schlaich bergermann und partner

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SonneSunschlaich bergermann und partner

Beratende Ingenieure für erneuerbare Energie

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schlaich bergermann und partner

SonneSun

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Inhalt ContentS 3

1 Einführung 4 Introduction

2 Zuverlässige, planbare Strombereitstellung 10 Reliable and Predictable electricity Supply

3 Entwurf 15 Design

4 Struktur 20 Structure

5 Optik 28 optics

6 Antriebe 36 Drive Mechanisms

7 Techno-ökonomische Analyse und Optimierung 42 techno-economic Analysis and optimisation

8 Thermodynamik 48 thermodynamics

9 Kraftwerk 54 Power Station

10 Ausblick 56 outlook

Anhang 63 Appendix Impressum 64 Imprint

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schlaich bergermann und partner ist als unab-hängiges Ingenieurbüro seit über 30 Jahren im Bereich der erneuerbaren Energien tätig. Bereits nach der ersten Ölkrise 1973 haben wir uns mit Konzepten und Ideen zur solaren Stromerzeugung beschäftigt und in ersten Projekten Erfahrungen bei der Planung, dem Bau und dem Betrieb von solarthermischen Anlagen im In- und Ausland ge-sammelt. Auch manche unserer anderen damaligen Bauprojekte, wie z. B. die 2. Hooghly River Bridge in Kalkutta/Indien, führten uns immer wieder vor Augen, dass es ohne ausreichende Energieversor-gung keinen Wohlstand und kein menschenwürdi-ges Dasein geben kann.

Für uns als Bauingenieurbüro lag der Schwer-punkt bei den ersten Projekten auf der Entwicklung von neuen innovativen Strukturen für erneuerbare Energiesysteme. Beispiele sind die Entwicklung von Kamin- und Kollektorvarianten für den Bau des ersten Aufwindkraftwerkes in Spanien (Abb. 2) oder die Einführung von vorgespannten Metall-membranen zur Gestaltung großer Parabolspiegel für die solare Stromversorgung bei Riad in Saudi-Arabien (Abb.3). Im Laufe der Jahre stellte sich aber heraus, dass sich hier ein völlig neuartiges Betätigungsfeld für Ingenieure eröffnet, das durch eine der bekannten Ingenieurdisziplinen alleine nicht effektiv und erfolgreich bearbeitet werden kann. Allein mit Bauingenieurwissen, aber ohne Verständnis zur Thermodynamik, ohne Steuerungs- und Antriebstechnik, ohne Kenntnis der reflektie-renden und brechenden Optik bei konzentrieren-den Solarstrukturen usw., sind effiziente und kostengünstige Systeme nicht entwickelbar.

For more than 30 years, schlaich bergermann und partner has been an independent engineer-ing office active in the area of renewable energy. Already after the first oil crisis in 1973, we have been working on concepts and ideas for solar power generation and have gained experience in the design, construction and operation of solar thermal power plants in the framework of first pro-jects in Germany and abroad. Some of our other building projects realised in those days, such as the 2nd Hooghly River Bridge in Calcutta/India, showed us that there can be no prosperity and human existence without sufficient energy supply.

For us as a civil engineering office, the focus of our first projects was the development of new in-novative structures for renewable energy systems. examples include developing tower and collector designs for the first solar updraft tower plant in Spain (Fig.2) and the introduction of prestressed metal membranes for parabolic mirrors used for solar energy supply close to the city of Riyadh in Saudi Arabia (Fig.3). over the course of the years, however, it turned out that solar energy would develop into a completely new field of activity for engineers that cannot be covered effectively and successfully by only one traditional engineering discipline alone. only with structural engineering knowledge, without an understanding of thermo-dynamics, without control and drive technology, without knowledge of reflecting and refracting optics in concentrating solar structures and so on, efficient and cost-effective systems cannot be developed.

1 Einführung Introduction

EInführung IntRoDuCtIon 5

1 Andasol 1 Kollektorfeld in Spanien, 2008 Andasol 1 collector field in Spain, 2008

Die klassische Art der Bearbeitung wiederum, d.h. durch mehrere Büros mit unterschiedlichen Schwerpunkten, führt zu großem Aufwand bei der Schnittstellenbetreuung mit damit einhergehen-dem Innovationsverlust, systemischer „Blindheit“ und der Unfähigkeit, das Gesamtsystem zu opti-mieren mit dem Ziel, zukunftsträchtige ganzheitli-che Systemlösungen zu erarbeiten. Ausgehend von dieser Erkenntnis wuchs im Zuge der Projekte und Jahre ein leistungsfähiges Team heran, anfäng-lich ausschließlich aus reinen Bauingenieuren, dann erweitert durch Ingenieure des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und der Luft- und Raumfahrt-technik, Physiker, Mathematiker sowie Spezialis-ten für optische Systeme und Thermodynamik, mit dem nun die komplexen Aufgabenstellungen um-fassend bearbeitet werden können.

Warum konzentrieren wir uns auf die Sonne? Die größte Energiequelle, die der Menschheit zur Verfügung steht, ist die Sonne. Jahr für Jahr trifft auf die äußere Erdatmosphäre eine Strahlungs-energie von etwa 1,5x1018 kWh bzw. 5.461.000 Exajoule, was ungefähr dem Zehntausendfachen des heutigen Primärenergieverbrauchs der Welt entspricht (2010 ca. 600 Exajoule). Nur wenn es gelingt, durch die Entwicklung geeigneter Techno-logien dieses kostenlose Energieangebot wirt-schaftlich zu nutzen, steht der Welt eine zeitlich unbegrenzte, ressourcenschonende und umwelt-freundliche Energiequelle zur Verfügung (Abb.4).

Durch die Zunahme der Weltbevölkerung, die Erschöpfung der bisher verwendeten fossilen Energiequellen wie Erdöl und Erdgas, und den Wunsch, der gesamten Weltbevölkerung ein men-

the classical way of implementing complex pro-jects, i.e. cooperation of several offices with differ-ent areas of expertise, leads to high expenditures in terms of interface management, a consequen-tial loss of innovation, systemic ‘blindness’ and the inability to optimise the overall system with the objective to create trend-setting integrated system solutions. Based on this insight, a highly produc-tive team has emerged over the course of projects and years, initially consisting only of structural en-gineers and then extended by mechanical engi-neers, electrical engineers, aerospace engineers, physicists, mathematicians and specialists for optical systems and thermodynamics, a team that can perform complex tasks comprehensively.

Why are we focussed on the sun? the greatest source of energy mankind has at its disposal is the sun. Year after year, the earth’s outer atmosphere is hit by radiation energy of around 1.5 x1018 kWh or 5,461,000 exajoules, corresponding to around ten thousand times the level of today’s primary energy consumption throughout the world (approx. 600 exajoules in 2010). only if mankind succeeds in using this cost-free energy supply in a cost-ef-fective way through the development of suitable new technologies, a resource-saving and environ-mentally friendly source of energy will be available to the world for an unlimited period of time (Fig.4).

As a result of the increase in world population, exhaustion of fossil sources of energy used so far such as crude oil or natural gas, and of the desire to provide the entire world population with a humane existence including access to sufficient and affordable energy, it will be the task of the

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Kollektorfläche glas

Collector area glass 40,000 m²Kollektorfläche Membran

Collector area membrane 6,000 m²höhe turm | Tower height 194 m

Ort | Location Manzanares, Spanien | Manzanares, Spain

Bauherr | Client Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn

fertigstellung | Completion 1989

unser auftrag Grundlagenerforschung: Planung, Bau, Betrieb und Auswertung Scope of our work Research: design, construction, operation and evaluation

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schenwürdiges Dasein mit Zugang zu ausreichen-der und erschwinglicher Energie zu ermöglichen, wird es Aufgabe dieser und der nächsten Ingenieur-generation sein, die Solartechnik in großem Stil mit neuen Ideen und Technologien voranzubringen. Seit nunmehr über 30 Jahren haben wir uns dieser Aufgabe verschrieben, gelernt, Erfahrungen ge-sammelt, Rückschläge verkraftet, unterschiedlichs-te Systeme bearbeitet und haben weiterhin Freude daran, diesen Teil der Zukunft mit zu gestalten.

Was sind unsere Ziele? Eine zukünftig immer mehr auf regenerativen Energien aufbauende Ener-gieversorgung benötigt eine Vielzahl an neuen Technologien, angefangen beim Warmwasserkol-lektor auf dem Dach eines Wohnhauses, über Windkraftanlagen, Gezeitenkraftwerke, kleine und große Photovoltaikanlagen, Anlagen zur Prozess-wärmebereitstellung und auch bis hin zu großen solarthermischen Kraftwerken mit Leistungen im zwei- und dreistelligen Megawattbereich. Wo immer möglich und gewünscht, bieten wir unser Wissen und unsere Erfahrungen an, angefangen bei der Ausarbeitung neuer Konzepte bis hin zur ingenieurtechnischen Bearbeitung großer Kraft-werke.

Eines der drei Hauptziele der Energiepolitik und auch der zukünftigen regenerativen Stromversor-gung ist, neben Wirtschaftlichkeit und Umweltver-träglichkeit, die Versorgungssicherheit. Eine Mög-lichkeit, diese zu erreichen, stellen die solar-thermischen Kraftwerke dar: Mittels eines großen Kollektorfeldes wird durch Konzentration der Son-nenstrahlung auf einen punkt- oder linienförmigen Absorber ein Wärmeträgermedium (Öl, Wasser, Salz oder Luft) auf Temperaturen von 200 bis teil-weise über 1000°C erhitzt. Die so erzeugte Wärme kann entweder direkt oder über Wärmetauscher in großen Speichern vorgehalten und dann bei Bedarf einer herkömmlichen Dampf- oder Gasturbine zu-geführt werden, welche die Wärme in mechani-sche Energie und über einen angeschlossenen Generator in Elektrizität wandelt. Die Entwicklung, Optimierung und der Einsatz dieser sogenannten CSP (Concentrating Solar Power) Technologien in Kraftwerken, und damit in energiewirtschaftlich relevanter Größe, ist unsere wichtigstes Ziel.

present and next generation of engineers to pro-mote solar technology with new ideas and tech-nologies on a large scale. For more than 30 years, we have been committed to this task, learned, gained experience, coped with setbacks, handled the most various systems and continue taking pleasure in shaping this part of the future.

What are our objectives? Global energy supply, which will have to rely more and more on renew-able sources of energy in the future, requires a wide range of technologies from hot water collec-tors on the roof of a residential building, wind power plants, tidal power plants, small and large-scale photovoltaic power stations and process heat provision systems to large solar thermal power plants with two- and three digit Megawatt outputs. Wherever possible and desired, we offer our knowledge and experience, starting from the preparation of new concepts to engineering de-sign services for large power stations.

In addition to economic efficiency and environ-mental concerns, the security of supply is one of the main objectives of energy policy and future renewable power supply. Solar thermal power plants provide a possibility to achieve this goal: By means of a large collector field, a heat trans - fer medium (oil, water, salt or air) is heated to temperatures ranging from 200 to partially over 1,000°C through concentration of solar radiation by point- or line-focus collectors. the heat created this way can be made available either directly or by means of heat exchangers at large storage facili-ties and then transferred by preference to a con-ventional steam or gas turbine, which converts the heat into mechanical energy and then into electric-ity by means of a connected generator. the devel-opment, optimisation and use of these so-called CSP (Concentrating Solar Power) technologies in power plants at scales relevant in terms of energy economics are our most important objectives.

2 Aufwindkraftwerk Manzanares, Spanien, 1989Solar updraft tower Manzanares, Spain, 1989

3 50 kW Dish/Stirling-Systeme in Saudi-Arabien50 kW Dish/Stirling systems in Saudi Arabia

EInführung IntRoDuCtIon 7

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How do we try to achieve these objectives? At the beginning of a new project or a new develop-ment, there is almost always a techno-economic consideration: Besides the technical function and elaboration of a new idea, anticipated energy costs are very much in focus. Renewable energy sys-tems are capital-intensive. As a rule, they do not cause fuel costs, which represent the domi nant and ever increasing share of energy costs in the case of conventional fossil power plants. on the other hand, the initial construction investment costs of a renewable energy plant are high. the objective of all new developments is to keep these construction costs as low as possible. In this con-text, not only material costs are relevant, but also the cost of constructing and operating the plant. At the same time, the system is supposed to provide as much energy as possible (chapter 7).

the resulting optimisation tasks and the field of solar energy generation in general provide us with an exciting and multifaceted area of activity, which we cover from early concept development to the last bolt of the serial production process. espe-cially the field of solar energy generation, whether concentrating or non-concentrating as in case of the solar updraft tower—except the technology of parabolic trough power plants—is still very young. therefore, it is continuously required to break new ground and develop solutions that are adjusted to the respective task—a challenge, but still one that makes sense and that we enjoy to face.

Wie versuchen wir diese Ziele zu erreichen? Am Anfang eines neuen Projektes oder einer neuen Entwicklung steht fast immer eine techno-ökonomische Betrachtung: Neben der technischen Funktion und Ausgestaltung einer neuen Idee ste-hen immer die zu erwartenden Energiekosten im Vordergrund. Regenerative Energiesysteme sind kapitalintensiv. In der Regel verursachen sie keine Brennstoffkosten, die bei herkömmlichen fossilen Kraftwerken den dominanten und immer größer werdenden Anteil an den Energiekosten darstellen. Dafür sind die anfänglichen Investitionskosten zur Errichtung einer regenerativen Anlage hoch. Ziel bei allen neuen Entwicklungen ist es daher, diese Baukosten möglichst niedrig zu halten. Dabei sind nicht nur die Materialkosten von Bedeutung, son-dern auch die Kosten für die Errichtung und den Betrieb der Anlage. Gleichzeitig soll natürlich mög-lichst viel Nutzenergie bereitgestellt werden (Kap.7).

Die resultierenden Optimierungsaufgaben und das Gebiet der solaren Energiegewinnung allgemein bieten uns ein spannendes und vielseitiges Betäti-gungsfeld, welches wir von der frühen Konzeptent-wicklung bis zur letzten Schraube in der Serienferti-gung betreuen. Speziell der Bereich der solaren Stromerzeugung, konzentrierend oder wie beim Auf windkraftwerk nichtkonzentrierend – ausgenom-men die Technologie der Parabolrinnenkraftwerke – ist noch sehr jung. So gilt es, ständig Neuland zu betreten und an die jeweilige Aufgabe angepasste Lösungen zu entwickeln. Eine Herausfor derung, aber eine sinnvolle, die wir gerne annehmen.

4 Weltweite fossile Energiereserven und dazugehörige statische Reich weite mit ausgewählten EnergieströmenGlobal fossil energy reserves and respective reserves to production ratio compared to selected energy flows

Jährlicher weltweiter EnergieverbrauchAnnual global energy consumption

Öl oil

GasGas

KohleCoal

40 Jahre40 years

65 Jahre65 years

170 Jahre170 years

60 Jahre60 years

Jährliche Sonneneinstrahlung auf der Erde weltweitAnnual global solar radiation (insolation)

Fossile Energiereserven weltweit Global fossil fuel reserves

Uranuranium

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Was sind die trends? Nahezu alle Energieprogno-sen für die kommenden Jahre und Jahrzehnte zei-gen ein ähnliches Bild. Es wird erwartet, dass in der Mitte dieses Jahrhunderts ca. 50% bis 75% des weltweiten Elektrizitätsbedarfs aus regenerativen Quellen kommen werden1. Dies erfordert eine enorme strukturelle Veränderung des Kraftwerk-parks. Da es sich bei erneuerbaren Energien vielfach um fluktuierende Quellen handelt, kommt der Ent-wicklung und Verbreitung von Energiespeichern eine große Bedeutung zu. Nur so können regene-rative Erzeugung und Nutzung zeitlich entkoppelt (Kap.2) und eine sichere Energiebereitstellung gewährleistet werden. Weiterhin sind die elektri-schen Transportnetze an die geänderte räumliche Verteilung der Erzeugung anzupassen.

All dies ist einerseits eine große Herausforde-rung für die Bereitstellung der erforderlichen politi-schen Randbedingungen und finanziellen Ressour-cen, aber andererseits eine noch größere für die Ingenieure, Techniker und Entwickler. Neue Techno-logien in allen Bereichen müssen erdacht, entwickelt, erprobt und realisiert werden. Dies reicht von Maß-nahmen zur Energieeinsparung über die Entwick-lung neuer Technologien zur regenerati ven Energie-erzeugung bis zum Bau und der Integra tion von Anlagen und Kraftwerken in Infrastrukturen. Heute schon zu sagen, welcher Technologienmix sich am Endes des Jahrhunderts im Markt etabliert haben wird, ist sicher vermessen, aber diese und die nächs-te Ingenieurgeneration wird hier die entscheidenden Weichen stellen. Absehbar ist, dass neben Wind-, Wellen- und Gezeitenkraftwerken, Biomassenut-zung und Erdwärme die Nutzung der Sonnenstrah-lung die wichtigste Rolle bei der zukünftigen Ener-gieversorgung übernehmen wird.

What are the trends? Almost all energy forecasts for the coming years and decades raise similar prospects. It is expected that, by the middle of the century, approx. 50 to 75% of the global energy demand will be covered by renewable sources 1. this requires an enormous structural change of the power plant park. Since renewable energy sources are often fluctuating, the development and prolif-eration of energy storage facilities are of major importance. only through this process the gen-eration and utilisation of renewable energy can be temporarily decoupled (chapter 2) and reliable energy provision guaranteed. More over, the elec-tricity transportation networks need to be adjusted to the upcoming change of spatial distribution of the generation.

on the one hand, it is a great challenge to provide the necessary political framework and financial resources, while it is a still greater challenge for en-gineers, technicians and developers on the other hand. In all areas, new technologies have to be con-ceived, developed, tested and introduced to the market. this ranges from energy-saving measures and development of new renewable energy produc-tion technologies to construction and integration of facilities and power plants into infrastructures. Cer-tainly, it would be presumptuous to already state which mix of technologies will have eventually es-tablished itself in the market at the end of the cen-tury. However, the present and next generation of engineers will have to set the crucial trends in this respect. It can be foreseen that, besides wind, wave and tidal power plants, biomass utilisation and geo-thermal energy, the use of solar radiation will play the most important role in future energy supply.

EInführung IntRoDuCtIon 9

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Potenziale und derzeitige Nutzung erneuerbarer Energiequellen im VergleichPotentials and current use of renewable energy sources by comparison

=1EJ

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2 Zuverlässige, planbare Strombereitstellung

Reliable and Predictable electricity Supply

Wir setzen es heute als selbstverständlich voraus, immer, d. h. Tag und Nacht, an 365 Tagen im Jahr, über elektrische Energie verfügen zu können. Sel-ten machen wir uns aber bewusst, dass das Strom-netz keinen Strom speichern kann – dies bedeutet, dass zu jedem Zeitpunkt immer genau so viel Strom produziert werden muss, wie gerade ver-braucht wird.

In der Vergangenheit musste ausschließlich die Erzeugung an die Nachfrage angepasst werden. Dazu reichte die Regelbarkeit des Kraftwerkparks aus.

Heute führt die regional ungleich verteilte sowie schwankende und nur eingeschränkt prognostizier-bare Stromerzeugung von Photovoltaik (PV)- und Windkraftanlagen zu großen Herausforderungen für die Integration in das bestehende Stromversor-gungssystem, denn der konventionelle Kraftwerks-park muss zusätzlich zu den bekannten Nachfrage-schwankungen auch noch die neu hinzugekomme-nen Schwankungen auf der Erzeugungsseite ausgleichen. Da erneuerbare Energien wie Wind-kraft- und Solarenergie bei der Einspeisung Vorrang haben, muss der konventionelle Kraftwerkspark die Differenz zwischen Bedarf und erneuerbarer Einspeisung, die sogenannte Residuallast, decken (Abb.2).

today, we take it for granted that electrical energy is at our disposal continuously, day and night, 365 days a year. However, it rarely occurs to us that the electricity network is unable to store electric-ity, meaning that, at any point in time, precisely the same amount of electricity needs to be produced as is currently consumed.

In the past, the only need was to adjust electric power generation to the electricity demand. For this purpose, controllability of the power plant sys-tem was sufficient.

today, the unequal regional distribution, fluctua-tion and limited predictability of electric power generation by photovoltaic (PV) and wind power plants give rise to huge challenges as far as integra-tion into the existing power generation network is concerned. essentially, this is because the conven-tional power plant system has to compensate not only for the known fluctuations in demand, but also for the fluctuations on the supply side. Since re-newable energies like wind power and solar en-ergy have priority in feed-in, the conventional power plant system needs to cover the difference between demand and renewable feed-in, the so-called residual load (Fig.2).

