Modellprädiktive Regelung eines keramischen Receivers für Solartürme

Abstract

In dieser Arbeit wird eine modellprädiktive Regelung eingeführt, um die Luftaustrittstemperatur des Receivers am Solarturm in Jülich unter Berücksichtigung zukünftiger Wolkenbedingungen zu regeln. Zu diesem Zweck wird auch die Modellbildung des Heliostatenfeldes und des Receivers des Solarturms vorgestellt. Die Stellgrößen des Reglers sind der Luftmassenstrom im Receiver sowie drei Streuungsfaktoren, die jedem Heliostaten ihren individuellen Zielpunkt auf dem Receiver zuweisen. Die Strategie der Zielpunktverteilung basiert auf dem von García et al. veröffentlichten Algorithmus mit Ventil-Analogie [1] und wurde differenzierbar approximiert. Zur Bewertung der Regelung wurde ein Referenzszenario aus der Literatur vorgestellt und verschiedene Wolkenszenarien definiert. Die Güte der Regelung bemisst sich an der Abweichung der Luftaustrittstemperatur von der Referenztemperatur bei Nennlast. Die Simulation der Regelstrecke zeigt, dass bei exakter Wolkenvorhersage des Nowcastings eine Verringerung dieser Temperaturabweichung von bis zu 86,4 % erreicht wird. Der Exergieeintrag in den Folgeprozess ist je nach Lichtdurchlässigkeit der Wolken um bis zu 19,2 % größer als im Referenzszenario. Besonders bei geringer Verschattungsintensität ist die Regelung dabei sehr effektiv. Die Betriebssicherheit des Kraftwerkes wird maßgeblich durch die Oberflächentemperatur des Receivers beeinflusst. Eine Analyse fehlerhafter Wolkenprognosen zeigt, dass die Sicherheit für Vorhersagen der Wolkengeschwindigkeit von mehr als -11 % und für Vorhersagen der Lichtdurchlässigkeit von mehr als -5% des Realwertes durch die Regelung gewährleistet ist. Prädiktionen schnellerer Wolken oder höherer Lichtdurchlässigkeiten als real auftretend stellen keine Gefahr für die Sicherheit des Kraftwerkes dar. Auf Basis dieser Arbeit kann die Regelung durch zusätzliche Testszenarien und alternative Software verbessert und an der Realanlage getestet werden.