DLR - Institut für Solarforschung - Linienfokussierende Systeme - Bewährte Technologie mit Entwicklungspotential


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Forschung und Entwicklung

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Linienfokussierende Systeme - Bewährte Technologie mit Entwicklungspotential
(25. August 2015)


Parabolrinnenanlage auf der Plataforma Solar de Almería. Bild: DLR/Markus-Steuer.de

Die Parabolrinnentechnik stellt als wichtigster Vertreter der linienfokussierenden Kollektoren die einzige solarthermische Technologie für die Stromerzeugung dar, bei der man auf Erfahrungen aus bis zu 30 Jahren kommerziellem Betrieb zurückgreifen kann. Die ersten Parabolrinnen-Kraftwerke wurden schon im Jahr 1984 in Kalifornien errichtet. Seit dem Jahr 2008 erlebte die Technologie im Rahmen der Förderung erneuerbarer Energien zunächst in Spanien und mittlerweile weltweit eine Renaissance.

Zu den linienfokussierenden Kollektoren sind neben der Parabolrinnentechnik auch Linear-Fresnel-Kollektoren zu zählen. Linienfokussierende Kollektoren sind für den Einsatz im Temperaturbereich bis ca. 500°C geeignet. Sie bestehen aus in der Regel einachsig der Sonne nachgeführten Konzentratorspiegeln und einem in der Fokallinie angebrachten Absorberrohr. Durch dieses fließt ein Wärmeträgermedium, mit dem die Wärme der vorgesehenen Anwendung (z.B. Kraftwerksprozess, Prozesswärmenutzer, Wärmespeicher) zugeführt wird.

Parabolrinnenkollektoren sind bisher die kommerziell erfolgreichste Technologie für solarthermische Kraftwerke. Den Stand der Technik repräsentieren die in Spanien errichteten Anlagen vom Typ ANDASOL mit einer Leistung von 50 MWe und integriertem Wärmespeicher für rund 8 Volllaststunden. Stahlstrukturen mit parabolisch gekrümmten Glasspiegeln bilden Konzentratormodule mit einer Aperturweite von rund 5,8 Metern und 12 Metern Länge, die zu 150 Meter langen Kollektoren zusammengesetzt werden.
Die Absorberrohre haben eine selektiv beschichtete Oberfläche und sind von einem evakuierten Glashüllrohr umgeben. Als Wärmeträgermedium dient ein Thermoöl, im Wärmespeicher wird aus Kostengründen eine Salzschmelze eingesetzt.

Fresnelkollektor. Bild: Novatec

Bei Linear-Fresnel-Kollektoren besteht der Konzentrator aus leicht gekrümmten, schmalen Facetten, die das Sonnenlicht auf einen feststehenden Absorber konzentrieren. Wegen der vergleichsweise geringen Windlasten auf den Konzentrator, lässt sich dieser besonders material- und kostensparend konstruieren. Dem stehen optische bzw. geometrische Nachteile im Vergleich mit der Parabolrinne gegenüber. Bisher ausgeführte Anlagen erzeugen Heißwasser oder Sattdampf.

Forschungsthemen

Das derzeit übliche Thermoöl begrenzt mit seiner Einsatztemperatur von knapp 400°C den Wirkungsgrad des Dampfturbinenkreislaufs. Um das Temperaturpotenzial der Kollektoren optimal nutzen zu können, wird an der Entwicklung der direkten Dampferzeugung im Kollektorfeld  für Frischdampfzustände bis ca. 120bar/500°C gearbeitet. Darüber hinaus werden Prozesse für alternative Wärmeträgermedien, beispielsweise Salzschmelze, untersucht.

Beim heutigen Stand der Technik sind die Potenziale für weitere Wirkungsgradsteigerungen von Schlüsselkomponenten bereits weitgehend ausgereizt. Ziel der Komponentenentwicklung muss daher die Kostensenkung bei Materialeinsatz, Fertigung, Transport und Montage sein, ohne jedoch das Leistungsvermögen zu beeinträchtigen. Ansatzpunkte für neuartige Kollektorkonzepte  bieten geänderte Bauweisen, beispielsweise auf der Basis von Sandwich-Strukturen, alternative Werkstoffe wie Beton oder innovative Kollektorgeometrien.

Neben der Anwendung in solarthermischen Kraftwerken werden linienfokussierende Kollektoren auch im Bereich industrieller Prozesswärme- oder Kälteerzeugung  eingesetzt. In diesem Marktsegment liegt die besondere Herausforderung bei der Systemintegration.

Arbeitsgebiete

Die DLR-Standorte in Almería, Köln und Stuttgart erarbeiten relevante Fragestellungen zu linienfokussierenden Systemen im gesamten Spektrum von Grundlagenforschung und Theoriebildung, über experimentelle und numerische Methoden bis zur Demonstration unter realen Betriebsbedingungen einschließlich der wirtschaftlichen Bewertung. Unsere Forschungsschwerpunkte liegen derzeit bei den folgenden Themen:

Flüssigsalzsysteme

Direktverdampfung

Kollektorentwicklung

Industrielle Prozesswärme

Prozessoptimierung




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