Das DLR-Institut für Solarforschung hat gemeinsam mit Black Photon Instruments (BPI), einem Spin-Off des Fraunhofer ISE, einen neuen optischen Sensor entwickelt, mit dessen Hilfe die Betreiber von solarthermischen Anlagen die Zirkumsolar-Strahlung vor Ort messen können.
Die neue Technologie kommt nun erstmalig industriell in einer Anlage zur solaren Dampferzeugung im südlichen Oman zum Einsatz, die von GlassPoint Solar für Petroleum Development Oman (PDO) errichtet wurde. Der neue Sensor BPI CSR460 wurde speziell für den Einsatz in solarthermischen Anlagen in Wüstenbedingungen entwickelt, wo extreme Hitze herrscht und besonders viel Staub, Schmutz und Sand auf die Anlagen einwirkt.
Wozu dient die Messung der Zirkumsolar-Strahlung?
Die Zirkumsolarstrahlung zu kennen ist für die Erbauer und Betreiber von solarthermischen Kraftwerken äußerst hilfreich, da sie den Wirkungsgrad des Kraftwerks beeinflusst. In solarthermischen Kraftwerken bündeln Spiegel die direkte Solarstrahlung auf einen Wärmeübertrager (engl. Receiver). Das darin befindliche Wärmeträgerfluid wird durch die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt und zur Erzeugung von Dampf, Strom, Wärme, Kälte, oder zur Wasserreinigung genutzt.
Eine Ablenkung der Solarstrahlung erfolgt durch Wolken und sogenannte Aerosol-Partikel, zum Beispiel Wüstenstaub in der Luft. Wenn ein Teil der Strahlung nicht direkt vom Sonnenzentrum, sondern aus dem Zirkumsolarbereich, zum Beispiel 2° abweichend vom Sonnenzentrum stammt, wird die Strahlung je nach Kraftwerkstyp nicht richtig auf den Absorber fokussiert und trägt nicht zur Wärmeerzeugung bei.
Die Zirkumsolarstrahlung beeinflusst somit die Effizienz der Solarkollektoren. Bei Kenntnis der Zirkumsolarstrahlung in der Planungsphase kann der Erbauer das Kraftwerk entsprechend der zu erwartenden Effizienz richtig dimensionieren (mehr Spiegel) oder seine Kraftwerkskomponenten darauf anpassen (bessere Spiegel, größere Absorber).
Vorteile des neuen Sensors
Im Vergleich zu dem beim DLR für Forschungszwecke genutzten SFERA Messsystem für Zirkumsolarstrahlung ist die Neuentwicklung BPI CSR460 weniger wartungsintensiv, leichter zu bedienen und kostengünstiger. Ebenso wie das SFERA System hält der neue Sensor den extremen Witterungseinflüssen stand, die an den Standorten von solarthermischen Kraftwerken vorherrschen.
Eine weitere Besonderheit ist die von BPI entwickelte Selbstreinigungsfunktion „Airshield“ des Sensors: Die Technologie „AirShield“ besteht aus einer Drucklufteinheit welche gefilterte Druckluft erzeugt sowie einem im Sensor integrierten Verteilsystem das die Luft über 4 Düsen auf das Eintrittsfenster lenkt und es so frei von Schmutz und Staub hält. Diese Funktion erhöht die Genauigkeit der Messungen und reduziert den Wartungsaufwand.
Neuer Sensor wird erstmalig von GlassPoint in einer Anlage zur Dampferzeugung im Oman eingesetzt
GlassPoint entwickelt und produziert Solardampfgeneratoren speziell für das raue Wüstenklima. Seine geschlossene Parabolrinnen-Technologie umschließt große Parabolspiegel von einem Gewächshaus und schützt so die Sonnenkollektoren vor Wind, Staub und Sand.
Im Jahr 2013 errichtete GlassPoint für Petroleum Development Oman (PDO) eine 7MWth Anlage zur Solardampferzeugung in einem Ölfeld im Süd-Oman. Die Anlage erzeugt mittels Solarstrahlung Dampf für das Verfahren Solar EOR (Solar Enhanced Oil Recovery Solar = Solarverstärkte Ölausbeute) zur Schwerölförderung. Hierdurch wird die sonst für die Dampferzeugung benötigte Menge an Erdgas reduziert.
GlassPoint verwendet den BPI CSR460 Sensor, um den Einfluss der Zirkumsolarstrahlung auf die Anlagenleistung zu bestimmen und die Leistung der Anlage zu optimieren. GlassPoint ist das erste Unternehmen, das diese Sensor-Technologie einsetzt, um die Zirkumstrahlung unter realen Betriebsbedingungen zu messen.
"GlassPoint baute die geschlossene Parabolrinnenanlage von Grund auf um die Technologie vor den extremen Wind- und Staubeinflüssen zu schützen, wie sie in der Golfregion vorherrschen.“ so Ben Bierman, COO bei GlassPoint. „Die Messwerte des CSR460 geben uns wertvolle Erkenntnisse über den Wert der Solarenergie, da die Einstrahlung sich im Tagesverlauf verändert. Wir sind dadurch besser in der Lage unser System an die lokalen Gegebenheiten anzupassen um den wirtschaftlich effizienten Betrieb der Anlage sicher zu stellen.“
Glasspoint, DLR and BlackPhoton Instruments streben auch für die Zukunft eine enge Zusammenarbeit an, um innovative Lösungen für die Nutzung der Solarenergie und der benötigten Messtechnik in Wüstenregionen mit starker Solarstrahlung und hohem Staubgehalt zu entwickeln.
Entwicklung erfolgte als Kooperationsprojekt von DLR und BPI
Wissenschaftler des DLR und des Fraunhofer Spin-Off BPI arbeiten bereits seit einigen Jahren an der Technologie zur Messung der Zirkumsolarstrahlung. BPI ist seit 2005 Lizenznehmer der Sensortechnologie des Fraunhofer ISE und hat diese seitdem kontinuierlich weiter entwickelt.
Das DLR Institut für Solarforschung entwickelte für den neuen Sensor BPI CSR460 eine Kalibriermethode sowie die Datenverarbeitungssoftware, die an BPI lizensiert wurde. Auf der Plataforma Solar de Almería des spanischen Forschungspartners CIEMAT führten die Wissenschaftler des DLR die Validierung der Messungen durch und testeten die Sensortechnologie unter realen Bedingungen.
Die Arbeiten wurden aus Mitteln des vom FP7 Programm der EU geförderten Projekt SFERA und von der Deutschen Umweltstiftung unterstützt. Der Sensor BPI CSR460 wird durch Black Photon Instruments vertrieben.