und Netzstatus. Allerdings besteht ein typischer Betrieb aus drei Hauptmodi: Ladungsmodus, Entladungsmodus und Netzparallelbetriebsmodus.

Der Ladungsmodus tritt ein, wenn es überschüssiges Sonnenlicht und geringe Lastbedarfe gibt. In diesem Modus fokussieren die Sammler Sonnenlicht auf die Empfänger, die das HTF erhitzen. Das HTF fließt dann zum Kraftblock oder zum Speichersystem, je nach Systemkonfiguration und Steuerungsstrategie.

Der Entladungsmodus tritt ein, wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist oder der Lastbedarf hoch ist. In diesem Modus fließt das HTF vom Speichersystem zum Kraftblock, wo es Dampf oder heiße Luft erzeugt, die die Turbine oder den Motor antreibt, um Elektrizität zu erzeugen.

Der Netzparallelbetriebsmodus tritt ein, wenn das Netz verfügbar ist und günstige Tarifbedingungen vorliegen. In diesem Modus kann der vom Kraftblock erzeugte Strom über einen Transformator und einen Schalter ins Netz eingespeist werden. Der Netzparallelbetriebsmodus kann auch eintreten, wenn es zu einem Netzausfall kommt und Ersatzstrom benötigt wird. In diesem Modus kann der vom Kraftblock erzeugte Strom über einen Inverter und einen Schalter direkt an die Lasten geliefert werden.