ZuvErläSSIgE, planBarE StrOMBErEItStEllung RelIABle AnD PReDICtABle eleCtRICItY SuPPlY 11

Storage In this context, solar thermal power plants represent an important option: in contrast to technologies like PV and Wind power, the ther-mal storage facilities of solar thermal power plants facilitate a demand-based supply of electricity comparable to that of fossil power plants, but based on the sun as a renewable fluctuating source of energy. Already today, storage facilities make electric power generation predictable and controllable (Fig.3).

Alternatively, this can also be achieved through gas burners integrated into the solar thermal power stations, through which steam for the turbines can be produced at night or during the day in the event that sunshine is not sufficiently avialable.

In Spain for instance, solar thermal power sta-tions help compensate the fluctuations on the demand side and in the generation of electric power by wind and PV plants. In the future, this will be required on a significantly larger scale (Fig.4). Fig. 4 clearly shows that the solar thermal power stations (orange) continue to generate elec-tricity after sunset, while PV systems (yellow) are no longer able to make a contribution to power supply. technically and economically optimal layout, planning and integration of the storage facility into the solar power station are therefore of major importance.

Speicher Solarthermische Kraftwerke stellen in diesem Kontext eine wichtige Option dar: Im Gegensatz zu Technologien wie PV und Wind ermöglichen die thermischen Speicher der solar-thermischen Kraftwerke die nachfragegerechte Strom bereitstellung, vergleichbar mit fossilen Kraftwerken, aber basierend auf der erneuerbaren fluktuierenden Energiequelle Sonne. Speicher machen die Stromerzeugung plan- und steuerbar – und das heute schon (Abb.3).

Alternativ kann dies auch mit in die solarthermi-schen Kraftwerke integrierten Gasbrennern er-reicht werden, mit denen nachts Dampf für die Turbinen erzeugt werden kann, und sollte die Sonne nicht ausreichend scheinen, auch tags.

In Spanien beispielsweise helfen solarthermi-sche Kraftwerke, die Schwankungen auf der Nach-frageseite und bei der Stromerzeugung durch Wind- und PV-Anlagen auszugleichen. In Zukunft wird dies noch deutlich verstärkt erforderlich sein (Abb.4). In Abb.4 ist gut zu erkennen, dass die solarthermischen Kraftwerke (orange) nach Son-nenuntergang, wenn die PV-Systeme (gelb) keinen Beitrag zur Stromversorgung mehr leisten können, weiter Strom bereitstellen. Der technisch und wirt-schaftlich optimalen Auslegung, Planung und Inte-gration des Speichers in ein Solarkraftwerk kommt somit eine große Bedeutung zu.

1 50 MW Parabolrinnenkraftwerk Andasol 2 mit 7,5 h Volllast speicherung, Spanien, 200950 MW parabolic trough power plant Andasol 2 with 7.5 h full load energy storage, Spain, 2009

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Sonstige Erneuerbare other renewables

Last | load Residuallast | Residual load Wind | Wind Solar | Solar

Restbedarf, Export, Pumpspeicher Resid. demand, export., pumped storage

2020 Ausblick | 2020 perspective Wind | Wind Solarthermische Kraftwerke | CSP PV | PV Min. an Wasserkraft (Kleinkraftwerke)

Min. of Hydropower (small plants) Biokraftstoff | Bio fuels Kraft-Wärme-Kopplung

Cogeneration power-heat coupling Wasserkraft (Großkraftwerke)

Hydropower Min. an konvent. Energielieferung

Min. of conventional energy supply Überschuss an EE | Surplus of Re

Direktnormalstrahlung Direct normal irradiance

Thermische Leistung Solarfeld Solar field thermal output

Thermische Energie in den Speicher thermal energy in storage

Thermische Energie vom Speicher thermal energy from thermal storage

Nettoleistung net electric power output

EE-Erzeugung, Nachfrage und Residuallast in Deutschland für Dezember 2010 in GWRe-production, demand and residual load in Germany for December 2010 in GW

Vorraussichtliche Integration von Erneuerbaren Energien in Spanien – 2020 (Beispiel für Zeitraum von 8 Tagen) Perspective Integration of renewable energies in Spain – 2020 (example for a 8 day period)

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2 Nachfrage, Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und Residuallast in Deutschland für Dezember 2010 3

Demand load, electricity generation from renewable energies and residual load in Germany for December 2010

3 Einsatz des Speichers in solar-thermischen Kraftwerken, um die Stromerzeugung nachfragegerecht in den Abend zu verschieben use of storage facilities in solar thermal power stations in order to shift electric power generation to the evening hours in compliance with the demand structure

4 Integration erneuerbarer Energien in Spanien, 2011–2020Integration of renewable energy sources in Spain, 2011–2020

5 Tagesgang der PV-Leistung in Deutschland (Beispiel)1

Daily course of PV output in Germany (example) 1

6 Tagesgang der Stromerzeugung von Aufwindkraftwerken mit natür-lichem Speicher (Boden unter dem Kollektor, orange) und zusätzlichen Speicherelementen (wassergefüllte Säcke, blau/grau) 2

Daily course of electricity generation by solar updraft towers with a natu-ral storage facility (soil underneath the collector, orange) and additional storage elements (water-filled bags, blue/grey) 2

For consumers and hence on the electricity market, electricity available on a safe and predictable basis is worth significantly more than electricity with limited predictability, since reserve capacities per-manently need to be held available for electri city from fluctuating sources without a storage facility; this can be achieved for instance by not operating coal-fired power stations at full load in order to raise their output correspondingly if required.

In the future, decentralised PV systems will increasingly be equipped with battery storage fa-cilities. At present, these systems are still associ-ated with high costs, though with a falling trend. likewise, the cost of storage facilities for solar thermal power stations, which are already available on a standard basis, will decrease significantly as a result of higher temperatures—through which the same storage mass is able to store more energy—and maybe through transition from the two-tank to the one-tank system.

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Für die Verbraucher, und damit auch am Strom -markt, stellt Strom, der sicher und planbar zur Ver-fügung steht, einen deutlich größeren Wert dar als lediglich in Grenzen prognostizierbarer, denn für Strom aus fluktuierenden Quellen ohne Speicher muss permanent eine Reservekapazität vor ge-sehen werden; dies kann beispielsweise erreicht werden, indem Kohlekraftwerke nicht mit Volllast laufen, um dann bei Bedarf die Leistung entspre-chend zu steigern.

Zukünftig werden dezentrale PV-Systeme ver-stärkt mit Batteriespeichern ausgestattet werden. Diese sind allerdings heute noch mit großen Kos-ten verbunden, jedoch mit fallender Tendenz. Eben-so werden die Kosten der heute bereits standard-mäßig verfügbaren Speicher solarthermischer Kraft werke noch deutlich sinken, und zwar insbe-sondere durch höhere Temperaturen – damit kann dieselbe Speichermasse mehr Energie speichern –und ggf. durch den Übergang vom Zwei-Tank zum Ein-Tank-System.

Uhrzeit | time [h]

PV-Leistung | PV electricity generation [%]

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Relative Nutzleistung | Relative power output [%] nur Bodenspeicherung only natural ground storage

Wasserschicht 10 cm Water layer 10 cm

Wasserschicht 20 cm Water layer 20 cm

Uhrzeit | time [h]

ZuvErläSSIgE, planBarE StrOMBErEItStEllung RelIABle AnD PReDICtABle eleCtRICItY SuPPlY 13

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Ohne Nachführung, Globalstrahlung (direkt+diffus), Fläche schräg zum Äquator hin orientiert (Anstellwinkel = Breitengrad) | Without tracking, global irradiance (direct+diffuse), surface sloped towards the equator (setting angle = degree of latitude)

Ohne Nachführung, Globalstrahlung (direkt+diffus), horizontale Fläche Without tracking, global radiation (direct+diffuse), horizontal surface

Einachsige Nachführung, nur Direktstrahlung, Achse in Ost-West-Richtung orientiert | uniaxial tracking, only direct irradiance, axis oriented in east-west direction

Zweiachsige Nachführung, nur Direktstrahlung, Flächennormale zeigt immer zur Sonne | Biaxial tracking, only direct irradiance, surface normal always points to the sun

Heliostat: Zweiachsige Nachführung, nur Direktstrahlung, Flächennormale hat Richtung der Winkelhalbierenden zwischen Sonnenvektor und Vektor vom Helio staten zum Zielpunkt | Heliostat: two axis tracking, only direct irradiance, surface normal in direction of the bisector between sun vector and vector from heliostat to target point

Einachsige Nachführung, nur Direktstrahlung, Achse in Nord-Süd-Richtung orientiert | uniaxial tracking, only direct irradiance, axis oriented in north-south direction

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Daily variations in electricity generationeven without integrated storage facilities, the daily variation in electricity generation differ according to the various types of solar power stations. A dis-tinction is to be made between two essential effects:1. Whereas PV electricity generation directly fol-

lows the course of solar radiation (Fig.5), ther-mal inertia of the plants provides for a significant equalisation of electric power generation in the solar thermal power stations. this effect is par-ticularly strong in parabolic trough power stations with extensive inventory of heat transfer medium (thermal oil or molten salt), as well as in solar updraft towers (Fig.6).

2. In concentrating systems, variations in daily power generation depend on the kind of tracking. Here, tracking means whether the concentrator is designed to follow the movement of the sun, and if so, how this is accomplished (Fig.7). the two bottom diagrams in Fig.7 show the course of solar radiation on single-axis tracking para-bolic trough collectors for a rotational axis ori-ented in north-south direction (bottom right) and for a rotational axis oriented in east-west direc-tion (bottom left). It is clearly recognisable that the usually chosen orientation of the rotational axis in north-south direction produces more evenly distributed intensity over the course of the day than the orientation in the east-west di-rection; however, the differences are greater between the seasons.

Zeitlicher verlauf der StromerzeugungAuch ohne integrierte Speicher unterscheidet sich der Tagesgang der Stromerzeugung der unter-schiedlichen Solarkraftwerkstypen. Zwei wesent-liche Effekte sind zu unterscheiden:1. Während die PV-Stromerzeugung direkt dem

Verlauf der Solarstrahlung folgt (Abb.5), sorgt bei solarthermischen Kraftwerken die thermische Trägheit der Anlagen für eine deutliche Vergleich-mäßigung der Stromerzeugung. Besonders aus-geprägt ist dies bei Parabolrinnenkraftwerken mit ihrem großen Inventar an Wärmeträger flüssigkeit (Thermoöl oder Salz schmelze) und bei Aufwind-kraftwerken (Abb.6).

2. Bei konzentrierenden Systemen ergeben sich je nach Art der Nachführung ebenfalls Unter-schiede beim Tagesgang. Nachführung bedeutet hier, ob und wie der Konzentrator dem Sonnen-verlauf nachgeführt wird (Abb.7). Die beiden unteren Diagramme in Abb. 7 zeigen den Verlauf der Solarstrahlung auf einachsig nachgeführten Parabolrinnenkollektoren für eine in Nord-Süd-Richtung orientierte Drehachse (unten rechts) bzw. für eine in Ost-West-Richtung orientierte Drehachse (unten links). Es ist deutlich zu sehen, dass die üblicherweise gewählte Orientierung der Drehachse in Nord-Süd-Richtung einen im Tagesverlauf gleichmäßigeren Intensitätsverlauf bedingt als die Orientierung in Ost-West-Rich-tung; dafür sind allerdings die Unterschiede zwi-schen den Jahreszeiten größer.

7 Tagesverlauf der solaren Einstrah-lung für einen klaren Standort auf 35° Breite für verschiedene Nach-führarten (dargestellt ist jeweils die Direktstrahlung, Ausnahme: Dia-gramm „ohne Nachführung“, da zzgl. pauschal 10% Diffusstrahlung)Daily course of solar irradiance at a clear location at 35° latitude for various tracking types (showing direct radiation in each case except for the diagram ‘without tracking’ with an additional estimated 10% diffuse radiation)

ZuvErläSSIgE, planBarE StrOMBErEItStEllung RelIABle AnD PReDICtABle eleCtRICItY SuPPlY 15

16

3 Entwurf Design

In der Entwurfsphase für eine neue Technologie, einen neuen Kollektor oder eine neue Struktur ist es zunächst wichtig, ein möglichst vollständiges Verständnis des gesamten Systems zu erlangen, um dann eine Idee zu entwickeln, die dem Gesamt-problem oder der Gesamtaufgabe gerecht wird. In der Regel ist hierbei ein intensiver Austausch unter den verschiedenen Disziplinen erforderlich, um alle Aspekte und deren Einfluss auf das Gesamtsystem zu verstehen. Erst danach kristallisieren sich dann verschiedene mögliche Ansätze heraus, die zuerst meistens parallel zu bearbeiten sind, bis eine inte-grale Beurteilung im Team erfolgen kann, um den einen oder anderen, oder auch mehrere Lösungs-ansätze, weiter zu detaillieren.

Abwägen, Verwerfen, Ändern und Anpassen sind in dieser Phase die dominanten Aufgaben. Herstellbarkeit, Montierbarkeit, optische Effizienz, Genauigkeitsanforderungen, Antriebskonzepte, Struktureigenschaften, Materialwahl und nicht zu-letzt Betriebsfähigkeit stehen im Vordergrund. Erste Kostenschätzungen und Bewertungen müs-sen durchgeführt werden, wobei teilweise bereits

In the design phase of a new technology, a new collec tor or a new structure, it is first and foremost important to understand the entire system as com-prehensively as possible, and then develop an idea that meets the requirements of the overall problem and the overall task. In general, this requires an inten-sive exchange between various disciplines in order to understand all aspects and their influence on the overall system. only afterwards do various possible approaches emerge, which in most cases have to be processed in parallel until an integrated assessment within the team can take place in order to go into further details of one or more proposed solutions.

Considering, changing, dismissing and adjust-ing are the predominant tasks during this phase. Additionally, there is focus on producibility, mounta-bility, optical efficiency, precision requirements, drive concepts, structural properties, choice of materials and, last but not least, serviceability. Ini-tial cost estimates and assessments need to be performed, sometimes with potential manufactur-ers and assembly companies getting involved already at this early stage.

1

EntWurf DeSIGn 17

1 Infinia Dish, Spanien, 2007Infinia dish, Spain, 2007

2 HelioTrough-Kollektorentwurf 2010 Heliotrough collector design 2010

3 Ultimate Trough® Kollektor- entwurf 2011 ultimate trough® collector design 2011

2

3

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in dieser frühen Phase potenzielle Hersteller und Montagefirmen mit einbezogen werden.

Übergeordnet ist dabei immer die Suche nach neuen Wegen und Ansätzen, die Energiegeste-hungskosten weiter zu senken, damit die Wirt-schaftlichkeit zu erhöhen und die Marktaussichten zu verbessern. Dazu ist es erforderlich, ausgetre-tene Pfade zu verlassen, neue Ansätze zu finden und auch auf den ersten Blick schwierige Lösungs-wege und Konzepte weiter zu verfolgen. Genaue Kenntnisse bestehender Lösungen sind erforder-lich, um deren Schwachstellen zu erkennen und neue Ideen zu finden.

Neue und innovative Lösungen bergen ein ge-wisses Entwicklungsrisiko, einhergehend mit ent-sprechend hohen Entwicklungskosten, bis schließ-lich eine wirtschaftliche Nutzung möglich wird. Deshalb ist die Bewertung des Entwicklungsrisikos ein wesentlicher Bestandteil bei der Auswahl und Beurteilung der erarbeiteten Entwürfe.

In this context, the focus is always the search for new methods and solutions to further reduce en-ergy generation costs and hence enhance eco-nomic efficiency as well as improve market pros-pects. this requires leaving beaten paths, finding new solutions and further pursuing ideas and con-cepts even when they seem to be difficult at first sight. Precise knowledge of existing solutions is needed to identify the weaknesses of these solu-tions and to find new ideas.

new and innovative solutions bear certain de-velopment risks, associated with correspondingly high development costs until cost-effective utilisa-tion finally becomes possible. therefore, evalua-tion of the development risk is an essential part in selecting and assessing complete designs.

4 Heliofocus Dish 2011 Heliofocus dish 2011 a Ruhestellung | stow position b Betrieb | operation

Konzentratorabmaße | Dish size 27.5 m x 25.7 mBrennweite | Focal length 14 mSpiegelfläche | Mirror surface 493 m²receiver Heißluft | Hot airantrieb | drives hydraulisch | hydraulic

4a

4b

Entwürfe und Ideen müssen immer einerseits auf die Technologie und andererseits auch auf das zu-künftige Einsatzgebiet abgestimmt sein. Ein neuer Parabolrinnenkollektor für den indischen Markt hat anderen Randbedingungen zu genügen als z. B. eine Entwicklung für den amerikanischen Markt mit seinen hohen Lohnkosten, insbesondere für Arbei-ten auf der Baustelle. So wird man für den ameri-kanischen Markt einen Kollektor entwerfen, der sich bei der Fertigung durch einen hohen Automa-tisierungsgrad auszeichnet und aus möglichst wenigen Baugruppen besteht, die dann auf der Baustelle zusammenzufügen sind, um die Monta-gekosten möglichst gering zu halten. Ein speziell für den indischen Markt konzipierter Kollektor hin-gegen zeichnet sich durch einen materialsparen-den Entwurf aus, der möglichst aus mehreren kleineren Bauteilen besteht und möglichst viel „Handarbeit“ bei der Herstellung und Montage zu-lässt. Beide Konzepte müssen aber die geforderte optische Qualität liefern, um letztendlich in beiden Ländern einen Kollektor zur Verfügung zu stellen, der eine ähnlich gute optische und thermische Ef-fizienz aufweist. Deshalb müssen geeignete Ferti-gungs- und Montagekonzepte von Beginn an mit betrachtet und später in der Ausführungs planung mit detailliert werden (Abb. 2+3).

Beim Entwurf eines Parabolkonzentrators spielt u. a. dessen Größe eine entscheidende Rolle. Einen zweiachsig gekrümmten Konzentrator mit z. B. 20 m² Spiegelfläche wird man nicht als Drehstand-lösung ausbilden, sondern einen mastgestützten Entwurf bevorzugen (Abb. 3), wohingegen bei Konzentratoren mit einer sehr großen Spiegelflä-che von z. B. 500 m² die Drehstandlösung vorteil-hafter ist. Zusätzlich muss eine Konstruktion ge-funden werden, die den enormen Windkräften gerecht wird. Meist werden die Elevationsantriebe so ausgebildet, dass der Konzentrator bei hohen Windgeschwindigkeiten aus dem Wind gedreht werden kann (Abb.4).

Auch ein astronomisches Teleskop zur Beob-achtung der Cherenkov-Strahlung mit 100 m² Spiegelfläche wird man nicht als mastgestützten Konzentrator entwerfen, sondern es als Drehstand-lösung ausbilden, insbesondere wegen seiner Größe, aber auch aufgrund der geforderten Nach-führgenauigkeit und der erforderlichen Struktur-steifigkeit, die nochmals um eine Größenordnung höher liegt als bei konzentrierenden Solar kollek-toren.

Entwerfen ist immer ein ganzheitlicher Prozess; er wird nur dann zu guten und kostengünstigen Lösungen führen, wenn alle Systeme und Aspekte von der Fertigung über die Montage bis zur späteren Nutzung gut verstanden und maßgeblich in den Entwurf mit eingebracht und berück sichtigt wurden.

Designs and ideas always have to be adjusted to the technology on the one hand and to the future area of application on the other. For instance, a new parabolic trough collector for the Indian mar-ket needs to meet other framework conditions than a development for the uS market with its high labour costs especially for construction site works. For the uS market, one will certainly design a col-lector with a high level of automation in the manu-facturing process and consisting of as few compo-nents as possible, which are then assembled on the construction site in order to take the high as-sembly costs into account. By contrast, a collector specially designed for the Indian market will be distinguished by a material-saving design prefer-ably consisting of several smaller components and admitting as much ‘manual labour’ as possible in the process of manufacturing and assembly. How-ever, both concepts need to deliver the necessary optical quality so that, at the end of the day, a col-lector with similarly good optical and thermal effi-ciency attributes can be made available in both countries. For this reason, suitable manufacturing and assembly concepts must be taken into consid-eration from the very beginning and specified at a later stage in the context of execution planning (Fig. 2+3).

