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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Solarthermische Kraftwerke. Solarkonzentratoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Solche Kraftwerke bündeln die Sonnenenergie mithilfe von Linsen und Reflektoren. Da diese Wärme gespeichert werden kann, können solche Anlagen bei Bedarf, Tag und Nacht und bei jedem Wetter Strom erzeugen. Große Spiegel – mit Punkt- oder Linienfokus – bündeln die Sonnenstrahlen so stark, dass sich das Wasser in Dampf verwandelt und dabei genügend Energie freisetzt, um die Turbine anzutreiben. Luz Corp. riesige Felder solcher Spiegel in der kalifornischen Wüste installiert. Sie produzieren 354 MW Strom. Diese Systeme können Sonnenenergie mit einem Wirkungsgrad von etwa 15 % in Strom umwandeln. Alle beschriebenen Technologien, mit Ausnahme von Solarteichen, nutzen Konzentratoren zur Erzielung hoher Temperaturen, die das Licht der Sonne von einer größeren Oberfläche auf eine kleinere Empfängeroberfläche reflektieren. Typischerweise besteht ein solches System aus einem Konzentrator, einem Empfänger, einem Kühlmittel, einem Speichersystem und einem Energieübertragungssystem.
Solarwärme kann auf viele Arten gespeichert werden. Zu den modernen Technologien gehören Parabolkonzentratoren, Solarparabolspiegel und Solarstromtürme. Sie können mit Verbrennungsanlagen für fossile Brennstoffe kombiniert und teilweise zur Wärmespeicherung adaptiert werden. Der Hauptvorteil einer solchen Hybridisierung und Wärmespeicherung besteht darin, dass eine solche Technologie eine Planung der Stromerzeugung ermöglichen kann (das heißt, die Stromerzeugung kann zu Zeiten erfolgen, in denen sie benötigt wird). Hybridisierung und Wärmespeicherung können den wirtschaftlichen Wert des erzeugten Stroms steigern und seine Durchschnittskosten senken. Parabolisches (Tray) System Bei diesen Anlagen werden Parabolspiegel (Tabletts) verwendet, die das Sonnenlicht auf Empfangsrohre konzentrieren, die eine Wärmeübertragungsflüssigkeit enthalten. Diese Flüssigkeit wird auf fast 400 °C erhitzt und durch eine Reihe von Wärmetauschern gepumpt; Dadurch entsteht überhitzter Dampf, der einen herkömmlichen Turbinengenerator zur Stromerzeugung antreibt. Um den Wärmeverlust zu reduzieren, kann das Empfangsrohr von einem transparenten Glasrohr umgeben sein, das entlang der Brennlinie des Zylinders platziert ist. In der Regel umfassen solche Anlagen ein- oder zweiachsige Solarnachführungssysteme. In seltenen Fällen sind sie stationär.
Schätzungen der Technologie zeigen, dass sie teurer ist als Solarkraftwerke vom Turm- und Tellertyp, was hauptsächlich auf die geringere Konzentration der Sonnenstrahlung und damit auf niedrigere Temperaturen und damit auf die Effizienz zurückzuführen ist. Mit mehr Betriebserfahrung, verbesserter Technologie und geringeren Betriebskosten könnten Parabolkonzentratoren jedoch die kostengünstigste und zuverlässigste Technologie der nahen Zukunft sein. Neun dieser Systeme wurden in den 80er Jahren von Luz International in der südkalifornischen Wüste gebaut und bilden heute das größte solarthermische Kraftwerk der Welt. Diese Kraftwerke versorgen das öffentliche Stromnetz Südkaliforniens mit Strom. Bereits 1984 installierte Luz International in Deggett, Südkalifornien, ein 13,8 MW Solar Electric Generating System I (oder SEGS I). In den Aufnahmerohren wurde das Öl auf eine Temperatur von 343 °C erhitzt und Dampf zur Stromerzeugung erzeugt. Das „SEGS I“-Design ermöglichte eine Wärmespeicherung von 6 Stunden. Es wurden Erdgasöfen verwendet, die ohne Sonneneinstrahlung betrieben wurden. Das gleiche Unternehmen baute ähnliche Kraftwerke „SEGS II – VII“ mit einer Leistung von 30 MW. 1990 wurden am Harper Lake die „SEGS VIII und IX“ mit einer Leistung von jeweils 80 MW gebaut. Aufgrund zahlreicher gesetzgeberischer und politischer Schwierigkeiten meldeten Luz International und seine Tochtergesellschaften am 25. November 1991 Insolvenz an. Jetzt werden die Stationen „SEGS I – IX“ von anderen Unternehmen im Rahmen des alten Vertrags mit „Southern California Edison“ betrieben. Die Pläne zum Bau von „SEGS X, XI, XII“ mussten aufgegeben werden, was den Verlust von weiteren 240 MW geplanter Kapazität bedeutete.
