Bei solaren Hochtemperaturreceivern geht ein Teil der konzentrierten Strahlung als sogenannter Spillageverlust verloren, da er den Strahlungsschutz am Aperturrand statt des Receivers trifft. Spezielle Photovoltaikmodule mit Multi-Junction-Zellen können diese Randstrahlung jedoch hocheffizient in Strom umwandeln.
Effizienzsteigerung hybrider Solar-Kraftwerke
Konzentrierende Solarkraftwerke gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz und kosteneffektiven Energiespeichermöglichkeiten als wesentlicher Bestandteil des erneuerbaren Energiemixes. Solarturmsysteme, die feste Partikel als Wärmeübertragungs- und Speichermedium nutzen, bieten in Kombination mit konzentrierender Photovoltaik (CPV) das Potenzial zur Senkung der gewichteten Energiekosten.
Die Forschenden bewerten das Kosteneinsparpotenzial durch die Hybridisierung von konzentrierenden Solarkraftwerken mittels Integration von CPV-Modulen in den Strahlungsschutz eines Partikelempfängers, um ansonsten verlorene Streustrahlung zu nutzen. Simulationsergebnisse für eine kommerzielle Konfiguration zeigen, dass die jährliche Stromerzeugung um bis zu 12 Prozent gesteigert werden kann, wobei die gewichteten Stromgestehungskosten des CPV-Anteils zwischen 0,02 und 0,024 Euro pro Kilowattstunde liegen.
Steigerung des Energieertrags durch Integration von CPV-Modulen
Bei solaren Hochtemperaturreceivern geht ein relevanter Anteil der konzentrierten Solarstrahlung als sogenannter Spillageverlust verloren, weil er nicht den eigentlichen Receiver, sondern den Strahlungsschutz am Aperturrand trifft. Da in diesem Bereich trotzdem noch hohe Strahlungsflussdichten auftreten, können spezielle Photovoltaikmodule mit Multi-Junction-Zellen diese Randstrahlung mit hohem Wirkungsgrad direkt in Strom umwandeln.
Solare Flussdichten auf den CPV-Modulen
Die Grafik zeigt die Anordnung der CPV-Module einschließlich der zum Auslegungszeitpunkt auftretenden Sonnenflussdichten.
Die techno-ökonomische Optimierung von Hochtemperaturreceivern führt zu Receiverdesigns, bei denen bis zu 25 Prozent der konzentrierten Solarstrahlung auf den als Strahlungsschutz aufgebauten Aperturrand trifft und damit normalerweise verloren geht. Diese Strahlung kann mit sogenannten CPV-Zellen (Concentrating PV) genutzt werden. Diese CPV-Zellen sind für hohe solare Bestrahlungsintensität optimiert und können diese mit Wirkungsgraden bis über 40 Prozent direkt in Strom umwandeln. Aufgrund der hohen Strahlungsflussdichten müssen die CPV-Module, auf deren Oberfläche die Zellen angeordnet sind, mit einer effizienten Wasserkühlung betrieben werden.
Folgende Grafik zeigt die Aperturumrandung eines Hochtemperaturreceivers, die aus einem konischen Teil und einem flachen Teil besteht. Jede der blauen Flächen stellt ein CPV-Modul mit einer Fläche von 10 mal 10 Zentimeter dar, einer typischen Baugröße solcher Module. Im Rahmen der techno-ökonomischen Optimierung werden die zusätzlichen Stromerträge aus den CPV-Modulen in Verbindung mit den zusätzlichen Kosten im Gesamtsystem bewertet. Neben den Kosten für die CPV-Module fallen weitere Kosten für die Wasserkühlung und die elektrische Verschaltung an.
Belegung des Aperturrandes eines Receivers mit CPV-Modulen
Die Verluste durch Streustrahlung (Spillage-Verluste) werden durch den Einsatz der CPV-Module auf dem Strahlungsschutz des Partikelzentrifugalreceiver aufgefangen.
Technische und ökonomische Bewertung und Tests unter realen Sonnenbedingungen
Das Potential der CPV-Module wurde im Beispielfall eines modularen solaren Kraftwerks mit Partikelreceiver bewertet. Der Receiver hat einen Aperturdurchmesser von 3.1 Meter und eine thermische Leistung von 12 Megawatt im Auslegungszeitpunkt. Der Spillageverlust ohne CPV-Module beträgt etwa 24 Prozent.
In einer optimierten Konfiguration mit CPV-System werden im konischen und im flachen Teil der Aperturumrandung über 1.200 CPV-Module eingesetzt. Dadurch kann der jährliche Stromertrag um nahezu 24 Prozent gesteigert werden, die Stromgestehungskosten sinken in diesem Fall um über 13 Prozent. Allerdings folgt die zusätzliche Stromerzeugung über die CPV-Module in etwa der thermischen Receiverleistung bei Sonnenschein. Im Gegensatz dazu kann die Stromerzeugung aus der thermischen Receiverleistung über einen Wärmespeicher auch nachts erfolgen.
Für die jährliche Bewertung wurden die zusätzliche elektrische Energie und die damit verbundenen Kosten für eine unterschiedliche Anzahl von CPV-Reihen im konischen Abschnitt berechnet.
Entwicklung der Stromgestehungskosten mit CPV-Modulen
Energiegewinn und Senkung der Stromgestehungskosten für eine unterschiedliche Anzahl von CPV-Reihen.
Die oben stehende Abbildung zeigt die Ergebnisse der Bewertung. Je nach Anzahl der installierten CPV-Reihen kann durch die Nutzung der sonst verlorenen Streustrahlung bis zu 12 Prozent mehr Energie pro Jahr erzeugt werden. Die Extraktion der Stromgestehungskosten des CPV-Subsystems ergibt einen Bereich, der bei etwa 0,02 Euro pro Kilowattstunde beginnt und auf etwa 0,024 Euro pro Kilowattstunde ansteigt, wenn mehr CPV-Module in weniger bestrahlten Regionen weiter entfernt von der Öffnung installiert werden. Dies ist ein attraktives Kostenniveau für die zusätzliche Leistung. Mit den zusätzlichen Kosten für das CPV-Subsystem ergibt sich eine Reduzierung der Stromgestehungskosten des Hybridsystems um bis zu 7,5 Prozent.