In the design of a parabolic concentrator, size is one of the crucial factors. For instance, a biaxially curved concentrator with 20 m² mirror surface will not be designed as a turntable solution, but prefer-ably as a pole mounted system (Fig.3), whereas the turntable solution is more advantageous in case of concentrators with a very large mirror sur-face of e.g. 500 m². In addition, a design needs to be developed that is able to withstand the enor-mous wind loads. In most cases, the elevation drives are designed in such a way that the concen-trator can be moved out of the wind in the event of high wind speeds (Fig.4).

An astronomical telescope for observation of the Cherenkov radiation with a mirror surface of 100 m² will not be designed as a tower-supported concentrator, but as a turntable solution especially because of its size, but also due to the required sun tracking precision and the necessary structural stiffness, which is an order of magnitude higher than that of the concentrating solar collectors.

Designing is always an integrated process; it will only lead to good and cost-effective solutions if all systems and aspects from manufacturing and assembly to utilisation are understood comprehen-sively as well, as integrated and considered as significant factors already in the design prepara-tion phase.

EntWurf DeSIGn 19

Ort | Location Dimona, Israel

Bauherr | Client Heliofocus Ltd. Ness Ziona, Israel

unser auftrag Konzeptentwicklung, Ausführungs planung, Fertigungs- und Bauüberwachung, Inbetrieb-nahme; jeweils auch Antriebs-, Elektro- und Steuerungs technik umfassend Scope of our work Conceptual design, detailed design, super-vision of fabrication and erection, commissioning; including drive system, electrics and control

20

4 Struktur Structure

Das Entwickeln und Planen von Strukturen für kon-zentrierende Solaranlagen ist eine unserer wesent-lichen Aufgaben. Tragstrukturen für Solarkollekto-ren sind aufgrund ihrer speziellen technischen Anforderungen Neuland. Egal ob es sich um Helio-staten, Parabol- oder Fresnelkollektoren, Struktu-ren für Dish/Stirling Systeme oder konzentrierende PV-Anlagen handelt, besteht die Aufgabe darin, ein präzises bewegliches optisches Instrument zu ent-werfen, das aus möglichst einfach zu fertigenden Baugruppen besteht, um die hohen technischen und wirtschaftlichen Anforderungen bei Herstel-lung und Montage zu erfüllen.

Eine Herausforderung ist dabei stets die gefor-derte Präzision: Schon geringfügige Abweichun-gen von der Sollgeometrie führen zu optischen Verlusten, reduzieren den solaren Ertrag des Sys-tems und mindern am Ende die Wirtschaftlichkeit.

Bei heutigen Parabolrinnenkollektoren z. B. be-trägt der Weg des reflektierten Lichts vom Spiegel zum Absorber im Mittel rund 3 m. Verändert sich die Sollgeometrie unter Eigengewicht oder Wind be-reits um wenige Millimeter (2–3), verschiebt sich der reflektierte Strahl auf dem Absorberrohr um 10 bis 15 mm. Bei einem Absorberrohrdurchmesser von nur etwa 70 mm führt das bereits zu erheblichen optischen Verlusten, da ein Teil der reflektierten Strahlung das Absorberrohr nicht mehr trifft (Abb.1). Insbesondere bei Strukturen, deren Größe von 50 m² bis 500 m² reicht, erfordert diese Genauigkeit erhebliche Anstrengungen und innovative Lösun-gen bei Entwicklung und Fertigung.

the development and design of structures for con-centrating solar energy plants is one of our essen-tial tasks. Due to its particular technical require-ments, supporting structures for solar collectors are uncharted territory. Whether heliostats, para-bolic trough or linear Fresnel collectors, structures for Dish/Stirling systems or concentrating photo-voltaic systems are concerned, the task is to de-sign a precise movable optical instrument consist-ing of component groups that are as simple to manufacture as possible in order to meet the high technical and cost requirements of the production and assembly process.

In this context, the necessary precision always poses a challenge: even minor deviations from the target geometry lead to optical losses, reduce the system’s solar performance and eventually reduce its economic efficiency.

In today’s parabolic trough collectors for in-stance, the average path of the reflected light from the mirror to the absorber is around 3 m. Where the target geometry changes by only a few milli-metres (2–3) as a result of the dead weight or wind, the reflected ray on the absorber tube is displaced by 10 to 15 mm. owing to the absorber tube dia-meter of only around 70 mm, this already leads to significant optical losses, since parts of the re-flected radiation no longer hit the absorber tube (Fig.1). especially in case of structures ranging from sizes between 50 m² and 500 m², this preci-sion requires significant efforts, innovative devel-opment and manufacturing solutions.

StruKtur StRuCtuRe 21

Features the relatively low energy density of solar radiation even in regions with high levels of sunshine leads to very extensive and hence wind-susceptible constructions in order to ‘collect’ the desired energy. In addition to the high stiffness requirements, collectors with a very low surface weight are also used for cost reasons. While the dead weight often plays an important role in con-ventional structural designs, the influence of vari-able loads like snow, ice and wind is dominant in the case of solar collectors.

For that reason, an important component to solve the assigned task is the systematic use of comprehensive wind tunnel tests (Fig.2). For solar collectors, these tests are inevitable due to several reasons:Available conservative dimensioning regulations—which are thoroughly suitable for normal build-ings—lead to substantial surplus masses and hence higher electricity production costs. Wind tunnel tests therefore make sense for economic reasons alone, as they permit to use realistically low values instead of the ones used in the stand-ards and regulations, which are too conservative for this particular purpose.

technical reasons also favour detailed wind tun-nel tests: on the one hand, deformations of the collectors must not exceed certain limiting values in the course of regular operation, since the optical quality and hence eventually power generation will otherwise decrease. on the other hand, the sur-vival of the collector, that is, its structural safety in case of the maximum anticipated wind speed, needs to be guaranteed. the constructional ele-ments of the collector structure must therefore be

Besonderheiten Bedingt durch die auch in son-nenreichen Gegenden vergleichsweise geringe Energiedichte der solaren Einstrahlung ergeben sich sehr großflächige und damit windanfällige Konstruktionen, um die gewünschte Energie „ein-zusammeln“. Zusätzlich zu den hohen Steifigkeits-anforderungen werden aus Kostengründen Kollek-toren mit sehr geringem Flächengewicht gefordert. Während bei konventionellen Baukonstruktionen oft das Eigengewicht eine wichtige Rolle spielt, dominiert bei Solarkollektoren der Einfluss der ver-änderlichen Lasten wie Schnee, Eis und Wind.

Deshalb ist der gezielte Einsatz umfangreicher Windkanaluntersuchungen ein wichtiger Baustein zur Lösung der gestellten Aufgabe (Abb.2) . Diese sind für Solarkollektoren aus mehreren Gründen unumgänglich:

Vorhandene konservative Bemessungsre ge-lungen – die für normale Bauwerke durchaus ge-eignet sind – führen zu erheblichen Mehrmassen und damit höheren Stromgestehungskosten. Allein aus wirtschaftlichen Gründen machen Windka-naluntersuchungen also Sinn, denn sie erlauben es, realistisch niedrige Werte anzusetzen anstatt der in den Normenwerken verwendeten, für diesen Zweck zu konservativen Zahlen.

Auch technische Gründe sprechen für detaillier-te Windkanalversuche: Einerseits dürfen die Ver-formungen der Kollektoren im normalen Betrieb gewisse Grenzwerte nicht überschreiten, weil sonst die optische Qualität und letztendlich die Stromerzeugung sinkt. Andererseits muss auch das Überleben des Kollektors, d.h. seine Standsi-cherheit, bei der maximal anzusetzenden Windge-schwindigkeit sichergestellt sein. Die Bauteile der

1a 1b 2

3a 3b

1a + b „Pizzablech-Methode“: Ein geschlitztes Blech wird in den Strahlengang eines Parabolrinnen-kollektors gebracht, um die Strahlen sichtbar zu machen‘Pizza plate method’: A slotted sheet metal plate is inserted into the radia-tion path of a parabolic trough collec-tor in order to make the rays visible

2 Parabolrinnenkollektor im WindkanalParabolic trough collector in the wind tunnel

3a + b Parabolrinnenkollektor mit Wind-Entlastungsschlitzen Parabolic trough collector with slots to reduce wind loading

22

4 Unter Last verformte Struktur eines Rinnenkollektors, Verformung stark überhöht dargestellt (Finite Element Methode)Structure of a trough collector deformed under load, the deformation being shown in a strongly exaggerated way (Finite element Analysis)

5 Auswertung für die windrich-tungsabhängige Bemessung eines Solarfeldesevaluation for the wind direction-dependent dimensioning of a solar field

6 Kombination verschiedener Ingenieurdisziplinen für die Planung von KollektorstrukturenCombination of different engineering disciplines for the planning of collector structures

4

6 5

Kollektorstruktur müssen so dimensioniert sein, dass sowohl Gebrauchstauglichkeit und damit op-tische Effizienz als auch Standsicherheit gewähr-leistet sind. Eine technisch und wirtschaftlich op-timal ausgelegte Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass die Belastbarkeit der eingesetzten Ma-terialien und Verbindungsmittel in beiden Fällen in hohem Maße ausgenutzt wird.

Die Ergebnisse der Windkanaluntersuchungen sind dann die Eingangsgrößen für die Strukturana-lyse mittels der Finite Elemente Methode (FEM). Das Ergebnis der FEM, d.h. die unter Last verformte Kollektorgeometrie (Abb.4), wird dann für opti-sche Analysen verwendet. Anhand der Ergebnisse dieser Berechnungen wird die Struktur angepasst und erneut berechnet. Nach mehrfachem Durch-laufen dieser Prozedur nähert sich schließlich die Struktur dem Optimum an.

Wann immer möglich, wird bei Windkanal-versuchen auch untersucht, ob sich die Lasten durch Änderungen an der Kollektorgeometrie wei-ter reduzieren lassen (Abb.2).

dimensioned in such a way that serviceability and hence optical efficiency as well as structural safety are guaranteed. A structure optimally designed in technical and economic terms is distinguished by the fact that the loading capacity of the employed materials and fasteners is utilised to a great extent in both cases.

the results of the wind tunnel tests then serve as initial parameters for the structural analysis, per-formed by means of the Finite element Analysis (FeA). the outcome of the FeA, i.e. the collector geometry deformed under load (Fig.4) is then used for optical analysis purposes. Based on the results of these calculations, the structure is ad-justed and calculated again. After several such it-erations, the structure approximately reaches the optimal solution.

the possibility of further reducing the load through geometric modifications on the collector is also investigated (Fig.2).

1.001

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Norm | Code Windrichtungs abhängige

Methode Directional Method

Windrichtungs abhängige Methode mit Sicherheits-aufschlag (+3m/s) Safe Directional Method (+3m/s)

Winddruck (25 jährige Wiederkehrperiode, Kat. III, Höhe 8 m) [kN/m²] Wind pressure (basis 25 yearly; cat III, 8 m height) [kn/m²]

0 0,80 0,32 0,45 30 0,80 0,47 0,62 60 0,80 0,37 0,51 90 0,80 0,32 0,44 120 0,80 0,43 0,58 150 0,80 0,43 0,58 180 0,80 0,68 0,80 210 0,80 0,79 0,80 240 0,80 0,68 0,80 270 0,80 0,42 0,56 300 0,80 0,42 0,56 330 0,80 0,26 0,38

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)

Bauwesen Construction Industry→ Dimension | Dimension

Maschinenbau Mechanical Engineering→ Präzision | Accuracy

automobilbau Automotive engineering→ Stückzahlen | lots→ Serienfertigung

Series production

SolarkollektorSolar collector

StruKtur StRuCtuRe 23

through wind direction-dependent dimensioning of structures with a clear orientation such as para-bolic trough collectors, we make use of another method for minimising wind loads (Fig. 5). this approach takes into account that the wind and ex-treme incidents relevant to dimensioning espe-cially, usually occur at a certain location only from a few directions, which often do not correlate with the structure’s ‘weakest’ direction. this statistic evaluation, which has not been included yet in many standards and regulations, is based on the evaluation of comprehensive meteorological data measured on site or in the vicinity.

In addition, another important requirement on the structure is that the large, weather-exposed optical devices have to be long-lasting and as favourably priced as possible not only in production terms, but also during their operation over decades.

Approach to successfully solve the assigned tasks, we use methods and auxiliary means from various branches of industry. Currently, precise, light yet very stiff structures cannot be assigned adequately to any of the existing branches of in-dustry: the traditional construction industry is not familiar with the necessary precision requirements, mechanical engineering is much too cost-intensive, and the required construction component sizes are unusual in the automotive industry. For this reason, we make use of solutions and procedures from all three sectors (Fig.6).

Steel construction: the elaborate structual compo-nents of the steel structure are delivered by vari-ous steel construction companies. Due to logisti-cal reasons and the number of parts, often several companies deliver the same structural compo-nents. Due to the serial production and the corre-sponding quality controls, these elements have low manufacturing tolerances in the millimetre range, as usual in the steel construction industry. However, these tolerances are still far too large to achieve the necessary precision of the finished collector and hence the necessary optical quality.

Mechanical engineering: For this reason, precise jigs are used, in which the ‘imprecise’ individual parts are assembled on the construction site in a way that the important connection points of the subassemblies are sufficiently precise. As a result, a collector structure emerges on the largest preci-sion jig after the last assembly process, which devi-ates from the designed geometry by only tenths of a millimetre (Fig.7). the jigs have very exact sup-port points, which are milled or grounded and ad-justed by means of expensive 3D measuring proce-dures. to perform the assigned task, the design, construction and use of these jigs, as well as of the

Mit der windrichtungsabhängigen Bemessung für klar ausgerichtete Strukturen, wie z. B. Parabol-rinnenkollektoren, nutzen wir einen weiteren Weg zur Windlastminimierung (Abb.5). Dieser Ansatz berücksichtig, dass der Wind, und vor allem die bemessungsrelevanten Extremwindereignisse, an einem bestimmten Standort in der Regel nur aus wenigen Richtungen auftreten, welche oft nicht mit der „schwächsten“ Richtung der Struktur kor-relieren. Diese statistische Auswertung, die in vie-len Regelwerken noch keinen Einzug gehalten hat, basiert auf der Auswertung von umfangreichen, vor Ort oder in der Umgebung gemessenen meteoro-logischen Daten.

Nicht zuletzt besteht eine weitere wichtige An-forderung an die Struktur darin, dass die großen, der Witterung ausgesetzten optischen Geräte lang-lebig sein müssen und nicht nur bei der Herstellung möglichst kostengünstig sein sollen, sondern auch beim späteren jahrelangen Betrieb.

herangehensweise Um die gestellten Aufgaben erfolgreich zu lösen, nutzen wir Methoden und Hilfsmittel aus verschiedenen Industrie zweigen. Die exakten, leichten und dennoch sehr steifen Strukturen lassen sich derzeit keinem existieren-den Industriezweig richtig zuordnen: Die traditio-nelle Bauindustrie ist nicht mit den erforder lichen Genauigkeiten vertraut, der Maschinenbau ist deutlich zu kostenintensiv und in der Auto-mobilindustrie sind die erforderlichen Bauteil-größen unüblich. Daher nutzen wir Lösungen und Verfahren aus allen drei Bereichen (Abb.6).

Stahlbau: Die filigranen Einzelbauteile der Stahl-struktur werden von verschiedenen Stahlbau-firmen angeliefert. Aus Gründen der Logistik und der Stückzahlen liefern teilweise mehrere Firmen die gleichen Bauteile. Aufgrund der Serienferti-gung und entsprechender Qualitätskontrollen ver-fügen diese Elemente zwar über geringe Ferti-gungstoleranzen im Millimeterbereich – wie im Stahlbau üblich – aber auch diese sind deutlich zu groß, um die erforderliche Genauigkeit des fertigen Kollektors und damit die notwendige optische Qua-lität zu erreichen.

Maschinenbau: Deshalb werden präzise Lehren verwendet, in denen die „ungenauen“ Einzelteile auf der Baustelle so gefügt werden, dass die wich-tigen Anschlusspunkte der Baugruppe hinreichend genau sind. Damit entsteht nach dem letzten Fügevorgang auf der größten Präzisionslehre (Abb. 7) eine Kollektorstruktur, die nur im Bereich von Zehntelmillimetern von der Sollgeometrie abweicht. Die Lehren verfügen über sehr exakte Auflagerpunkte, die gefräst bzw. geschliffen und mittels aufwändiger 3D-Messverfahren justiert werden. Entwurf, Bau und Einsatz dieser Lehren

24

und der zugehörigen Montagestraßen und Monta-gesequenzen (Abb.8) müssen deshalb mit geplant und entwickelt werden, um der gestellten Aufgabe gerecht zu werden.

Automobilbau: Die Montagestraße befindet sich in einer Montagehalle direkt neben dem Solarfeld. Die Halle wird von einer Seite mit den Bauteilen beschickt, die dann z. B. mit einem Hallenkran zu den einzelnen Montagestationen transportiert wer-den. Die Montagearbeiten auf den Lehren erfolgen noch von Hand, es werden jedoch spezielle serien-technisch ausgereifte Verbindungsmittel verwen-det. Der Fertigungsablauf beinhaltet auch Stationen zur Qualitätssicherung, z. B. mittels foto gram-metrischer Vermessung und einer Auswuchtstati-on zur Einstellung des korrekten Kollektorschwer-punktes. Jeder Kollektor hat eine Seriennummer, sodass jederzeit und für beliebige Kollektoren alle relevanten Daten aus der Fertigung und Vermes-sung eingesehen werden können. Schließlich wird der Kollektor mittels eines speziell gefederten Fahrzeugs ins Feld trans portiert.

Die bisher eher abstrakten Ausführungen sollen im Folgenden anhand ausgewählter Beispiele erläutert werden; zunächst aus dem Bereich der Parabolrinnen, dann für ein Dish/Stirling System.

corresponding assembly lines and assembly se-quences (Fig.8) have to be included in the planning and development process.

Automotive engineering: the assembly line is located in an assembly hall right next to the solar field. the hall is supplied with the structural com-ponents from one side, which are then transported to the individual assembly stations, for instance with an indoor crane. Although the assembly works on the jigs are still based on manual labour, special fasteners fully developed in terms of serial techno-logy are used. the manufacturing sequence also includes quality assurance stations, for instance by means of photogrammetric dimensioning and a balancing station for adjusting the center of grav-ity of the collector. every collector has a serial number, so that all relevant production and dimen-sioning can be accessed at any time for each col-lector. Finally, the collector is transported to the field in a specially cushioned vehicle.

In the following, the so far rather abstract state-ments are explained on the basis of selected ex-amples, first from the area of parabolic troughs and then for a Dish/Stirling system.

7 Montagelehre („Jig“) für die Montage der KollektorelementeAssembly jig for assembly of the collector elements

8 Fertigungsstraße für Parabolrin-nenkollektoren mit großen Montage-lehren („Jigs“) für die einzelnen MontageschritteAssembly line for parabolic trough collectors with large assembly jigs for the individual assembly steps

7 8

StruKtur StRuCtuRe 25

Beispiel parabolrinnenkollektor Techno-öko-nomische Untersuchungen (Kap.7) zeigen, dass die Steifigkeit einer Struktur wegen der Auswirkun-gen auf den optischen Wirkungsgrad den solaren Jahresertrag maßgeblich bestimmt, weshalb eine steifere Struktur in vielen Fällen trotz Mehrkosten ökonomisch sinnvoll sein kann. Deshalb sind die von uns geplanten effizienten Solarkollektoren meist durch große Bauhöhen und raumgreifende Tragwerksstrukturen gekennzeichnet, um so trotz geringen Materialeinsatzes die Verformungen durch Wind und Eigengewicht zu minimieren.

Als typisches Beispiel lässt sich diese Anforde-rung mittels zweier üblicher Parabolrinnen-Trag-werkstypen erläutern: Die sogenannte Torsionsbox des EuroTrough (Abb.9c) besteht aus vielen Ein-zelbauteilen, erreicht jedoch auf Grund der großen Bauhöhe und der auskragenden „Spiegeltragarme“ mit ebenfalls großer Bauhöhe eine sehr hohe Stei-figkeit in der relevanten Richtung und damit in allen Stellungen eine hohe thermische Leistung. Die ebenfalls üblichen Einfeld-Torsionsrohr-Solarkollek-toren verwenden ein kompaktes Tragrohr (Abb.9b) als „Rückgrat“ und sind generell einfacher zu fer-tigen und zu montieren. Sie erreichen aber auf-grund der geringeren Steifigkeit der Gesamtstruk-tur einen geringeren solaren Ertrag.