Typ Solarplatte Bei dieser Art von Solaranlage handelt es sich um einen Stapel parabolischer Spiegel (ähnlich einer Satellitenschüssel), die die Sonnenenergie auf Empfänger bündeln, die sich im Brennpunkt jeder Schüssel befinden. Die Flüssigkeit im Empfänger wird auf bis zu 1000 °C erhitzt und direkt zur Stromerzeugung in einem kleinen Motor und Generator verwendet, der an den Empfänger angeschlossen ist.
Darüber hinaus stellen solche Systeme dank des modularen Aufbaus die beste Option dar, um den Strombedarf sowohl von Einzelverbrauchern (im Kilowattbereich) als auch von Hybridverbrauchern (im Megawattbereich) zu decken, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind. Diese Technologie wurde in einer Reihe von Projekten erfolgreich implementiert. Eines davon ist das STEP-Projekt (Solar Total Energy Project) im US-Bundesstaat Georgia. Dabei handelt es sich um ein großes Parabolspiegelsystem, das zwischen 1982 und 1989 funktionierte. im Shenandoah. Es bestand aus 114 Spiegeln mit einem Durchmesser von jeweils 7 Metern. Das System erzeugte Hochdruckdampf zur Stromerzeugung, Mitteldruckdampf für die Strickindustrie und Niederdruckdampf für die Klimaanlage in derselben Strickerei. Im Oktober 1989 schloss das Energieversorgungsunternehmen das Kraftwerk aufgrund von Schäden an der Hauptturbine und fehlenden Mitteln für die Reparatur des Kraftwerks. Stirling- und Brayton-Motoren befinden sich derzeit in der Entwicklung. In den USA sind mehrere Pilotanlagen von 7 kW bis 25 kW in Betrieb. Hoher optischer Wirkungsgrad und niedrige Anschaffungskosten machen Spiegel/Motor-Systeme zu den effizientesten aller Solartechnologien. Das Stirlingmotor- und Parabolspiegelsystem hält den Weltrekord für die effizienteste Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. 1984 erreichte der Rancho Mirage in Kalifornien einen praktischen Wirkungsgrad von 29 %.
Ein Joint Venture zwischen Sandia National Lab und Cummins Power Generation versucht derzeit, ein 7,5-kW-System zu kommerzialisieren. Cummins hofft, bis 10 000 Einheiten pro Jahr verkaufen zu können. Auch andere Unternehmen sind daran interessiert, Parabolspiegel und Stirlingmotoren gemeinsam zu nutzen. Beispielsweise gründeten Stirling Technology, Stirling Thermal Motors und Detroit Diesel zusammen mit Science Applications International Corporation ein 2004 Millionen US-Dollar teures Joint Venture zur Entwicklung eines 36-Kilowatt-Systems auf Basis des Stirlingmotors. Solarstrommasten mit zentralem Empfänger Diese Systeme verwenden ein rotierendes Feld aus Heliostatenreflektoren. Sie bündeln das Sonnenlicht auf einen zentralen Empfänger oben auf dem Turm, der Wärmeenergie absorbiert und einen Turbinengenerator antreibt. Ein computergesteuertes zweiachsiges Trackingsystem positioniert die Heliostaten so, dass die reflektierten Sonnenstrahlen stationär sind und immer auf den Empfänger fallen. Die im Sammler zirkulierende Flüssigkeit gibt Wärme in Form von Dampf an den Wärmespeicher ab. Der Dampf treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an oder wird direkt in industriellen Prozessen genutzt. Die Temperaturen am Empfänger liegen zwischen 538 und 1482 °C.