Um diesen Nachteil des als Einfeldträger aus-geführten Torsionsrohrkollektors zu reduzieren, wurde der HelioTrough (Abb.9a) als Durchlaufträ-ger entworfen, wodurch sich die Verformungen quer zur Rohrachse auf ein Fünftel verringern, was höhere Spannweiten ermöglicht. Zudem werden die auskragenden Spiegeltragarme beim Helio-Trough so an das Torsionsrohr angeschlossen, dass sie eine größere Bauhöhe erreichen, was aufgrund der mit der Bauhöhe kubisch zunehmenden Stei-figkeit zu einer deutlich gesteigerten Leistungsfä-higkeit beiträgt.

Eine ausgeklügelte Struktur ist weiter dadurch gekennzeichnet, dass sie sich einfach und kosten-effizient an die lokalen Lasten und Vorschriften und die von Standort zu Standort unterschiedlichen Fertigungsmöglichkeiten anpassen lässt: Bei den Fachwerksystemen des EuroTrough und Ultimate Trough® kann z. B. die Wandstärke der Profile ein-fach angepasst werden, ohne dass das Struktur-konzept geändert werden muss.

Am Beispiel eines Spiegeltragarms soll die Anpassung an die lokal günstigsten Fertigungs-möglichkeiten gezeigt werden: dasselbe Bauteil kann entweder von Hand geschweißt werden (Abb.10), was sich in einem Land mit niedrigen Lohnkosten anbietet, oder von einem Roboter (Abb.11). Letzteres ist die sinnvolle Variante für hoch industrialisierte Länder.

Example of the parabolic trough collectortechno-economic studies (chapter 7) show that the stiffness of a structure has major influence on the annual solar energy performance due to its im-pact on optical efficiency. For this reason, a stiffer structure can often make economically sense de-spite the associated additional costs. therefore, the efficient collectors designed by us are mostly characterised by large construction heigths and voluminous supporting structures in order to mini-mise the deformations caused by wind and dead load, all this with low material usage.

As a typical example, this requirement can be explained by means of two customary parabolic trough supporting structure types: the so-called torsion box of the eurotrough (Fig.9c) consists of many individual component parts, but reaches a very high stiffness in the relevant direction and hence high thermal performance in all positions due to the large cross-section depth and the ‘mirror support cantilever arms’, which also have a large cross-section. the likewise customary single-span torque tube solar collectors use a compact sup-porting tube (Fig.9b) as a ‘spine’ and can generally be manufactured and assembled more simply, but achieve a lower solar performance due to the lower stiffness of the overall structure.

to reduce this disadvantage of the torque tube collector designed as a single-span system, the Heliotrough (Fig.9a) has been designed as a con-tinuous beam, whereby deformations across the torque tube axis are reduced to one fifth and great-er span widths are rendered possible. In addition, the mirror support cantilever arms of the Helio-trough are connected to the torque tube in such a way that they reach a larger cross-section depth, which likewise contributes to a significantly in-creased productivity due to the fact that stiffness rises in cubic terms along with the cross-section depth.

Moreover, a sophisticated structure is also char-acterised by its adjustability to loads and regula-tions and to specific manufacturing possibilities of different locations in a simple and cost-efficient way: In the latticed framework systems of the eu-rotrough and ultimate trough® for instance, the wall thickness of the profiles can be adjusted in a simple manner without having to change the struc-tural concept.

In the example of a mirror support cantilever arm, adjustment of different locations to the locally most cost-effective manufacturing possibilities should be made: the same component part can either be welded manually (Fig.10), which is rec-ommended in a country with low wages, or by means of a robot (Fig.11). the latter makes sense in highly industrialised countries.

26

9 Haupttragwerke von Parabol-rinnenkollektoren: Main bearing structures of parabolic trough collectors: a Torsionsrohr als Durchlaufträger torque tube as a continuous beamb Torsionsrohr als Einfeldträger (SENER Trough) torque tube as a single-span beam (SeneR trough)c torsionsbox | torque box

9a

9c

9b

StruKtur StRuCtuRe 27

Beispiel Dish/Stirling System Parabolrinnen-kraftwerke bestehen aus Tausenden von Kollek tor-elementen an einem Standort. Dish/Stirling Syste-me und PV-Anlagen sind auch für den dezentralen Einsatz geeignet, bei dem nur eine oder wenige Anlagen an einem Standort errichtet werden. In diesem Fall ist es unwirtschaftlich, aufwändige Fertigungslehren vor Ort zu installieren. Die Mon-tage muss möglichst ohne solche Hilfsmittel aus-kommen, lediglich leicht transportable Vorrichtun-gen können eingesetzt werden.

Die erforderliche Strukturgenauigkeit muss je-doch trotzdem erreicht werden, in diesem Fall über die hochpräzise Fertigung der Komponenten, die dann zur Gesamtstruktur gefügt werden. Diese Vorgehensweise ist im Automobilbau üblich und wurde bei einer Anlage realisiert, die wir zusam-men mit einem Automobilzulieferer für das Unter-nehmen Infinia Corporation entwickelt haben: Die Struktur des in Abb.12 dargestellten Solarkonzen-trators besteht aus hochpräzisen tiefgezogenen Stahlblechteilen, die vor Ort endmontiert werden.

Aus den umrissenen Anforderungen an die Struktur von Solarkonzentratoren wird deutlich, dass eine effiziente und wirtschaftliche Lösung nur gefunden werden kann, wenn mit geeigneten Werkzeugen und Methoden gearbeitet wird, Erfah-rung und Kreativität eingebracht und die individu-ellen Randbedingungen jedes Projekts vom Kon-zept an berücksichtigt werden.

Example of the Dish/Stirling systemParabolic trough power stations consist of thou-sands of collector elements at one location. Dish/Stirling systems or PV stations are also suitable for decentralised use, where only one or a few facili-ties are set up at a particular location. In this event, it is not economical to install costly production jigs on site. the assembly has to be managed without such auxiliary means, where possible, and only easily transportable devices should be used.

nevertheless, the necessary precision of the structure has to be achieved, in this case through the highly precise production of the components, which are then joined to form the overall structure. this approach is common in automotive engineer-ing and was realised in a system developed by us together with an automotive supplier for Infinia Corp.: the structure of the solar concentrator dis-played in Fig.12 consists of highly precise deep-drawn steel sheet parts, which are finally assem-bled on site.

the outlined requirements of the structure of solar concentrators make it clear that an efficient and economically advantageous solution can only be found if suitable tools and methods are applied, experience and creativity are put to work and the specific framework conditions of each individual project are taken into consideration from the con-ceptual stage on.

10 Manuelles Schweißen von Spiegeltragarmen auf einer Lehre in IndienManual welding of mirror support cantilever arms using a jig in India

11 Fertigung von Spiegeltragarmen mittels Schweißroboter in Spanien Production of mirror support cantilever arms by means of a welding robot in Spain

12 Solarkonzentratorstruktur aus Stanzteilen: Automobilbau trifft SolartechnikSolar concentrator structure on the basis of stamped parts: automotive engineering meets solar technology a Gesamtansicht | overall viewb Detail der Nabe | hub detail

10 11

12a 12b

28

5 Optik optics

Solarkonzentratoren sind optische Systeme, daher sind für ihre Entwicklung fundierte Optik-Kenntnis-se erforderlich. Die detaillierte Berechnung der optischen Eigenschaften und ihre Optimierung im Zusammenspiel mit den mechanischen Eigen-schaften des Konzentrators ist wesentlicher Be-standteil einer erfolgreichen Entwicklungsarbeit.

Die Sonne Sonnenlicht setzt sich aus verschie-denen Wellenlängen zusammen: von Ultraviolett über das sichtbare Licht bis in den Infrarot-Bereich (Abb.1). Bevor es auf die Erdoberfläche bzw. auf einen Solarkonzentrator trifft, durchläuft das Son-nenlicht die Erdatmosphäre. Dabei wird es abge-schwächt – je nach Wellenlänge unterschiedlich stark. Zusätzlich wird durch Streuung in der Atmo-sphäre ein Teil der direkten (gerichteten) Strahlung zu diffuser (ungerichteter) Strahlung. Kennzeichen der Direktstrahlung ist, dass sie Schatten erzeugen kann, was bei diffuser Strahlung nicht geschieht. Verdecken Wolken die Sonne, trifft nur noch diffuse Strahlung auf die Erdoberfläche.

Konzentrierende Systeme können nur direktes Licht nutzen, im Gegensatz zu Flachkollektoren für die Wassererwärmung oder bei der Stromerzeu-gung mittels (nicht konzentrierender) Photovoltaik, die direktes wie auch diffuses Licht umwandelt. Die Umwandlung von Strahlungs- in Wärmeener-gie erfolgt über das gesamte Sonnenspektrum, wohingegen bei photovoltaischen Systemen nur ein Teil des Solarspektrums genutzt werden kann (Abb.2).

Die Streuung der Sonnenstrahlung beim Durch-dringen durch die Atmosphäre führt zusätzlich zu einer Verbreiterung des scheinbaren Sonnendurch-

Since solar concentrators are optical systems, pro-found knowledge of optics is required for their development. In combination with the mechanical properties of the concentrator, detailed calculation of the optical properties and their optimisation represents an integral part of any successful de-velopment process.

The sun Sunlight is composed of several wave-lengths from ultraviolet through visible to infrared light (Fig.1). Before it hits the surface of the earth or a solar concentrator, the sunlight traverses the atmosphere. In this process, it is attenuated to an extent that varies depending on the wavelength. In addition, diffusion in the atmosphere turns part of the direct (directional) radiation into diffuse (non-directional) radiation. Direct radiation is character-ised by its ability to create shadow, which does not occur in the case of diffuse radiation. Where clouds obscure the sun, only diffuse radiation hits the surface of the earth.

Concentrating systems can only use direct light—in contrast for example to flat collectors for hot water generation or to electric power genera-tion by means of (non-concentrating) photovoltaic systems, which transform both direct and diffuse light. the transformation of radiation energy into thermal energy takes place via the entire solar spectrum, whereas photovoltaic systems can only partially use the solar spectrum (Fig.2).

Diffusion of the solar radiation when it travers-es the atmosphere also leads to broadening of the apparent solar diameter, the so-called ‘sunshape’ (Fig.3). When the sky is clear, the edge of the solar disc is sharp and has an aperture angle of approx.

OptIK oPtICS 29

messers, der sogenannten „Sunshape“ (Abb.3). Bei klarem Himmel ist der Rand der Sonnenschei-be scharf und hat von der Erde aus betrachtet einen Öffnungswinkel von ca. 9,5 mrad (0,54°), bei diesi-gem Himmel dagegen strahlt auch die Umgebung der Sonne und sie erscheint von der Erde aus be-trachtet größer. Je größer die scheinbare Sonnen-scheibe ist, desto mehr wird die Konzentration der Solarstrahlung beeinträchtigt, denn auch der Brennfleck vergrößert sich entsprechend und ggfs. trifft nicht mehr die gesamte reflektierte Strahlung auf den Strahlungsempfänger (engl. Receiver).

Die solare Bestrahlungsstärke auf der Erde er-reicht bei klarem Himmel und hoch stehender Sonne etwa Werte um 1000 W je m², was z. B. zur Warmwassererzeugung bis zu Temperaturen von 80 bis 150 °C ausreicht. Für die Erzeugung von hö-heren Temperaturen, wie sie für die solarthermi-sche Stromerzeugung oder Prozesswärmeerzeu-gung erforderlich sind, muss die Strahlung aber konzentriert werden.

1 Spektrum des SonnenlichtsSolar spectrum

2 Spektrale Nutzung des Sonnenlichts bei PhotovoltaikSpectral use of the sunlight in photovoltaic systems a Siliziumzelle | Silicon cell b Dreifachzelle | triple junction cell

9.5 mrad (0.54°) when observed from the earth. In case of cloudy sky, however, the surroundings of the sun also produce radiation, so that the sun appears to be larger when observed from the earth. the larger the apparent sun disc, the poorer is the concentration of solar radiation since the focal spot also enlarges correspondingly and the entire re-flected radiation may no longer hit the radiation receiver.

When the sun is high and the sky is clear, the solar irradiation on the surface of the earth reaches values of around 1,000 W/m², which suffices for instance for hot water generation at temperatures from 80 up to 150 °C. However, to produce higher temperatures as required for solar thermal power generation or process heat generation, the radia-tion needs to be concentrated.

1

2a 2b

Spe

ktra

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Wellenlänge | Wavelength [nm] Wellenlänge | Wavelength [nm]

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0.50

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50p

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01a

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500 1000 1500 2000 2500

1600

1400

1200

1000

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600

400

200

0

Si

Verluste durch Thermalisierung thermalisation losses

500 1000 1500 2000 2500

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

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Verluste durch Transmission transmission losses

Bandkante Band edge

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²µm

)]

Wellenlänge | Wavelength [nm]

250 500 750 1500 1750 2000 2250

2500

2000

1500

1000

500

01000 1250

Idealer schwarzer Körper (Temperatur 5900 K) Ideal black body (temperature 5900 K)

Extraterrestrische Sonnenstrahlung (Luftmasse AM0) extraterrestrial solar radiation (airmass AM0)

Terrestrische Sonnenstrahlung (Luftmasse AM1,5) terrestrial solar radiation (airmass AM1.5)

Sichtbarer Bereichvisible lightuv Ir

30

Solarkonzentratoren Die meisten Konzentratoren sind als Spiegelsysteme ausgeführt (reflektierende Systeme). Daneben kann Sonnenlicht aber auch mit Linsen gesammelt und gebündelt werden (brechen-de Systeme). Diese werden häufig bei konzentrie-render Photovoltaik als Fresnellinsen ausgeführt.

Dem Reflexionsgesetz zufolge werden Licht-strahlen an einer Spiegelfläche mit demselben Winkel zurückgeworfen (reflektiert), mit dem sie auf diese treffen (Einfallswinkel gleich Ausfallswin-kel, Abb.4). Dies macht man sich bei Solarkonzen-tratoren zunutze, indem die Spiegeloberfläche in der Regel parabolisch gekrümmt wird, denn dann werden parallel einfallende Strahlen in genau einem Punkt gesammelt (konzentriert), dem soge-nannten Brennpunkt oder Fokus.

Reflexion ist immer verlustbehaftet: Die eigent-lichen Reflexionsverluste entstehen an der spie-gelnden Fläche selbst durch Absorption des ver-wendeten Spiegelmaterials. Bei den meist einge - setzten, rückseitig versilberten Glasspiegeln wird zudem noch ein Teil der Strahlung vom Glas absor-biert auf dem Weg von der Vorderseite zur verspie-gelten Rückseite und zurück. Je nach Glasdicke und -art erreicht der effektive Reflexionsgrad Werte bis zu 90 oder 95%.

Weitere optische Verluste entstehen, wenn die reflektierende Oberfläche nicht perfekt ist.Hier wird unterschieden zwischen mikroskopischen Rauig-keiten, die zu einer Streuung (Aufweitung) des re-flektierten Lichts führen (vor allem bei verspiegelten Kunststofffolien und Aluminiumspiegeln), und ma-kroskopischen Fehlern wie Welligkeiten und Kon-turfehler der Spiegel, die eine nicht korrekte Ablen-kung der einfallenden Strahlen bewirken (Abb.5).

Solar concentrators Most concentrators are designed as mirror or reflecting systems. In addi-tion, sunlight can also be collected and concen-trated by means of lenses (refracting systems); in the case of concentrating photovoltaic systems, these lenses are often designed as Fresnel lenses. According to the law of reflection, light rays are reflected from a mirror surface at the same angle, at which they hit this surface (angle of incidence identical with the angle of reflection, Fig.4). In the event of solar concentrators, one makes use of this by using a parabolically curved mirror surface, which collects (concentrates) incoming parallel sunrays in precisely one point, the so-called focal point.

Reflection is always associated with losses: they occur at the reflecting surface itself through absorption in the reflector material. In case of the most commonly used glass mirrors with silver plate on the rear side, part of the radiation is also absorbed by the glass on its way from the front side to the reflective coating on the rear side and back. Depending on the thickness and type of glass, the degree of reflection reaches values of up to 90 – 95%.

Further optical losses occur if the reflecting surface is not perfect. Here, a distinction is made between microscopic surface roughness, which leads to a diffusion (broadening) of the reflected light (especially in case of plastic foils with a reflec-tive coating and aluminium mirrors), and macro-scopic faults like ripples and contour distortions of the mirrors, which cause incorrect deflection of the incoming solar radiation (Fig. 5).

3 Sunshape: Helligkeit über dem Radius der Sonnenscheibe bei klarem und bei diesigem Himmel Sunshape: Brightness over the radius of the solar disc in clear and for misty sky

4 Reflexionsgesetz law of reflection

3 4

Transmittierter Strahltransmitted beam

Reflektierter StrahlReflected beam

Einfallender StrahlIncident beam

Klarer Himmel | Clear sky Diesiger Himmel | Misty sky

Rel

ativ

e In

tens

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Rel

ativ

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[-]

Radius [mrad]

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 5 10 15

OptIK oPtICS 31

Eine weitere wichtige Größe bei Solarkonzentra-toren ist der „Interceptfaktor“ genannte Anteil der reflektierten Strahlen, der auf den Receiver trifft. Im Idealfall beträgt er 100%. Mit dem Interceptfak-tor werden auch weitere Verluste berücksichtigt, die infolge von Verschattung der Spiegel durch Bauteile und Blockierung der reflektierten Strahlen entstehen. Auch die Sunshape (s. o.) wirkt sich auf den Interceptfaktor aus. Die Receiverabmessun-gen haben ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf den Interceptfaktor; je größer der Receiver, desto mehr Strahlen treffen auf diesen auf. Da aber grö-ßere Receiver die thermischen Verluste erhöhen, muss ein ausgewogener Kompromiss gefunden werden. In der Praxis werden Interceptfaktoren von 80 bis 99 % erreicht.

Bauarten von Solarkonzentratoren Solarkon-zentratoren werden meistens mit ein- oder zwei-achsig gekrümmten Spiegeln ausgeführt.

Einachsige Systeme: Bei der am häufigsten ange-wandten Bauart werden einachsig parabolisch ge-bogene Spiegel verwendet, die die einfallende Solarstrahlung in einer Brennlinie bündeln, in der das Absorberrohr verläuft (sog. Parabolrinnenkon-zentratoren, Abb. 6a). Diese Kollektoren werden durch Rotation um ihre Längsachse dem täglichen Gang der Sonne nachgeführt. Typische Konzentra-tionsfaktoren (definiert als Verhältnis von Absorber-rohrdurchmesser zu Aperturbreite des Konzentra-tors) liegen bei 60 bis 80, ausreichend für Nutz- temperaturen von 400 bis über 500 °C.

Eine Abwandlung dieser Bauart sind die soge-nannten linearen Fresnel-Kollektoren. Bei ihnen wird der durchgehende parabelförmige Reflektor in einzelne Längsstreifen aufgeteilt und diese in einer Ebene montiert. Anders als die Parabolrinnen, bei denen der ganze Reflektor zusammen mit dem Absorber der Sonne nachgeführt wird, erfolgt hier nur die Drehung der einzelnen Streifen bei festste-hendem Absorber.

Zweiachsige Systeme: Zweiachsig gekrümmte Konzentratoren, auch als Dish bezeichnet, haben meist eine rotationssymmetrische, parabolische Krümmung und sammeln die Strahlung in einem Brennpunkt (Abb.7). Dadurch wird ein wesentlich höherer Konzentrationsgrad erreicht; er kann 2000 bis 4000 erreichen und ermöglicht Nutztemperatu-ren von 800 bis 1500 °C, ohne Abfuhr von Nutzwär-me bis zu 3000 °C und darüber.

Die höchste Strahlungskonzentration wird er-reicht, wenn der Brennpunkt nah am Reflektor liegt. Hierfür wird das Verhältnis aus Brennweite f (Ab-stand zwischen Brennpunkt und Scheitelpunkt der Parabel) und Konzentratordurchmesser D als Kenn-größe verwendet, übliche Werte liegen zwischen 0,5 und 1.

Another important parameter of solar concentra-tors is the fraction of reflected rays that hit the receiver, the so-called ‘intercept factor’. In the ideal case, this factor is 100%. Via the intercept factor, further losses caused by shadowing of the mirrors through component parts and by blockage of the reflected rays are also taken into considera-tion. the sunshape (see above) also has an impact on the intercept factor. the receiver dimensions likewise have significant influence on the intercept factor; the larger the receiver, the more rays hit the receiver. Since larger receivers increase the ther-mal losses, however, a well-balanced compromise needs to be found. In practice, intercept factors ranging from 80 to 99% are achieved.

Construction types of solar concentratorsSolar concentrators are mostly designed with uni-axially or biaxially curved mirrors.

uniaxial systems: the most common construction type uses uniaxially curved parabolic mirrors con-centrating the incoming solar radiation in a focal line, along which the absorber tube is located (so-called parabolic trough concentrators, Fig. 6a). these collectors are caused to track the daily course of the sun through rotation around their lon-gitudinal axis. the typical concentration factors (defined as the ratio between the absorber tube diameter and the aperture width of the concentra-tor) are 60 to 80, which is sufficient for operating temperatures from 400 to more than 500 °C.

A variation of this construction type is the so-called linear Fresnel collector. the continuous parabolically-shaped reflector of this collector type is divided into longitudinal strips, which are mount-ed at one level. In contrast to the parabolic troughs, where the entire reflector is designed to track the sun together with the absorber, here only the indi-vidual strips rotate with the absorber’s position being fixed.

Biaxial systems: Biaxially curved concentrators, also referred to as dishes, generally have a rota-tionally symmetric parabolic shape and collect the radiation at a focal point (Fig.7). this way a significantly higher degree of concentration is achieved; the latter can reach 2,000 to 4,000 and renders possible useful temperatures of 800 to 1,500 °C; without heat removal, these tempera-tures can rise up to and above 3,000 °C.

the highest concentration of the radiation is achieved if the focal point lies close to the reflector. For this purpose, the proportion between the focal length f (distance between the focal point and the parabola’s vertex) and the concentrator diameter D is used as a parameter, with usual values being between 0.5 and 1.

32

5a

6a

7

6b

5b

KonzentratorConcentrator

SonnenstrahlungSolar radiation

GeneratorGenerator

StirlingmotorStirling engine

ReceiverReceiver

AntriebssystemDrive system

HohlraumreceiverCavity receiver

Direkte Solarstrahlung Direct solar radiation

Glashüllrohr tube enclosed in glass

Absorberrohr Heat collecting element

Parabolrinnen-Konzentrator Parabolic concentrator

Nachführungtracking

SonnenstrahlungSolar radiation

SekundärreflektorSecondary reflector

AbsorberrohrAbsorber tube

ReflektorReflector

Wärmetauscher des Stirlingmotors Heat exchanger of the Stirling engine

Bei Turm-Solarkraftwerken (engl. Central Receiver System oder Power Tower) hingegen konzentrie-ren viele einzeln der Sonne nachgeführte Spiegel, sogenannte Heliostaten, das Sonnenlicht auf einen zentralen, auf einem Turm angebrachten Receiver (Wärmetauscher, Abb.8). Die Heliostaten verwen-den leicht parabolisch gekrümmte Spiegel, jedoch mit großer Brennweite von meist vielen 100 m, so dass auch das f/D-Verhältnis groß wird. Damit ist der Konzentrationsgrad eines einzelnen Heliostaten nur noch gering; erst durch die Überlagerung der Brennflecke vieler Heliostaten auf dem Receiver ergeben sich wieder ein hoher Konzentrationsfak-tor und damit hohe erzielbare Nutztemperaturen.

Sekundärkonzentratoren: In einigen Anwendun-gen, vor allem wenn die optische Qualität des Kon-zentrators nicht ausreicht oder wenn extrem hohe Konzentration der Sonnenstrahlen gefordert ist, wird zusätzlich zum „Primärkonzentrator“ ein zwei-ter Spiegel eingesetzt, der sog. Sekundärkonzent-rator (Abb. 9). Dieser befindet sich nahe dem Brennpunkt und konzentriert die bereits vom Pri-märkonzentrator verdichteten Strahlen weiter. Dem Gewinn durch die höhere Konzentration ste-hen allerdings höhere Verluste durch mehrfache Reflexion und der Aufwand für den zusätzlichen Reflektor gegenüber, der zudem eine hohe Strah-lungsflussdichte ertragen muss.

Sekundärkonzentratoren werden oft bei linea-ren Fresnelkollektoren verwendet.

In central receiver systems also known as power towers, however, many mirrors called heliostats track the sun and concentrate the sunlight onto a central receiver installed on a tower (heat exchang-er, Fig.8). the heliostats use mirrors with a slight-ly parabolic shape and a consequently large focal distance of several hundred meters in general, such that the f/D ratio also becomes large. As a result the degree of concentration of an individual heliostat is reduced to a low level; only through superimposition of the focal spots of many helio-stats on the receiver can high concentration factor and hence high achievable useful temperatures result.

Secondary concentrators: In a number of applica-tions, especially when the optical quality of the concentrator is insufficient or extremely high con-centration is required, a second mirror is installed in addition to the ‘primary concentrator’ (Fig. 9). this secondary concentrator is located close to the focal point and further concentrates the rays al-ready condensed by the primary concentrator. However, the benefits resulting from higher con-centration come along with higher losses through multiple reflections and the expenditure related to the additional reflector, which also has to endure a high radiation flux density.

Secondary concentrators are often used for linear Fresnel collectors.

OptIK oPtICS 33

5 Oberflächenfehler: Surface errors: a Konturfehler [mm] Contour errors [mm]b Neigungsfehler [mrad] einer Konzen tratorfacette (grün = perfekt, rot = Ablenkung in die eine Richtung, blau = Ablenkung in die andere Richtung)Slope errors [mrad] (green: perfect, red: deflection in one direction, blue: deflection in the other direction)

6a Prinzip des Parabolrinnen-kollektorsPrinciple of the parabolic trough collector 6b Prinzip des linearen Fresnel-kollektorsPrinciple of the linear Fresnel collector

7 Prinzip Dish Konzentrator Principle of the dish concentrator

8 Prinzip des Turm-Solarkraftwerks Principle of the central receiver system

9 Prinzip eines Sekundär-konzentratorsPrinciple of the secondary concentrator

8 9

Direkte SolarstrahlungDirect solar radiation

HeliostatenfeldHeliostat field

HeliostatenfeldHeliostat field

Turmtower

Direkte SolarstrahlungDirect solar radiation

ReceiverReceiver

Konzentrierte SolarstrahlungConcentrated solar radiation

SekundärkonzentratorSecondary concentrator

WärmedämmungInsulation

AbsorberrohrAbsorber tube

Direkte SolarstrahlungDirect solar radiation

34

10 Formabweichungen der Spiegel-oberfläche durch verschiedene Fehler quellen und Auswirkung auf die Strahlungsverteilung auf dem Absorber Contour deviations of mirror surface due to several error sources and effect on radiation distribution on the absorber

11 Strahlungsverteilung in der Receiverebene eines Dish Konzen-tratorsFlux density distribution at the receiver plane of a dish concentrator

Ideale unverformte Struktur (links) und resultierende Flussdichteverteilung (mittlere und rechte Spalte) Ideal undeformed structure and resulting flux density destribution (middle and right column)

Fehler infolge Verformungen durch Eigengewicht und Winderror due to deformations caused by the proper weight and wind

Fehler durch wellige Spiegeloberfläche error caused by an undulated mirror surface

Fehler durch imperfekte Ausrichtung der Facettenerror caused by imperfect orientation of the facets

Fehler durch verschobenen Receivererror caused by a displaced receiver

Überlagerung aller FehlerSuperimposition of all errors10

OptIK oPtICS 35

Optische Simulation und OptimierungDie komplexen Zusammenhänge all dieser Faktoren, die letztlich die optische Leistungsfähigkeit des Systems bestimmen, erfordern zur realistischen Vorhersage und Kontrolle eine umfassende Simu-lation. Dazu gehören neben der genauen Abbildung der einfallenden Solarstrahlung und der Konzent-ratorgeometrie die optischen Eigenschaften der Spiegelelemente und insbesondere deren Fehler. Die Optiksimulation liefert als Ergebnis den Inter-ceptfaktor und die zu erwartende Strahlungsfluss-dichteverteilung auf der Oberfläche eines beliebig geformten Receivers. Diese dient als Eingangsgrö-ße für die thermodynamische Auslegung des Re-ceivers.

Abhängig von den Eigenschaften des Receivers ist in manchen Fällen zudem eine bestimmte Ver-teilung der Strahlung erforderlich. Diese kann durch Änderung der Reflektorkontur gesteuert werden, sodass die angestrebte Verteilung mit teils manu-ellen, teils automatisierten Optimierungsverfahren angenähert werden kann. Daraus entsteht die fina-le, von der Parabelform abweichende Sollkontur des Spiegels, die dann die Vorgabe für den Spie-gelhersteller ist.

Zusätzlich erschwert wird der Prozess dadurch, dass die Oberfläche eines realen, auf einer Trag-struktur montierten Spiegels nicht exakt dieser Sollkontur folgt. Um hierdurch bedingte Einflüsse auf die Strahlung auf dem Receiver zu erfassen, sind die Imperfektionen des Konzentrators mög-lichst genau zu ermitteln und in die Simulation mit einzubeziehen. Deshalb wird die Geometrie der Spiegeloberfläche vom Strukturberechnungspro-gramm FEM für die Optiksimulation verwendet.

Wesentlicher Faktor dieser Berechnung sind die Verformungen der Struktur und der Spiegel durch Eigengewicht und Windkräfte. Beide hängen von der Ausrichtung des Konzentrators ab, die Verfor-mung durch Wind auch von Windrichtung und -ge-schwindigkeit. Es wird meist eine Reihe von Last-fällen untersucht. Die Resultate gehen zusammen mit den Ergebnissen der statischen Berechnung in die Optimierung der Struktur ein. Das Ziel ist die maximale optische Qualität und Leistungsfähigkeit bei geringstmöglichem Materialeinsatz bzw. mini-malen Kosten. Nur durch eine umfassende Analyse des Gesamtsystems ist es möglich, diesem Ziel nahe zu kommen (Kap.7).

Die Auswirkungen der genannten Fehler wer-den in Abb.10 und Abb.11 veranschaulicht. Dabei ist jeweils links die Oberfläche des Konzentrators dargestellt, mittig und rechts die resultierende Strahlungsflussdichteverteilung.

Optical simulation and optimisationthe complex interrelations between all these fac-tors which ultimately determine the system’s opti-cal efficiency require comprehensive simulation for realistic forecasting and control. Besides pre-cise reproduction of the incoming solar radiation and the concentrator geometry, these simulations also take into account the optical properties of the mirror elements and especially their errors. the optical simulation outputs the intercept factor and the anticipated radiation flux density distribution on the surface of a receiver of any shape, which then serves as an input parameter for the thermo-dynamic design of the receiver.

Depending on the properties of the receiver, a certain flux distribution of the radiation is further required in some cases. this can be controlled through modification of the reflector contour, such that the intended distribution can be approached through semiautomated optimisation procedures. this leads to the final target contour of the mirror, which deviates from the parabolic form and serves as a construction specification for the mirror manufacturer.

the process is further made difficult by the fact that the surface of a real mirror mounted on a sup-porting structure does not exactly match the target contour. to determine their influence on the radia-tion at the receiver, the imperfections of the con-centrator need to be considered as accurately as possible and integrated into the simulation. In this context, the geometry of the mirror surface found using structural analysis software (FeA) is inte-grated into the optical simulation.

essential factors of this calculation are defor-mations of the structure and the mirrors that result from the dead weight and the wind forces. Both depend on the orientation of the concentrator, whereas the latter also depends on wind direction and speed. For this reason, a number of load cases are usually examined. together with the results of the static analysis, corresponding results are used for the optimisation of the structure with the objec-tive of maximum optical quality and efficiency, as well as minimal costs and material usage. only through a comprehensive analysis of the overall system is it possible to come close to these goals (chapter 7).

the impacts of the aforementioned defects are illustrated in Fig.10 and Fig.11. In each case, the surface of the concentrator is shown on the left, and the resulting radiation flux density distribution in the centre and on the right.

11

36

6 Antriebe Drive Mechanisms

1a

DIE AnTrIEbE tHe ACtuAtoRS/DRIVe MeCHAnISMS 37

Alle Solarkonzentratoren müssen mit beweglichen Elementen ausgestattet werden, um dem tägli-chen und jahreszeitlichen Verlauf der Sonne folgen zu können. Bei den meisten Systemen werden hierzu komplette Spiegel oder einzelne Reflektoren so gedreht, dass die von ihnen reflektierten und konzentrierten Sonnenstrahlen stets direkt auf den Wärmetauscher (Receiver) treffen.

Im Falle der Parabolrinnenkollektoren, und all-gemein bei linienfokussierenden Systemen, erfolgt diese Nachführung in der Regel durch die Drehung um eine horizontale Achse (Abb.1a). Bei Dish-Konzentratoren und den Heliostaten von Turm-Solarkraftwerken, also bei punktfokussierenden Systemen, ist eine zweiachsige Nachführung er-forderlich (Abb.1b). In den meisten Fällen sind dies die vertikale (Azimut-)Achse und die horizontale (Elevations-)Achse. Es gibt jedoch auch andere Achsenanordnungen, eine davon ist die polare Montierung, bei der eine Achse parallel zur Erdach-se liegt (Bewegung im Tagesverlauf), die andere senkrecht dazu (jahreszeitliche Nachführung).

Wichtigste Ausgangsgröße für die Entwicklung einer geeigneten Kinematik ist der Verlauf der Sonne. Aufgetragen in einem Diagramm (Abb.2) ergeben sich je nach Breitengrad, auf dem die Anlage aufgestellt wird, unterschiedliche Bilder. Daraus werden die erforderlichen Drehwinkel und Winkelgeschwindigkeiten für die gewählten Antriebs achsen ermittelt.

All solar concentrators have to be equipped with drive elements in order to follow the daily and sea-sonal course of the sun. In most systems, entire mirrors or individual reflectors are rotated in a way that the sunrays reflected and concentrated by them directly hit the heat-exchanging device (re-ceiver).

In case of the parabolic trough collectors and generally in the event of line-focus systems, sun tracking is achieved through rotation about a hori-zontal axis (Fig.1a). Dish concentrators and helio-stats of central receiver systems, i.e. point focus-sing systems, require a two-axis tracking system (Fig.1b). In most cases, this is the vertical or azi-muth axis and the horizontal or elevation axis; how-ever, there are also other axis configurations such as polar mounting, where one axes runs parallel to the axis of the earth (tracking over the course of the day) and the other one runs perpendicular to the first one (seasonal tracking).

the most important starting point for the devel-opment of suitable kinematics is the (apparent) course of the sun. the depiction of this course in a diagram (Fig. 2) leads to different daily courses depending on the degree of latitude where the facility is set up. on this basis, the necessary rota-tion angles and angular velocities are calculated for the selected drive axis.

1b

1a Einachsige Drehung von Solarkonzentratorenuniaxial rotation of solar concentrators 1b Zweiachsige Drehung von Solarkonzentratoren Biaxial rotation of solar concentrators

Azimuth

Elevation

38

Aufgrund der sehr unterschiedlichen Anforderun-gen in den einzelnen Projekten – es müssen Flä-chen von 10 m² bis über 1600 m² um die jeweils gewählten Drehachsen bewegt werden – haben wir eine Reihe von Lösungen für die Antriebstech-nik entwickelt.

antriebskonzepte und anforderungen Im Nachführbetrieb, also der Sonne folgend, werden die Konzentratoren sehr langsam gedreht. Dabei ist eine hohe Genauigkeit gefordert, um die konzent-rierte Solarstrahlung im Tagesverlauf hinreichend genau auf dem Receiver zu halten und aus Nach-führfehlern resultierende Verluste zu minimieren. Typischerweise werden für solarthermische Konzen-tratoren Abweichungen von nicht mehr als 0,1° zugelassen. Dies sind deutlich schärfere Anforde-rungen als bei Photovoltaikanlagen üblich. An hoch-konzentrierende Photovoltaiksysteme werden wie-derum vergleichbar hohe Anforderungen gestellt.

Für schnelles Positionieren bei Windalarm und Betriebsstörungen sowie bei Betriebsbeginn und -ende werden die Antriebe mit einem Schnellgang

2 Verlauf der Sonnenbahn Course of the sun

3 Dish-Konzentratoren in Feld aufstellung im WindkanalDish concentrators in field installation in the wind tunnel

4 Antrieb mit Elektromotor (schwarz, oben), Getriebe (blaugrau) und KetteDrive on the basis of an electric motor (black, above), a gear unit (bluegrey) and a chain

5 Ventilblock eines hydraulischen AntriebsValve block of a hydraulic drive

6 Rad/Schiene Fahreinheit eines großen Solarkonzentrators Wheel/track of the driving unit of a large solar concentrator

Due to the very different requirements of the indi-vidual projects—with surfaces ranging from 10 m² to over 1,600 m² to be moved around the selected rotating axes—we have developed an entire series of drive solutions.

Drive concepts and requirementsIn tracking mode, that is, when following the course of the sun, the concentrators are rotated very slowly. In this context, a high level of accuracy is required to ensure that the concentrated solar ra-diation stays directed at the receiver with sufficient precision to minimise the losses that result from tracking deficiencies. typically, tracking deviations of up to 0.1° are admitted for solar thermal concen-trators. this is a significantly stricter requirement than those posed for usual trackers of photovoltaic plants; however, high concentration photovoltaic systems are subject to similarly strict requirements.

For quick positioning in case of a wind alarm or operational disorder, as well as at the beginning and end of operation, the drives are equipped with a fast gear. this serves to bring the concentrator

3

21.12.

21.1.

21.2.

21.3.

21.4.

21.5.

21.6.

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00 12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00 0

10

20

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50

60

70

80

60 90 120 150 180 210 240 270 300

Azimutwinkel | Azimuth angle [°]

Ele

vatio

nsw

inke

l | E

leva

tion

angl

e [°

]

2

ausgestattet. Damit wird der Konzentrator inner-halb von wenigen Minuten (hundertmal schneller) in die gewünschte Stellung gebracht. Zudem sollte immer mindestens ein Achsantrieb seine Energie aus einer Notstromversorgung, einer Batterie oder einem hydraulischen Energiespeicher beziehen können, damit die Anlage stets sicher außer Be-trieb genommen und eine windsichere Stellung angefahren werden kann.

Als Lasten für den Antrieb der Konzentratoren sind vor allem Windkräfte anzunehmen, bei nicht ausbalancierter Lagerung auch Belastungen aus dem Eigengewicht der Konstruktion. Beim Über-schreiten der zulässigen Betriebs-Windgeschwin-digkeit wird ein Windalarm ausgelöst und der Kon-zentrator in eine günstige Stellung gefahren, in der auch höchste Windlasten ertragen werden können. In vielen Fällen werden Windkanalversuche (Abb. 3) durchgeführt, um die Belastungen mit hoher Ge-nauigkeit zu ermitteln und durch intelligente Modi-fikationen am System zu reduzieren, um so eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Dimensionierung der Antriebe und der Struktur zu erreichen.

in the desired position within only a few minutes at more than 100 times the regular tracking speed. In addition, at least one axis drive should draw its energy from an emergency supply system, a bat-tery or a hydraulic energy storage facility, such that the plant can always be put out of operation safely and a wind-safe position can be reached.

As loads for the drive of the concentrators, mainly wind forces are considered as well as loads resulting from the construction’s dead weight in case of an unbalanced system. Where the admis-sible operational wind speed is exceeded, a wind alarm is triggered and the concentrator is moved to a favourable position, in which even the highest wind loads can be resisted. In many cases, wind tunnel tests (Fig. 3) are performed to identify the loads with a high level of precision and reduce them through intelligent modifications of the de-sign in order to achieve high economic efficiency in terms of dimensioning of the drives and the structure.

antrIEBE ACtuAtoRS/DRIVe MeCHAnISMS 39

5

6

4

40

Die sehr unterschiedlichen Drehzahlen, die hohe erforderliche Genauigkeit, der ungeschützte Be-trieb im Freien, die minimierte Wartung sowie die Lebensdauer von 20 Jahren oder mehr stellen be-sondere und in dieser Kombination ungewöhnliche Anforderungen an die Antriebstechnik. Wir können hierfür auf Erfahrungen aus zahlreichen Projekten zurückgreifen, aber dennoch müssen stets neue, angepasste und wirtschaftliche Lösungen gefun-den werden.