Das erste Turmkraftwerk namens „Solar One“ in der Nähe von Barstow, Südkalifornien, demonstrierte erfolgreich die Anwendung dieser Technologie zur Stromerzeugung. Das Unternehmen war Mitte der 1980er Jahre tätig. Es wurde ein Wasser-Dampf-System mit einer Leistung von 10 MWe verwendet. Im Jahr 1992 beschloss ein Konsortium aus US-amerikanischen Energieunternehmen, Solar One zu modernisieren, um einen Receiver für geschmolzenes Salz und ein Wärmespeichersystem zu demonstrieren. Dank der Wärmespeicherung sind Turmkraftwerke zu einer einzigartigen Solartechnologie geworden, die eine Stromverteilung mit einem Lastfaktor von bis zu 65 % ermöglicht. In einem solchen System wird geschmolzenes Salz aus einem „kalten“ Tank mit einer Temperatur von 288 °C gepumpt und durch einen Auffangbehälter geleitet, wo es auf 565 °C erhitzt wird, und dann in den „heißen“ Tank zurückgeführt. Jetzt kann heißes Salz bei Bedarf zur Stromerzeugung genutzt werden. In modernen Modellen solcher Anlagen wird die Wärme 3 bis 13 Stunden lang gespeichert.
Solar Two, ein 10-MW-Kraftturm in Kalifornien, ist der Prototyp großer Industriekraftwerke. Im April 1996 lieferte es erstmals Strom und markierte damit den Beginn einer dreijährigen Test-, Evaluierungs- und Pilotstromerzeugungsphase zur Demonstration der Salzschmelze-Technologie. Die Sonnenwärme wird in geschmolzenem Salz bei einer Temperatur von 3 °C gespeichert, wodurch die Station Tag und Nacht und bei jedem Wetter Strom erzeugen kann. Der erfolgreiche Abschluss des Projekts „Solar Two“ soll den Bau solcher Türme auf industrieller Basis im Leistungsbereich von 550 bis 30 MW ermöglichen. Vergleich der Spezifikationen Die Tabelle fasst die wesentlichen Merkmale der drei Möglichkeiten der solarthermischen Stromerzeugung zusammen. Türme und parabolisch-zylindrische Konzentratoren funktionieren optimal als Teil großer, netzgekoppelter Kraftwerke mit einer Leistung von 30–200 MW, während Scheibensysteme aus Modulen bestehen und sowohl in Einzelanlagen als auch in Gruppen mit a eingesetzt werden können Gesamtleistung von mehreren Megawatt. Parabolrinnen sind die mit Abstand fortschrittlichste Solarenergietechnologie und dürften in naher Zukunft zum Einsatz kommen. Turmkraftwerke können aufgrund ihrer effizienten Wärmespeicherkapazität in naher Zukunft auch zu Solarkraftwerken werden. Die modulare Natur der "Tabletts" ermöglicht ihre Verwendung in kleineren Installationen. Türme und „Dishes“ ermöglichen höhere Wirkungsgrade bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie zu geringeren Kosten als bei parabolischen Konzentratoren. Es bleibt jedoch unklar, ob diese Technologien in der Lage sein werden, die erforderliche Reduzierung der Kapitalkosten zu erreichen. Parabolische Konzentratoren sind heute eine bewährte Technologie, die auf ihre Chance zur Verbesserung wartet. Turmkraftwerke müssen mit kostengünstigen Heliostaten die Effizienz und Betriebssicherheit der Salzschmelze-Technologie unter Beweis stellen. Für Systeme vom Tellertyp ist es notwendig, mindestens einen kommerziellen Motor zu schaffen und einen kostengünstigen Konzentrator zu entwickeln. Eigenschaften solarthermischer Kraftwerke
(p) = Prognose; (d) = Tatsache Vergleich der wichtigsten solarthermischen Technologien
Einige wirtschaftliche und konstruktive Probleme thermischer Solarkraftwerke Die Kosten für die Stromerzeugung aus thermischen Solarkraftwerken hängen von vielen Faktoren ab. Dazu gehören Kapitalkosten, Betriebskosten und Wartungskosten, Systemleistung. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Kosten der Technologie und die Endkosten des erzeugten Stroms einem erheblichen Einfluss externer Faktoren unterliegen, die nicht direkt mit dieser Technologie zusammenhängen. Beispielsweise können Parabolkonzentratoren und kleine eigenständige Türme recht teuer sein. Um ihre Kosten zu senken und sie mit modernen Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen konkurrenzfähig zu machen, ist es notwendig, ihre Kapazität schrittweise zu erhöhen und Solarenergiezentren zu bauen, in denen sich mehrere Energieanlagen am selben Standort befinden. Da diese Technologien außerdem traditionelle Kraftstoffe ersetzen, kann die Steuerregulierung erhebliche Auswirkungen auf ihre Wettbewerbsfähigkeit haben. Kosten versus Wert Durch Wärmespeicherung und Hybridisierung können thermische Solarkraftwerke zu einer nachhaltigen und flexiblen Stromquelle werden. Es ist zuverlässig und in der Lage, Strom zu produzieren, wenn er benötigt wird. Daher ist kontrollierter Strom für den Energieversorger von großem Wert, da er die Notwendigkeit des Baus und Betriebs neuer Kraftwerke ausgleicht. Das bedeutet, dass ein solarthermisches Kraftwerk zwar teurer sein kann als ein herkömmliches, der Wert jedoch höher sein kann. Vorteile von Solarkraftwerken Thermische Solarkraftwerke schaffen zweieinhalb Mal mehr qualifizierte und gut bezahlte Arbeitsplätze als herkömmliche Kraftwerke, die fossile Brennstoffe verbrennen. Die California State Energy Commission führte eine Studie durch, die ergab, dass ein solarthermisches Kraftwerk selbst mit bestehenden Steuergutschriften etwa 1,7-mal mehr Bundes- und Kommunalsteuern zahlen muss als ein GuD-Kraftwerk gleicher Leistung. Wenn für diese Kraftwerke die gleichen Steuern gezahlt würden, wären die Kosten für den von ihnen erzeugten Strom ungefähr gleich. Potential Wenn nur 1 % der Wüsten der Erde für die Produktion von sauberem solarthermischem Strom genutzt würden, würde mehr gewonnen, als heute weltweit durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Befund Technologien zur solarthermischen Stromerzeugung auf Basis der Konzentration des Sonnenlichts befinden sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Parabolkonzentratoren werden bereits heute im industriellen Maßstab eingesetzt: In der Mojave-Wüste (Kalifornien) beträgt die Anlagenleistung 354 MW. Solarturmtürme befinden sich in der Phase der Demonstrationsprojekte. In Barstow (USA) wird ein Pilotprojekt namens „Solar Two“ mit einer Leistung von 10 MW getestet. Plattensysteme befinden sich in der Phase der Demonstrationsprojekte. Mehrere Projekte befinden sich in der Designentwicklung. In Golden (USA) ist eine 25-Kilowatt-Prototypstation in Betrieb. Solarthermische Kraftwerke verfügen über eine Reihe von Merkmalen, die sie zu einer sehr attraktiven Technologie auf dem expandierenden globalen Markt für erneuerbare Energien machen. In der Ukraine wurde in den 80er Jahren unter sowjetischer Herrschaft in der Nähe der Stadt Schtschelkino im Bezirk Leninsky der Autonomen Republik Krim ein experimentelles Solarkraftwerk mit einer Leistung von 5 MW gebaut. Zur Zeit der Perestroika, als die finanzielle Unterstützung des Staates aus dem Solarkraftwerk verschwand, konnte das Solarkraftwerk seine eigenen Betriebskosten nicht amortisieren. Das Solarkraftwerk wurde gestoppt und geplündert. Im Jahr 2005 wurde das Solarkraftwerk gemäß der Entscheidung des Ministeriums für Brennstoffe und Energie der Ukraine endgültig abgebaut. Thermische Solarkraftwerke haben in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Durch weitere Entwicklungsarbeiten sollen diese Systeme wettbewerbsfähiger gegenüber fossilen Brennstoffen werden, ihre Zuverlässigkeit erhöhen und eine ernstzunehmende Alternative angesichts der ständig steigenden Nachfrage nach Elektrizität darstellen.
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Kommentare zum Artikel: Sergej Michailowitsch Dovbush, rocosov@yandex.ru Im Sommer gibt es überall genug Sonne für alle, und für die kalten Wintermonate braucht es Reserven riesiger Wärmespeicher, ausgestattet tief unter der Erde, wofür es sich lohnt, ausgediente Kohlegruben zu nutzen.
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