Die Antriebe für Solarkonzentratoren werden oft elektrisch ausgeführt. Die Drehung der Elektro-motoren wird über mehrstufige Getriebe unter-setzt, um dann den Konzentrator direkt oder über Ketten- oder Zahnradantriebe in Bewegung zu set-zen (Abb. 4). Die Gesamtuntersetzung erreicht häufig Werte von mehr als 10.000:1. Je nach An-forderung wird mittels drehzahlregelbarer Motoren eine kontinuierliche oder schrittweise Nachführung realisiert. Bei der schrittweisen Nachführung wan-dert der Brennpunkt in der Pause zwischen zwei Schritten geringfügig aus der Sollposition. Es kön-nen zusätzlich Sensoren verwendet werden, die die konzentrierte Strahlung auf dem Receiver er-fassen können. Sie ermöglichen eine hochgenaue Positionierung und können so auch Verformungen der Struktur – hervorgerufen durch Eigengewicht und Wind – durch einen geschlossenen Regelkreis teilweise kompensieren.

Wenn die erforderlichen Drehwinkel nicht zu groß sind, werden auch elektromechanische Linear antriebe (sog. Hubzylinder oder Spindel hub-antriebe) verwendet, um mit Hilfe von Hebeln eine Drehbewegung zu bewirken. Insbesondere bei hohen Kräften werden solche Linearantriebe als hydraulische Hubzylinder ausgebildet. Neben Kos-tenvorteilen bieten hydraulische Antriebe auch eini-ge spezielle Funktionen, wie die einfache Synchro-nisation mehrerer Antriebe, Kraftbegrenzung bei Überlast oder auch den speichergestützten Not-fahrbetrieb (Abb.5).

Bei den meisten Solarkonzentratoren werden weitere antriebstechnische Bauteile eingesetzt, wie Gleit- und Wälzlager. Große drehbare Struktu-ren werden mit Rädern ausgestattet, die auf Beton-oberflächen oder Stahlschienen laufen (Abb.6).

the very different rotational speeds, the necessary high precision, unprotected operation in the open air, minimised maintenance and a useful life of 20 years or more impose special requirements on the drive technology, requirements that are unusual in this particular combination. For this purpose, we are able to make use of experience from numerous projects, though new, adjusted and economically attractive solutions continuously need to be found.

the drives for solar concentrators are often elec-tric: rotation of the electric motors is reduced by means of multi-stage gear units in order to actuate the concentrator either directly or via for instance chain or gear wheel drives (Fig.4). the overall gear reduction often reaches levels of more than 10,000:1. Depending on the requirements, either continuous tracking is realised by means of speed-controllable motors, or small steps are performed. In the latter case, the focal point always migrates slightly out of the required position during the break between two steps. Alternatively, sensors can be used that detect the concentrated radiation on the receiver. they render highly precise posi-tioning possible by means of a closed control cir-cuit, and can therefore even partially compensate for deformations of the structure caused by self-weight and wind.

unless the necessary rotation angles are too large, electromechanical drives (so-called lift cylin-ders or screw jacks) are also used to create a rota-tional motion by means of levers. especially in the event of high loads, such linear drives are designed as hydraulic lift cylinders. In addition to cost advan-tages, hydraulic drives also offer a number of spe-cific functions such as simple synchronisation of several drives, power limitation in the event of overloads and storage-supported emergency operation (Fig.5).

In most solar concentrators, additional drive components are used such as sliding and roller bearings. large rotating structures are equipped with wheels that run on concrete surfaces or steel rails (Fig.6).

Steuerungstechnik Für die exakte Nachführung und verschiedene Zusatz- und Sicherheitsfunktio-nen sind alle Konzentratoren mit einer elektroni-schen Steuerungseinheit ausgestattet. Diese re-gelt und überwacht die Motoren und Sensoren. Die Steuerungen sind dezentral ausgeführt und können autonom arbeiten. Die gesamte Betriebsführung erfolgt in dieser Steuerung. Meist wird die Sonnen-position anhand von bekannter geografischer Lage und Uhrzeit berechnet, Windgeschwindigkeit und weitere Signale werden überwacht und Funktionen für spezielle Betriebszustände und manuellen Be-trieb zur Verfügung gestellt. Anhand von aufge-zeichneten Anlagendaten können der Betrieb aus-gewertet und im Fall von Fehlern Analysen durchgeführt werden.

Die Steuerungen werden meist als speicherpro-grammierbare Steuerung (SPS) oder als speziell entwickelte Mikrocontroller-Platine ausgeführt (Abb.8). In den meisten Fällen ist eine Fernüber-wachung mit der Möglichkeit des Eingriffs in die Steuerung per Internet möglich.

Bei größeren Anlagen wird ein Teil der Funktio-nen von der zentralen Feldsteuerung übernommen, die kabelgebunden oder drahtlos mit den einzelnen lokalen Steuerungseinheiten kommuniziert. Solche Anlagen sind zudem mit umfang reichen Möglich-keiten zur Visualisierung und Überwachung ausge-stattet, sodass das Betriebspersonal jederzeit Ein-blick in alle wichtigen Funktionen hat und bei Bedarf in den Anlagenbetrieb eingreifen kann.

Control technology For exact tracking, various safety-related and additional functions, all concen-trators are equipped with an electronic control unit. this unit controls and monitors the motors and sensors. the controllers of these decentralised systems are able to work autonomously. the entire operating control process is then based on the controlling system. In most cases, the position of the sun is calculated based on the geographic loca-tion and time of day. At the same time, wind speed and various other signals are monitored and func-tions are made available for special operating modes and manual operation. Based on the re-corded plant data, the operation can be evaluated and analyses can be performed, in the event of errors or defects.

Most controllers are designed as programma-ble logic controllers (PlC) or specially developed microcontroller boards (Fig. 8). In most cases, re-mote supervision and intervention in the control process are possible via internet.

In larger plants, some of the functions are per-formed by the central field control, which com-municates with the individual local control units via cables or wirelessly. In addition, such plants provide comprehensive options for visualisation and supervision, such that the operating personnel has access to all important functions at any time and is able to intervene in the operation of the plant whenever required.

87654321

A

B

C

D

E

F

654321 7 8

A

B

C

D

F

E

Name1

Date

EditorChkd.

CodeAmendment DatePageof

=+DCBF

S2750

Dish 500

VR

Feed-in

L1L2L3

N

PE

1 2 3-X11

Plug socket

6-X01

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7 8

Filter air fan

RITT.SK3110.000

4

5L

6250V

N

-K03

MRITT.SK3322.107

-M03

B/6A

1

2-F02

21-X01 3 4 5 9

MoellerP1-32/E

2

1

4

3

6

5-Q01

.Current

Feed-in:PowerVoltage

Pre-fuse11 A nom. / 16 A max.min. 20 A, max. 32 A

400VAC / 50Hz5 kW

. . . .

N N

PE PE L1 L1 L2 L2 L3 L3

Lightning currentand surge arrester

combination

-F01

PE3

PE2

buNYY-J 5x4-W1

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36

bn bk

07.12.2011

2.1

2.1

2.12.12.1

3.2

2.4

12

14113.7

7 8

7 Ausschnitt aus dem Schaltplan eines elektrischen Antriebs Cutout of the circuit diagram of an electric drive

8 Mikrocontroller für die Antriebs-steuerung Microcontroller for the drive control system

antrIEBE ACtuAtoRS/DRIVe MeCHAnISMS 41

42

7 Techno-ökonomische Analyse und Optimierung techno-economic Analysis and optimisation

1

4% Antriebe, Instrumentierung, Verkabelung Drive units, instrumentation, cabling

6% Erdarbeiten und Fundamente

Groundworks and SCA foundations

6% Generalunternehmen: Projektmanagement und Planung ePC project management, engineering

9% Montage, Aufbau und Inbetriebnahme des Solarfeldes Solar field assembly, erection, commissioning

Direkte Kosten der Kollektor-StahlstukturDirect costs of metal support structure

22% der Feldkosten | 22% of total field costs

22%KollektorstahlstrukturSteel support structure

18%Andere Kosten für Planung, Beschaffung und Bauother costs for engineering, Procurement and Construction (ePC)

13%Absorberrohr Heat collecting element

12%Spiegel Mirrors

10%Wärmeträgermedium - kreislauf im Solarfeld

Solar Field heat transfer system

4% Antriebe, Instrumentierung, Verkabelung Drive units, instrumentation, cabling

6% Erdarbeiten und Fundamente

earthworks and SCA foundations

6% Generalunternehmen: Projektmanagement und Planung ePC project management, engineering

9% Montage, Aufbau und Inbetriebnahme des Solarfeldes Solar field assembly, erection, commissioning

tEchnO-öKOnOMISchE analySE unD OptIMIErung teCHno-eConoMIC AnAlYSIS AnD oPtIMISAtIon 43

Vielleicht bedingt durch ihre unterschiedliche Aus-bildung versuchen Ingenieure traditionell, den Wir-kungsgrad eines Systems zu erhöhen, beispiels-weise den Stromertrag eines Solarkraftwerks, während Betriebswirte danach streben, die Kosten zu senken (Abb.1). Das eigentliche Ziel muss es aber sein, die Kosten pro Kilowattstunde bereitge-stellter Energie zu minimieren.

Dies klingt zunächst einmal trivial, ist es aber nicht: So kann es sinnvoll sein, höhere Investitions-kosten in Kauf zu nehmen, wenn dafür der Energie-ertrag deutlich steigt oder die Betriebskosten sin-ken. Wichtig ist der Blick aufs Ganze. Um ein optimales Produkt zu entwickeln, müssen Technik und Kosten immer gemeinsam betrachtet werden. Das Durchführen der Techno-ökonomischen Ana-lyse ist deshalb für uns ein wichtiger Baustein für jede erfolgreiche Produktentwicklung und -verbes-serung 1.

Perhaps as a result of their different education, while engineers traditionally try to increase the ef-ficiency of a system such as the amount of gener-ated electricity of a solar power station, econo-mists aim at reducing costs (Fig.1). the actual objective, however, must be to minimise the cost per kilowatt-hour of the provided electric energy.

Although this sounds trivial at first, it is actually not: it can be thoroughly reasonable to accept higher costs of investment if, in return, the perfor-mance rises significantly or operating expenses decrease. It is important to look at the overall pic-ture: to develop an optimal product, technology and costs always have to be taken into considera-tion together. For us, the implementation of a techno-economic analysis therefore represents an important component of any successful develop-ment and improvement of a particular product1.

1 Kostenstruktur für das Solarfeld eines 50 MW Parabolrinnenkraft-werks (exemplarisch)Cost structure for the solar field of a parabolic trough power station (exemplary)

Durch Kollektorwirkungsgrad direkt beeinflussbare Kosten Costs directly influenced by collector efficiency

76% der Feldkosten | 76% of total field costs

22%KollektorstahlstrukturMetal support structure

18%Andere Kosten für Engineering, Procurement und Constructionother ePC cost

13%Absorberrohr Heat collecting element (HCe)

12%Spiegel Mirrors

10%Wärmeträgermedium - kreislauf im Solarfeld

Solar Field heat transfer system

44

Principle the principle is always the same: A parameter—in the energy sector, this is usually the cost of electricity or heat generation, averaged over the useful life—is to be minimised:

For different variants considered, the correspond-ing costs and electricity generation are to be cal-culated. In consideration of the financial parame-ters, maintenance and operational expen ses, the specific costs are then calculated and the most favourable option is selected.

prinzip Das Prinzip ist immer dasselbe: Eine Kenngröße, im Energiesektor üblicherweise die über die Lebensdauer gemittelten Strom- oder Wärmegestehungskosten, soll minimiert werden:

Um verschiedene in Frage kommende Varianten vergleichen zu können, sind die Kosten und der Energieertrag zu ermitteln. Unter Berücksichtigung der Finanzparameter und der Wartungs- und Be-triebskosten werden dann die spezifischen Kosten berechnet und die günstigste Variante ausgewählt.

Investitionskosten der KomponenteInvestment Cost Components

· Kollektorelement | Solar collector element· Spiegel | Mirrors· Wärmeträger | Heat collecting element · Regular Pylon | Mittelpylon· Antriebspylon | Drive Pylon

feldinstallationskosten Field Installation Cost

· Anzahl der Pylone | no. of Pylons· Anzahl der Kollektorelemente no. of Solar collector elements

· Wärmeträgersystem | HtF system

MontagekostenAssembly Cost

· Kollektorelement | Solar collector element· Pylon | Pylon

Betrieb und Wartungskosten Operation and Maintanence Costs

· Kollektorelement | Solar collector element· Pylone | Pylons· Wärmeträgersystem | HtF system

2 Zusammenhang zwischen Kosten und Leistung bei Parabolrinnen-kollektoren (schematisch)4

Correlation between the cost and the performance of parabolic trough collectors (schematic) 4

2

Kosten Costs

jährliche Stromerzeugung

!= Min

Annuity on Investment Cost + Annual o&M Cost

Annual electricity Generation

!= Min

Annuität der Investitionskosten

jährliche Betriebs- und Wartungskosten

+

lasten Loads

· Wind | Wind· Erdbeben | Seismic

tEchnO-öKOnOMISchE analySE unD OptIMIErung teCHno-eConoMIC AnAlYSIS AnD oPtIMISAtIon 45

geometrie Geometry

· Länge Kollektorelement SCe-length

· Aperturweite | Aperture width· Länge Parabolrinnenkollektor Solar collector assembly

Struktur Structure

· Genauigkeit | Accuracy· Torsion | torsion· Biegung | Bending

Spiegel Mirrors

· Reflexionsgrad | Reflectivity· Genauigkeit | Accuracy· Anzahl der Auflagepunkte no. of support points

absorberrohr Heat Collecting Element

· Durchmesser | Diameter· Absorptionsgrad | Absorptance· Thermische Verluste | thermal losses

leistung Performance

Example the mutual interdependence of techni-cal and economic parameters is shown in Fig. 2

for parabolic trough collectors. on the one hand, requirements, such as precision, flexural and tor-sional stiffness influence the investment costs. on the other hand, these mechanical properties have a direct impact on the efficiency; here, the task is to find the optimal combination. For this purpose, different designs can be analyzed in technological terms and their costs can be calculated; with these ‘nodes’, curves can then be found that point to-wards the optimal solution.

A second possibility is substantially more ele-gant: Whenever sufficiently accurate, it makes sense to prepare mathematical models predicting costs and energy performance, and to merge them into one overall model in order to analytically de-termine the optimal solution.

Beispiel Wie ausgewählte technische und öko-nomische Kenngrößen miteinander wechsel wir-ken, ist in Abb.2 am Beispiel von Parabolrinnenkol-lektoren dargestellt. So beeinflussen einerseits beispielweise die Anforderungen bzgl. Präzision und Biege- und Torsionssteifigkeit die Investitions-kosten, andererseits haben diese mechanischen Eigenschaften einen direkten Einfluss auf die Leistungs fähig keit: Hier gilt es, die optimale Kom-bination zu finden. Dazu können verschiedene Va-rianten technisch ausgelegt und kalkuliert werden. Hiermit lassen sich dann Kurven finden, die Hinwei-se auf das Optimum geben.

Wesentlich eleganter ist eine zweite Möglich-keit: Wenn immer dies mit hinreichender Genauig-keit möglich ist, bietet es sich an, für Kosten und Energieertrag Rechenmodelle zu erstellen und diese zu einem Gesamtmodell zu kombinieren, um so das Optimum analytisch zu bestimmen.

46

SCA

SCE

4Schema zur Parabolrinnenkollektorbewertung und Optimierung Schematic of parabolic trough collector evaluation and optimisation

techno-ökonomische Berechnung Techno-economic evaluation

Optimierung | Optimisation

parabolrinnengeometrie Parabolic trough collector Geometry· Länge Kollektorelement SCe length

· Länge Parabolrinnenkollektor SCA length

· Form und Festigkeit des Materials Shapes and strength of materials

fEM analysen FEA Analyses

· Torsion | torsion

· Biegung | Bending

Optische leistung Optical performance

KostenmodellCost model

Torsionsrohr torque tube (ttu)

AbsorberrohrstützeHCe post

MittelpylonMiddle pylon

MittelpylonMiddle pylon

3a

3b

AbsorberrohrHeat collecting element (HCe)

Hydraulische AntriebseinheitHydraulic drive unit

AntriebspylonDrive pylon

AntriebspylonDrive pylon

SpiegeltragarmCantilever arm

Spiegelelement Reflective panel

3 Parabolrinnen kollektoren Parabolic trough collectors a SCE–Solar Collector Element (nicht maßstäblich)SCe–Solar Collector element, (not true to scale) b SCA – Solar Collector Assembly bestehend aus einzelnen Kollektor-elementen (nicht maßstäblich)SCA –Solar Collector Assembly, consisting of individual collector elements (not true to scale)

4 Schematische Darstellung des Bewertungs- und Optimierungs-prozesses für ParabolrinnenSchematic representation of the evaluation and optimisation process for parabolic troughs

tEchnO-öKOnOMISchE analySE unD OptIMIErung teCHno-eConoMIC AnAlYSIS AnD oPtIMISAtIon 47

Zur Veranschaulichung der Vorgehensweise soll das folgende einfache Beispiel dienen: Parabolrin-nenkollektoren (SCA) bestehen aus einer zentralen Stütze mit Antriebseinheit und mehreren damit mechanisch verbundenen Kollektorelementen (SCE), welche auf weiteren Stützen drehbar gela-gert sind (Abb.3). Um die Kosten des Solar feldes zu optimieren, muss also die Summe der Kosten der Stützen und Kollektorelemente minimiert wer-den. Dafür ist eine möglichst kleine Stützenzahl vorteilhaft, um die verbundenen Kosten für Fun-damente, Logistik, Montage, und im Fall der An-triebsstütze zusätzlich für Verkabelung, zu minimie-ren. Unter diesem Gesichtspunkt sollten sowohl die einzelnen SCEs als auch die gesamten SCAs möglichst lang sein.

Mit der Länge steigen auch die Anforderungen an die Tragstruktur und damit die Kosten, die Ver-formungen müssen möglichst klein bleiben, um eine hohe optische Qualität zu erzielen. Eine zu geringe Torsionssteifigkeit bewirkt, dass nur der zentrale Teil des Kollektors im Bereich der Antriebs-stütze korrekt zur Sonne zeigt, während die Enden durch Lagerreibung und Wind unter deutlichen Nachführfehlern leiden, wodurch der Ertrag dras-tisch reduziert wird. Um dies zu verhindern, kann entweder eine kurze SCA-Länge gewählt oder die Torsionssteifigkeit erhöht werden. Letzteres erfor-dert – neben einem intelligenten Entwurf – mehr Material und erhöht damit die Kosten.

Hier ist also eine Optimierung erforderlich: Zunächst wird die Kollektorstruktur mittels FEM-Analyse bzgl. Biegung und Torsion analysiert. Dann erfolgt die wirtschaftliche Analyse unter Verwen-dung eines Kostenmodells1. Der Kollektorwir-kungsgrad wird analytisch 2 oder mittels Strahlver-folgung 3 bestimmt. Unter Berücksichtigung der neuen Ergebnisse wird eine verbesserte Variante entworfen und die Analyse beginnt von vorne (Abb.4), bis ein zufriedenstellendes Ergebnis er-reicht wird.

Das Beispiel zeigt, dass das Werkzeug der Tech-no-ökonomischen Analyse gewinnbringend für das Entwickeln von Solarsystemen eingesetzt werden kann; es macht aber auch deutlich, dass es eine Vielzahl von Abhängigkeiten gibt und nicht alles präzise erfasst werden kann. Für erfahrene Solar-ingenieure stellt diese Methode eine große Hilfe beim Entwickeln und Optimieren dar.

to illustrate this approach, let us look at the follow-ing simple example: Solar collector assemblies (SCA) consist of a central support with a drive unit (drive pylon) and several solar collector elements (SCe), mechanically connected to the drive pylon and supported by additional regular pylons. the entire SCA can be rotated (Fig.3). to optimise the costs of the solar field, the total cost of drive py-lons and solar collector elements has to be mini-mised. to achieve this, the number of pylons should be kept as low as possible to minimise the associated costs of foundations, logistics, assem-bly and, in case of the drive pylon, of cabling and wiring. From this perspective, both the individual SCes and the entire SCAs should be as long as possible.

However, the requirements on the collector structure and hence the costs increase with length, as deformations must remain as low as possible to achieve high optical quality. Insufficient torsional stiffness leads to a situation in which only the cen-tral part of the collector in the area of the drive pylon points correctly towards the sun, whereas the end parts experience major tracking deficien-cies as a result of bearing friction and wind, which drastically reduces performance. to avoid this, ei-ther a short SCA length can be chosen or the tor-sional stiffness increased. Besides an intelligent design, the latter requires more material and thus leads to increased costs.

optimisation is therefore required and realised as follows: first, the collector structure is analysed using FeA analysis with respect to behaviour under bending and torsion. Afterwards, economic analy-sis is performed using a cost model1 whereas the collector efficiency is determined analytically 2 or through raytracing 3. Considering the new results, an improved prototype is designed and the analy-sis starts over (Fig.4).

this example shows that a techno-economic analysis can be productively used for the develop-ment of solar systems; it also became clear, how-ever, that there are a large number of dependencies and not everything can be determined precisely. In the hands of an experienced solar engineer, this method is of great help in the process of develop-ment and optimisation.

48

8 Thermodynamik thermodynamics

grundprinzip Der Prozess der solarthermischen Stromerzeugung lässt sich im Wesentlichen in die folgenden Schritte unterteilen:– Sammeln der solaren Strahlung mit Hilfe

eines Kollektorsystems,– ggf. Konzentrieren der Strahlung auf einen

Strahlungsempfänger,– Umwandeln der Strahlungsenergie in Wärme

durch Absorption der Strahlung am Receiver,– Transport der thermischen Energie mit einem

Wärmeträgermedium zur Energiewandlerein-heit,

– Umsetzen der thermischen Energie in mechanische Energie mit Hilfe einer Wärme-Kraft-Maschine (z. B. Dampfturbine oder Stirlingmotor),

– Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie durch einen Generator.

In Abb.1 ist die beschriebene grundsätzliche Ener-giewandlungskette der solarthermischen Stromer-zeugung dargestellt.

Diese sehr unterschiedlichen Schritte erfordern das nahtlose Zusammenarbeiten von Spezialisten der unterschiedlichsten Fachrichtungen und Fach-gebiete. Teilweise, wie im Bereich der Auslegung des Kraftwerksblocks mit Turbinen, Generatoren und Kühlern, kann auf Fachleute aus dem konven-tionellen Kraftwerksbau zurückgegriffen werden, weil sich die Aufgaben hier stark ähneln. In anderen Bereichen sind aber Solar-Spezialisten gefordert. Einige Beispiele dafür sollen im Folgenden umris-sen werden:

basic principle the process of generating solar thermal power can essentially be divided into the following steps:– Collection of solar radiation by means of

a collector system,– Concentration of the radiation on a heat

exchanger/receiver, when required– transformation of the radiation energy into

heat through absorption of the radiation at the receiver,

– transportation of the thermal energy to the power conversion unit by means of a heat transfer medium,

– Conversion of the thermal energy into mechani-cal energy by means of a thermal engine (e.g. steam turbine or Stirling engine),

– Conversion of the mechanical energy into electrical energy by means of a generator.

Figure 1 illustrates the described basic energy conversion sequence of the solar thermal power generation process.

these very different steps require seamless cooperation of specialists from the most various technical fields and areas of expertise. For instance, in the area of designing the power block with tur-bines, generators and cooling units, it is possible to make use of specialists from conventional power plant construction, as the tasks are very similar. In other areas, however, solar energy specialists are required. In the following, a few such examples are outlined:

thErMODynaMIK tHeRMoDYnAMICS 49

1 Solarturm Testanlage, Sandia National Laboratories, Albuquerque, Neumexiko, USA, 1996 Central Receiver test Facility (CRtF), Sandia national laboratories, Albu-querque, new Mexico, uSA, 1996

2 Energiewandlungskette bei der solarthermischen Stromerzeugung energy conversion chain of the solar thermal power generation process

Sammeln und ggf.Konzentrieren der Strahlungsenergie im Kollektor Collection and concentration of radiation energy in the collector

Strahlungsenergie der Sonne Solar radiation energy

Wärmeenergie im Wärmeträgermedium thermal energy in the heat transfer medium

Mechanische Energie in der Wärme-Kraft-Maschine Mechanical energy in the thermal engine

Elektrische Energie im Generator bzw. im Netz electric energy in the generator or the electric grid

NetzGrid

SonnenlichtSunlight

Umwandeln der Solar energie in Wärme im Receiver und Über tragung an ein Wärmeträgermedium Conversion of solar energy into heat in the receiver and trans - por ta tion to a heat transfer medium

Wandeln der thermi-schen Energie im Wärmeträgermedium in mechanische EnergieConversion of thermal energy into mechani-cal energy in the ther-mal engine

Umwandeln der mechanischen Energie in elektrische Energie Conversion of mechanical energy into electric energy

1

2

50

Kollektordesign Während des Entwurfs und der Optimierung von Kollektoren sind miteinander eng verzahnte Fragestellungen aus Optik und Wärme-lehre zu beantworten und auch die Kosten müssen natürlich ständig im Auge behalten werden. Zu-nächst ist eine geeignete Form zu finden, d.h. Brenn weite und Aperturbreite der Parabel müssen definiert werden (Abb. 2). Diese Kenngrößen wer-den mit dem Absorberrohrdurchmesser (Parabol-rinne) bzw. der Receivergröße (Dish, Turmanlage) abgestimmt. Möglichst alle reflektierten Strahlen sollen ihr Ziel erreichen; hier wirken sich große Ab-sorberrohrdurchmesser bzw. Receiverflächen günstig aus. Andererseits sind die thermischen Verluste durch Strahlung und Konvektion auch pro-portional zur Fläche – unter diesem Aspekt sollten also kleine Absorberrohrdurchmesser bzw. Recei-ver gewählt werden. Dies erfordert hochpräzise Reflektorflächen. In der Praxis gibt es jedoch immer Abweichungen durch Ungenauigkeiten bei Ferti-gung und Montage sowie durch Eigengewicht und Wind (Kap. 4+5). Herauszufinden, welche Abwei-chungen unter Berücksichtigung der entstehenden bzw. vermiedenen Kosten zulässig sind und schließlich das technisch-ökonomische Optimum darzustellen (Kap.7), ist die spannende Aufgabe des Ingenieurs.

Collector design As far as the design and opti-misation of collectors are concerned, closely inter-related questions from optics and thermodynam-ics need to be answered and, of course, costs have to be kept in mind continuously. First of all, suitable form needs to be found, that is, the parabola’s focal distance and aperture width need to be estab-lished (Fig.2). these core parameters have to be adjusted to the diameter of the absorber tube (parabolic trough) or the receiver size (dish, central receiver system), respectively. to achieve this, all reflected rays should reach their target. large ab-sorber tube diameters or receiver surfaces are advantageous. on the other hand, thermal losses through radiation and convection are also propor-tional to the surface, favoring small absorber tube diameters or receivers, which in turn require high-ly precise reflecting surfaces. In practice though, geometric forms are never ideal, as deviations are always present due to inaccuracies of the manu-facturing and assembly process, as well as due to dead weight and wind (chapters 4+5). to find out which deviations are admissible, considering re-sulting or avoided costs and finally present the best possible solution in technical and economic terms (chapter 7) is the exciting task of the engi-neer.

2

12 m

19 m

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6.78 m

7.51 m

1.85 m

5.77 m

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0.61 m

2 Drei Parabolrinnenkollektoren mit unterschiedlicher Brennweite und Aperturbreite. Weitere Unterschiede bestehen in der Länge der einzelnen Kollektorelemente (SCE) und des gesamten Kollektors (SCA); hier nicht dargestellt three parabolic trough collectors with different focal lenghts and aperture widths. Another difference is the length of the individual collector elements (SCe) and of the entire collector (SCA), which is not displayed here

3 Darstellung der Abläufe im Auf-windkraftwerk als Kreisprozess (vereinfacht)1

Schematic of the processes taking place in the solar updraft tower as a thermodynamic cycle (simplified) 1

4 Energiebilanz eines Aufwindkraft-werkkollektorsenergy balance of a solar updraft tower collector

thErMODynaMIK tHeRMoDYnAMICS 51

3

4

1 – 2: Polytrope Kompression in der Erdatmosphäre 1’ – 2: Kompression in der Erdatmosphäre (trocken-adiabat) 1– 2: Polytropic compression in atmosphere1’ – 2: Compression in atmosphere (dry adiabatic lapse rate)

2 – 3: Isobare Wärmezufuhr im Kollektor 2 – 3: Isobaric heating of air in the collector

3 – 3’: Expansion in der Turbine und3 – 4: Isentropes Anheben der Luft im Kamin 3 – 3’: expansion in turbine and 3 – 4: Isentropic lifting of air in chimney

4 – 1: Isobares Abkühlen der Luft auf Umgebungstemperatur in Turmhöhe nach dem Austritt aus dem Kamin 4 – 1: Isobaric cooling of the air exiting the chimney to ambient temperature at chimney height

Kollektorausgang = Turbineneingang Collector exit = turbine entry

Kollektoreingang Collector entry

T

S

PZ = 0

2

1’

3’

3

1

4

p1= p4

Q kollector | Qcollector

Turm Ausgangtower exit

HT = Turmhöhe | tower height

T Turbine | turbine

Sonderfall aufwindkraftwerk Die Planung von Aufwindkraftwerken stellt einen Sonderfall dar: Hier ist die Berechnung der kompletten Thermo-dynamik durch den Solaringenieur erforderlich, von der Strahlungs- und Energiebilanz des Kollektors (Abb. 3+4) über die Berechnung des Auftriebs bis hin zur Strömungsberechnung unter Berücksichti-gung der Reibung an Boden, Kollektordach, Stüt-zen und Turmwand. Bei der Turbinenauslegung arbeiten Solaringenieure und Turbinenspezialisten eng zusammen.

Beim Aufwindkraftwerk ist besonders hervor-zuheben, dass die Eigenschaften der Struktur, d.h. von Kollektor und Turm, einen signifikanten Ein-fluss auf das Systemverhalten haben. Deshalb ist eine enge Zusammenarbeit von Bauingenieuren, Solaringenieuren und Turbinenexperten unum-gänglich.

The special case of the solar updraft tower the planning of solar updraft towers represents a special case: Here, analysis of the complete ther-modynamic chain is required from the solar energy engineer, from the collector’s radiation and energy balance (Fig. 3+4) and calculation of the updraft to calculation of the air flow considering friction at the ground and at the collector roof, the supporting columns and the tower wall. Solar energy engi-neers closely work with turbine specialists on the layout and design of the turbines.

In case of the solar updraft tower, it is of particu-lar importance that the properties of the structure, i.e. of the collector and the tower, significantly influ-ence the behaviour of the system; another reason why the close cooperation among civil engineers, solar energy engineers and turbine specialists is crucial.

Umgebungsluft | Atmospheric air

Abdeckung Glazing

Kollektorluft Collector Air

Boden Ground

GD

TLuft | air TLuft | air + dTLuft | air

hLuft | air hLuft | air + dhLuft | air

GD, reflektiert | reflected

GD, transmittiert | transmitted

GB, transmittiert | transmitted

GB, transmittiert | transmittedGD, reflektiert, Boden | reflected, ground

GB, reflektiert, Boden | reflected, ground QBodenspeicher | ground storage

QKonvektion | convection

QStrahlung | radiation GB, reflektiert, Abdeckung | reflected, glazing

TGlas, außen | glass, outside

TGlas, innen | glass, inside

TBoden, Oberfläche | ground, surface

TBoden, Oberfläche | groundGB, Bodenspeicher | ground storage

GB

dr

PZ = HT Tem

pera

tur |

tem

pera

ture

Entropie | entropy

52

5 Meerwasser-Gewächshaus als Kühlsystem für solarthermische KraftwerkeSeawater greenhouse as cooling system for solar thermal power stations

Stromgenerator electricity generator

Solarkollektor Solar collector

Gewächshaus Greenhouse

Kondensation über Nacht Condensation at night

Externer Verdampfer external evaporator

Wärmespeicher Heat storage

SalzwasseraufbereiterSea water make-up

G

Verdampfungskühler evaporative cooler

6 Kollektordrehstand in SpanienCollector turntable in Spain

Weitere themen Eine wichtige Aufgabenstel-lung an der Schnittstelle zwischen Solarkonzentra-tor und Energiewandler sind der Entwurf und die Planung von Receivern wie beispielsweise für Dish/Stirling Systeme und Solarturm-Kraftwerke. Hinzu kommen Sonderaufgaben wie die Berech-nung von Kondensationseffekten durch Konvekti-on und Strahlungsaustausch mit dem Himmel in (Meerwasser) Gewächshäusern. Solche Gewächs-häuser könnten zukünftig als Kühlsystem für solarthermische Kraftwerke dienen (Abb.5). Bei derartigen Aufgaben muss zunächst ein thermo-dynamisches Modell des Systems erstellt werden, welches dann für Analyse- und Optimierungsauf-gaben verwendet werden kann. So muss bei-spielsweise die Gewächshaustemperatur hinsicht-lich Kraftwerkswirkungsgrad (möglichst niedrige Temperatur erforderlich) und Wassergewinnung (möglichst hohe Temperatur gewünscht) optimiert werden.

Further topics An important task at the inter-face between the solar concentrator and the power conversion unit is the design and planning of re-ceivers, for instance for Dish/Stirling systems and central receiver systems. In addition, there are special tasks such as the calculation of condensa-tion effects through convection and the exchange of radiation with the sky in (seawater) greenhous-es. In the future, such greenhouses could be used as cooling systems for solar thermal power sta-tions (Fig. 5). For such tasks, a thermodynamic model of the system needs to be set up first, which can then be used for analysis and optimisation. For instance, the greenhouse temperature is to be op-timised in terms of power plant efficiency (favoring temperatures as low as possible) and water pro-duction (favoring temperatures as high as possible).

thErMODynaMIK tHeRMoDYnAMICS 53

6

54

9 Kraftwerk Power Station

prinzip Als solarthermische Kraftwerke werden Anlagen bezeichnet, die Solarstrahlung zunächst in Wärme umwandeln und dann mittels einer Wärme-Kraft-Maschine, beispielsweise mit einer Turbine oder einem Stirlingmotor, in mechanische Energie und schließlich mit einem Generator in elektrische Energie. Heute werden in solarthermi-schen Kraftwerken fast ausschließlich Dampftur-binen als Wärme-Kraft-Maschine verwendet: Der solar erzeugte und in der Turbine expandierende Dampf kondensiert in einem Kühler und wird dann mit einer Speisewasserpumpe unter Druck gesetzt (Abb.1).

In Zeiten eines solaren Energieüberangebots kann mit der Wärme aus dem Solarfeld ein Spei-cher geladen werden. Damit wird in den Zeiten mit nicht ausreichender Solarstrahlung oder in den Nachtstunden die Turbine betrieben. Alternativ kann Wärme auch durch das Verbrennen eines fos-silen oder biogenen Brennstoffs bereitgestellt wer-den. Man spricht dann von Hybrid-Kraftwerken, weil sie zwei Energiequellen nutzen.

varianten Die wichtigsten Varianten solarthermi-scher Kraftwerke sind in Abb.2 dargestellt. Dem-nach wird zwischen linienfokussierenden Anlagen (Parabolrinnen- und Linear- Fresnelkraftwerke) und punktfokussierenden Systemen (Turm-Solarkraft-werk und Dish/Stirling) unterschieden. Ein Sonder-fall ist das Aufwindkraftwerk, bei dem die Solar-strahlung nicht konzentriert wird.

Principle Solar thermal power stations trans-form solar radiation first into heat, then into me-chanical energy by means of a thermal engine such as a turbine or a Stirling engine, and finally into electric energy by means of a generator. today, steam turbines are almost exclusively used as thermal engines in solar thermal power stations: the steam produced using solar radiation and ex-panded within the turbine is condensed again in a cooler and then pressurised using a feedwater pump (Fig.1).

In times of an excess supply of solar energy a storage can be charged with heat from the solar field. this energy is then used to operate the tur-bine in the event of insufficient solar radiation and at night; alternatively, heat can also be provided through the combustion of fossil or biogenic fuel. In this case, one refers to the power plant as hybrid power plant, as it uses two different sources of energy.

Types the most important types of solar thermal power plants are displayed in Fig. 2. one distin-guishes between line-focus plants (parabolic trough and linear Fresnel power stations) and point-focussing systems (central receiver systems and Dish/Stirling systems). the solar updraft tower is a special case, as it works without concentration of solar radiation.

KraftWErK PoWeR StAtIon 55

Parabolic trough station Andasol 1 in Southern Spain is a typical modern 50 MW parabolic trough station with storage (Fig. 3) and serves as an ex-ample for this power station type. the power sta-tions Andasol 2 and 3, built in immediate proximity of Andasol 1, are almost identical in design with the first power plant. For all three power stations, we planned the collector field and supervised the process of manufacturing and assembly.

For Andasol 1, a total of 7,488 individual collec-tor elements, each with 12 m in length and 5.8 m in width, were installed on an area of 1.3 x 1.5 km. 12 collector elements are combined into a solar collector assembly (SCA) of approx. 150 m in length, which follows the sun via a hydraulic drive mechanism installed at the centre of the SCA. the collectors are arranged in the north-south direction, four of which form a collector loop. the resulting collector field has a total of 156 loops and an overall reflecting surface of approx. 510,000 m². the heat transfer medium (synthetic oil) is pumped into the individual loops at a temperature of around 300 °C, heated up to just under 400 °C as it passes through

parabolrinnenkraftwerk Andasol 1 in Südspa-nien ist ein typisches modernes 50 MW Parabolrin-nenkraftwerk mit Speicher (Abb.3) und soll hier als Beispiel dienen. Die in direkter Nachbarschaft er-richteten Kraftwerke Andasol 2 und 3 sind nahezu baugleich. Für alle drei Kraftwerke haben wir das Kollektorfeld geplant und die Fertigung und Mon-tage überwacht.

Für Andasol 1 wurden auf einer Fläche von 1,3 mal 1,5 km insgesamt 7488 einzelne Kollektorele-mente mit je 12 m Länge und ca. 5,8 m Breite ins-talliert. Jeweils 12 Kollektorelemente sind zu einer ca. 150 m langen Kollektoreinheit zusammenge-fügt, die von einem in der Kollektormitte installier-ten hydraulischen Antrieb der Sonne nachgeführt wird. Die Kollektoren sind in Nord-Süd Richtung angeordnet. Jeweils vier Kollektoreinheiten bilden eine Kollektorschleife (engl.: loop). Somit entsteht ein Kollektorfeld mit insgesamt 156 Loops und einer gesamten Spiegelfläche von ca. 510 000 m². Das Wärmeträgermedium – ein synthetisches Öl – wird mit etwa 300 °C in die einzelnen Loops gepumpt, beim Durchströmen der Loops auf knapp

1 Typischer Aufbau solarthermischer Kraftwerketypical structure of solar thermal power plants

2 Einteilung solarthermischer KraftwerkeClassification of solar thermal power plants

1

2

Solarthermische Kraftwerke Solar thermal power plants

Linear Fresnel linear Fresnel

Turmkraftwerk Power tower (CRS)

Aufwindkraftwerk Solar updraft tower (Sut)

Rinnenkraftwerk Parabolic trough

Dish/Stirling Dish/PV (CPV)

Punktfokusierend | Point focusing Nicht fokusierend | non concentratingLinienfokusierend | line focusing

Elektrizitätelectricity

WärmeHeat

PumpePump

KühlturmCooling tower

Turbineturbine

Generator Generator

56

3

4

5

565 °C

540 °C

540 °C

SpeisewasservorwärmerFeedwater reheater

Kondensator (luftgekühlt)Steam condenser (air-cooled)

DampftrommelSteam drum Turbine

turbine GeneratorGenerator

KühlturmCooling tower

Speisewasservorwärmungeconomiser

Speisewasser- vorwärmungeconomiser

HeliostatenfeldHeliostat field

ReceiverReceiver

VerdampferVaporiser

VerdampferVaporiser

SpeicherStorage

Kalter TankCold tank

WärmeträgerpumpeHtF pump

SpeisewasserpumpeFeedwater pump

SpeisewasserpumpeFeedwater pump

ZwischenüberhitzerReheater

ZwischenüberhitzerReheater

NetzGrid

KondensatorCondenser

KondensatorCondenser

GeneratorGenerator

GeneratorGenerator

Solarkollektorfeld Solar collector field

ÜberhitzerSuperheater

ÜberhitzerSuperheater

Turbine turbine

Turbine turbine

Heißer TankHot tank

Speicher | Storage

Kalter TankCold tank

Heißer TankHot tank

400 °C erwärmt und dann über Sammelleitungen zum Kraftwerksblock geführt. Durch Wärmetau-scher wird die Wärme dann an den Dampfkreislauf übertragen.

Wie alle thermischen Kraftwerke, ob fossil oder solar betrieben, benötigen auch Parabolrinnen-Kraftwerke ein Kühlsystem. Bei Andasol sind dies Nasskühler, die mit Wasser arbeiten, das zum Teil verdunstet. In Gegenden mit Wasserknappheit bieten sich Trockenkühler an, die im Prinzip wie Autokühler funktionieren. Der Kraftwerkswirkungs-grad sinkt dann zwar leicht, dafür wird aber kein Kühlwasser verbraucht.

Die Andasol-Kraftwerke sind mit Wärmespei-chern (mit Salzschmelze gefüllte Stahltanks) aus-gestattet, welche die vom Solarfeld erzeugte Wärme zwischenspeichern. Das Kollektorfeld ist so dimensioniert, dass es tagsüber nicht nur aus-reichend thermische Energie für den Turbinenbe-trieb zur Verfügung stellt, sondern auch den Spei-cher so weit belädt, dass die Turbine noch bis zu sieben Stunden nach Sonnenuntergang mit Volllast betrieben werden kann. Damit stellen die Kraftwer-ke dem Netz der öffentlichen Versorgung planbare Kraftwerkskapazität zur Verfügung (Kap.2).

linear-fresnel-Kraftwerke zählen ebenfalls zu den linienfokussierenden solarthermischen Kraft-werken, unterscheiden sich aber vor allem im Kol-lektorfeld (Abb.4). Die Reflektoren bestehen aus relativ schmalen, schwach gekrümmten Streifen, die in einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Die einzelnen Reflektorstreifen folgen jeweils dem Lauf der Sonne und reflektieren die Strahlung auf das mehrere Meter über den Spiegeln in der Fokusline ortsfest installierte Absorberrohr. Als Wärmeträger wird heute Wasser eingesetzt, das in den Absorberrohren direkt verdampft wird. Der-zeit wird in den kommerziellen Anlagen nur Satt-dampf erzeugt, zukünftig auch überhitzter Dampf.

turm-Solarkraftwerk Bei Turm-Solarkraftwer-ken reflektieren zweiachsig dem Lauf der Sonne nachgeführte Spiegel, sogenannte Heliostaten, die direkte Solarstrahlung auf einen zentral auf einem Turm angebrachten Receiver (Abb.5). Dort wird die Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt und an ein Wärmeträgermedium (Salzschmelze, Wasser/Dampf, Luft) übertragen. Mit der Wärme wird dann eine Turbine angetrieben. Speicher und/oder fos-sile Zufeuerung lassen sich ebenfalls integrieren. Im Prinzip funktionieren sie wie Parabolrinnenkraft-werke, nur ersetzen die Heliostaten und der Recei-ver auf dem Turm die Parabolrinnenkollektoren mit ihren Absorberrohren.

Die Heliostaten stellen sowohl unter techni-schen als auch unter wirtschaftlichen Gesichts-punkten die wichtigste Komponente von Turm-Solarkraftwerken dar. Die Entwicklung präziser,

the loops and then led to the power block through header pipes. Heat exchangers then transfer the heat to the steam cycle.

like all thermal power stations, whether oper-ated on a fossil or a solar basis, parabolic trough plants also require a cooling system. In case of Andasol, these cooling systems are wet coolers working with water that partially evaporates. In regions with water shortage, dry coolers working essentially like motorcar cooling devices are the most suitable solution. though power plant effi-ciency slightly decreases in this case, the advan-tage is that no cooling water is consumed.

the Andasol power stations are equipped with heat storage (steel storage tanks filled with molten salt), which intermediately store the heat gener-ated by the solar field. the collector field is dimen-sioned in such a way that, in the course of the day, it not only makes sufficient thermal energy avail-able for the operation of the turbines, but also charges the storage so that the turbine can be operated at full load for up to seven hours after sunset. As a result, the power stations make reli-able power plant capacity available to the public grid (chapter 2).

Linear Fresnel power stations are also classified as line-focus solar thermal power plants, but differ primarily in their collector field (Fig.4). the reflec-tors consist of relatively narrow, slightly curved strips arranged in a horizontal plane. the individual reflector strips follow the course of the sun and reflect the radiation onto the linear receiver, which is installed and kept fixed several meters above the reflectors in the focal line. At present water is used as heat transfer medium and evaporated di-rectly in the absorber tubes, and only saturated steam is generated in commercial facilities. In the future, however, superheated steam will also be generated.

Central receiver system In case of central re-ceiver systems, mirrors made to follow the sun by means of a two-axis tracking system (so-called heliostats) reflect the solar radiation onto a receiv-er installed at the top of a tower (Fig.5). there, the radiation energy is converted into heat and trans-ferred to a heat transfer medium (molten salt, water/steam, air). the heat is then used to drive a turbine. Storage and/or an additional fossil burner can likewise be integrated. In principle, they work like parabolic trough power plants, with the only exception that heliostats and a receiver on the tower replace the parabolic trough collectors with their absorber tubes.

From a technical as well as from an economic point of view, heliostats are the most important components of central receiver systems. therefore, we have already made progress in the development

3 Aufbau eines Parabolrinnenkraft-werks mit Speicherlayout of a parabolic trough power plant with storage facility

4 Linear-Fresnel-Anlage (Ausra)linear Fresnel plant (Ausra)

5 Turm-Solarkraftwerk mit Salzschmelze als WärmeträgerCentral receiver system with molten salt as heat storage medium

KraftWErK PoWeR StAtIon 57

58

kleiner oder großer, langlebiger und gleichzeitig kostengünstiger Heliostaten wurde deshalb schon seit den 90er Jahren von schlaich bergermann und partner vorangetrieben (Abb.6). Darüber hinaus sind der Entwurf und die Bemessung der Türme, ihr Einfluss auf die Auslegung des Heliostatfeldes und dessen Optimierung ein Betätigungsfeld von wachsender Bedeutung.

Dish/Stirling System Dish/Stirling Systeme bestehen aus einem parabolisch gekrümmten, schüsselförmigen Konzentrator (engl. dish für Schüs sel), einem Solarreceiver sowie einem Stirlingmotor als Wärme-Kraft-Maschine mit ange-schlossenem Generator (Abb.7). Der Parabolkon-zentrator wird zweiachsig der Sonne nachgeführt, so dass er die direkte Solarstrahlung auf den im Fokus angeordneten Receiver reflektiert. Vom Receiver wird die Wärme dem Stirlingmotor zuge-führt, der diese in mechanische Energie (in der Regel die Rotation einer Kurbelwelle) umwandelt. Ein angekoppelter Generator setzt schließlich die mechanische in elektrische Energie um.

a

b

c

f g

h

i

e

d

6 Metallmembran-Heliostaten Stretched metal membrane heliostats a Metha, 44 m² Spiegelfläche Metha, 44 m² mirror surface b ASM 150, 150 m² SpiegelflächeASM 150, 150 m² mirror surface

7 Dish/Stirling Anlage Dish/Stirling

8 Aufwindkraftwerk (Prinzip)Solar updraft tower (principle)

of precise, small or large, durable and at the same time favourably priced heliostats since the 1990s (Fig.6). Moreover the design and dimensioning of the towers, as well as their influence on the layout of the heliostat fields, as well as the optimisation of the field, are areas of activity with increasing importance.

Dish/Stirling System Dish/Stirling systems consist of a parabolically curved, ‘dish-shaped’ con-centrator, a solar receiver and a Stirling engine, a thermal engine with a coupled generator (Fig.7). the parabolic concentrator is driven to follow the sun by means of a two-axis tracking system, such that it reflects the direct solar radiation onto the receiver which is placed at the focus. From the receiver, the heat is transferred to the Stirling en-gine, which converts it into mechanical energy (usually via rotation of a cranked shaft). Finally, a coupled generator transforms the mechanical en-ergy into electrical energy.

a Konzentrator | Concentrator

b Stirling-Tragwerk | Stirling support

c Stirling-Einheit | Stirling engine

d Antrieb für die Elevationsachse | elevation drive arch

e Antrieb für die Azimutachse | Azimuth drive arch

f Fundament | Foundation

g Schaltschrank | Control cabinet

h Drehstand | turntable

i Elevationslager | elevation bearing

6a

6b 7

Turmtower

Turbinenturbines

KollektordachSolar collector

Aufwind updraft

SonnenstrahlungSolar radiation

aufwindkraftwerk Beim Aufwindkraftwerk wer-den die drei bekannten Bauteile Treibhaus, Kamin und Turbine in neuartiger Weise kombiniert. Das Prinzip ist in Abb.8 dargestellt: Unter einem fla-chen kreisförmigen, am Umfang offenen Glasdach, das zusammen mit dem darunter liegenden natür-lichen Boden einen Warmluftkollektor bildet, wird Luft durch die Sonnenstrahlung erwärmt. In der Mitte des Daches steht eine Kaminröhre mit gro-ßen Zuluftöffnungen am Fuß. Das Dach ist luftdicht an den Kaminfuß angeschlossen. Da warme Luft eine geringere Dichte als kalte Luft hat, steigt sie im Kamin auf. Durch den Kaminsog wird gleichzei-tig warme Luft aus dem Kollektor nachgesaugt und von außen strömt kalte Luft zu. So bewirkt die Son-nenstrahlung einen kontinuierlichen Aufwind im Kamin. Die in der Luftströmung enthaltene Energie wird mit Hilfe von Turbinen genutzt, die sich am Fuße des Kamins befinden.

Solar updraft tower In the solar updraft tower, the three well-known elements, the greenhouse, the chimney and the turbine, are combined in a new way. the principle is depicted in Fig.8. Air is heated by solar radiation under a low transparent circular roof open at the periphery; this roof and the natural ground below it form a hot air collector. In the middle of the roof there is a vertical chimney with large air inlets at its base. the joint between the roof and the chimney base is airtight. As hot air is lighter than cold air, it rises up the chimney. Suc-tion from the chimney then draws in more hot air from the collector, and cold air comes in from the outer perimeter. through this mechanism, solar radiation creates a continuous updraft in the chim-ney. the energy contained in the air current is used via turbines installed at the base of the chimney.

KraftWErK PoWeR StAtIon 59

8

60

10 Ausblick Prospects

Solarenergie ist unumstritten die einzige auch in Zukunft im Überfluss vorhandene Energiequelle der Erde, weshalb der Trend zur solaren Energieversor-gung mittelfristig richtig und langfristig sogar un-ausweichlich ist.

Technische Lösungen, das solare Angebot zu nutzen, wurden in den letzten Jahren durch welt-weit geeignete politische Rahmenbedingungen gefördert, so dass heute glücklicherweise eine immer größer werdende Anzahl verschiedener Technologien zur Verfügung steht. Fakt ist aber auch, dass das solare Angebot örtlich sowie tages- und jahreszeitlich stark schwankt und dabei oft nur wenig mit der Nachfrage korreliert. Dieser Um-stand wird derzeit bei der wirtschaftlichen Bewer-tung noch nicht in ausreichendem Maße berück-sichtigt.

Die heute am weitesten verbreitete Technolo-gie zur solaren Stromerzeugung, die Photovoltaik, unterbietet an günstigen Standorten bereits jetzt die Stromgestehungskosten mancher konventio-neller Kraftwerke – mittags bei gutem Wetter. Viele der heutigen Systeme sind nur sogenannte „Fuel

undisputedly, solar energy is the only source of energy that will continue being available abun-dantly in the future. For this reason, the trend in solar energy supply is correct in the medium term, and even unavoidable on the long run.

over the past years, technical solutions to “har-vest” solar energy have been promoted through establishing adequate political framework condi-tion around the world. As a result, an ever-increas-ing number of technologies are fortunately avail-able today. However, it is fact that solar energy supply fluctuates heavily from one location to an-other, over the course of the day and depending on the season, often barely correlating with de-mand. At present, this circumstance is not ade-quately taken into consideration though when it comes to the economic assessment.

Photovoltaics, the currently most common technology for solar power generation, already un-dercuts the power generation costs of some con-ventional power plants at favourable locations—though only at noon and in good weather conditions. therefore, many of today’s systems are

Durchmesser | Diameter 4.7 mhöhe | Height 6.4 mMaterial | Material Stahl, faser-verstärkter Kunststoff, Glas steel, fiberglass reinforced plastic, glass

1

auSBlIcK outlooK 61

no more than “fuel savers” which help reduce the consumption of fossil fuels, but are still incapable of reducing the necessary fossil power plant ca-pacities. to ensure that solar energy becomes a full substitute in the future, solar systems with storage facilities will be required, as they are al-ready available today in the form of solar thermal power stations and are currently being developed for photovoltaic facilities.

It will not be possible to cover the enormous energy requirements of the future with one single technology. From today’s perspective, it is to be expected that photovoltaics and solar thermal power stations with storage facilities together will cover a significant part of future market require - ments.

Surely, some of today’s “technologies of the future” will make us smile in the medium term. But what can be more exiting and stimulating for an engineer than the opportunity to reshape the future by means of carefully reviewed insight?

Saver“, die zwar helfen, fossile Brennstoffe einzu-sparen, aber die nötigen Kapazitäten fossiler Kraft-werke nicht reduzieren. Damit Solarenergie ein vollwertiger Ersatz für unsere fossilen Energielie-feranten werden kann, sind Solarsysteme mit Spei-chern erforderlich, wie sie in der Form von CSP-Kraftwerken schon heute zur Verfügung stehen und für PV-Anlagen entwickelt werden.

Der enorme zukünftige Energiebedarf kann nicht mittels einer einzelnen Technologie gedeckt werden. Aus heutiger Sicht ist zu erwarten, dass Photovoltaik und solarthermische Kraftwerke mit Speichern gemeinsam den größten Teil des Markts ausmachen werden.

Mittelfristig werden wir vielleicht über manche der heutigen Zukunftstechnologien schmunzeln. Aber was ist für den Ingenieur erquicklicher als die Chance, die Zukunft mittels gut abgewägter Er-kenntnisse neu zu gestalten?

Ort | Location Spanien, USA sowie weitere Standorte Spain, uSA and other sites

Bauherr | Client Infinia Corporation

fertigstellung | Completed 2007

unser auftrag Entwurf, Ausführungsplanung, Prüfung Scope of our work conceptual design, detail engineering, checking

Zusammenarbeit | Cooperation Cosma International, CSP Services

2 3

4 5

1–5 Solarthermische Kraftwerke – Ein wichtiger Bestandteil unserer zukünftigen EnergieversorgungSolar thermal power plants — An important integral element of our future energy supply

62

schlaich bergermann und partner, sbp sonne gmbh, 2012: Zeyad Abul-Ella, Sarah Arbes, Amjad Ayoubi, Andreas Bader, Markus Balz, Rudolf Bergermann, Manuel Birkle, Evgeniya Boroleva, Karl Brosza, Steffen Dierolf, Andreas Eisele, Jonathan Finkbeiner, Benny Frasch, Lena Gabeler, Verena Göcke, Heike Haberstroh, Christof Husenbeth, Thomas Keck, Andreas Keil, Klaus Kemp, Ludwig Meese, Prateek Ropia, Wolfgang Schiel, Jörg Schlaich, Axel Schweitzer, Nicolas Ürlings, Finn von Reeken, Gerhard Weinrebe, Michael Werner, Markus Wöhrbach, Hristo Zlatanov, Bernd Zwingmann

anhang APPenDIx 63

Quellenangabenreferences

Kapitel 1 | Chapter 11 IEA Philibert 2011 Folie 5

Prof. em. Dr.-Ing., Drs. h. c. Jörg Schlaich: „Neue und Erneuerbare Energiequellen“, Beton- und Stahlbetonbau, April 1982 und Festschrift '75 Jahre Deutscher Ausschuss für Stahlbeton „Wieviel Wüste braucht ein Auto?“ Eigenverlag, Festschrift Bulling, August 1989 „How much desert does a car need?“, IABSE Proceedings P-144/90, May 1990 „Erneuerbare Energien nutzen“, Werner Verlag Düsseldorf, April 1991 (mit Sibylle Schlaich) „ World energy demand, population explosion and pollution“, The Structural Engineer, London, May 1991

Kapitel 2 | Chapter 21 „PV Leistung in Deutschland. SMA Solar Technology AG“. [Online]. Available: http://www.sma.de/de/news-infos/pv-leistung-in-deutschland.html. [Accessed: 04–Apr–2012].

2 J. Schlaich, R. Bergermann, W. Schiel, und G. Weinrebe, „The Solar Updraft Tower – An Affordable and Inexhaustible Global Source of Energy“. Berlin: Bauwerk Verlag, 2004.

3 J. Neubarth, „Energie für Deutschland – Schwerpunkt-thema: Integration erneuerbarer Energien in das Strom-versorgungssystem“, Weltenergierat – Deutschland e.V., Berlin, Germany, Apr. 2011.

Kapitel 7 | Chapter 71 G. Weinrebe, A. Haufe, und W. Schiel, „Techno-econo-mic Optimisation Model for Parabolic Trough Collector Design“, in Electricity, fuels and clean water from concen-trated solar energy, Perpignan, France, 2010, Bd. 1, S. 8.

2 P. Bendt, A. Rabl, H. W. Gaul, und K. A. Reed, „Optical analysis and optimisation of line focus solar collectors“, Solar Energy Research Institute, Golden, CO (USA), SERI / TR-34-092, Sep. 1979.

3 C. Husenbeth, B. Zwingmann, und W. Schiel, „Optical and Structural Optimisation by linking FEA and Ray Tracing Analysis“, in Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems – SolarPACES 2011, Granada, Spain, 2011.

4 G. Weinrebe, Z. Abul-Ella, und W. Schiel, „On the Influence of Parabolic Trough Collector Stiffness and Length on Performance“, in Concentrating Solar Power and Chemical Energy Systems – SolarPACES 2011, Granada, Spain, 2011.

Kapitel 8 | Chapter 81 J. Schlaich, R. Bergermann, W. Schiel, und G. Weinrebe, „The Solar Updraft Tower – An Affordable and Inexhaustible Global Source of Energy.“ Berlin: Bauwerk Verlag, 2004.

abbildungsnachweisPhotographic Credits

Titel | Cover© Johann Brodnig

Kapitel 3 | Chapter 31 © Infinia Corporation4b © HelioFocus Ltd., Israel

Kapitel 4 | Chapter 41a + b © DLR2 Wacker Ingenieure, Birkenfeld3a + b © Ultimate Trough®, Flabeg/sbp

Kapitel 5 | Chapter 53 oben | top © iStockphoto.com /Michiel de Boer3 unten | bottom © iStockphoto.com/ Tom Grundy

Kapitel 6 | Chapter 63 © Wacker Ingenieure

Kapitel 8 | Chapter 81 © Gerhard Weinrebe6 © DLR, Peter Heller

Kapitel 9 | Chapter 96a © Gerhard Weinrebe

Kapitel 10 | Chapter 101 © Infinia Corporation3 © Schlaich Bergermann Solar5 © Gerhard Weinrebe

Nicht genannte Abbildungen und Zeichnungen stammen von schlaich bergermann und partner Grafics and pictures not marked with copyright originate from schlaich bergermann und partner

Impressum Imprint

Herausgeber | Publisher schlaich bergermann und partner

Autoren | Authors Markus Balz, Thomas Keck, Wolfgang Schiel, Gerhard Weinrebe

Redaktion und Lektorat | editors Sarah Arbes, Jantje Bley, Peter Szerzo, Julia Werwigk

Übersetzung | translation Sarah Schneider Sprachdienste, Osnabrück

Gestaltung | layout Beatriz Rebbig, Sibylle Schlaich, Moniteurs, Berlin

Herstellung | Printing Druckhaus Köthen GmbH

© 2012, schlaich bergermann und partner

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