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Jahresertragsberechnung und Exergieanalyse eines solarthermischen Kraftwerks

Schmitt, Jan (2013) Jahresertragsberechnung und Exergieanalyse eines solarthermischen Kraftwerks. Master's, Technische Universität Darmstadt.

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Abstract

Das in dieser Arbeit erstellte Modell konnte viele der vorher aufgetretenen Probleme beheben, dennoch besteht weiterhin Verbesserungspotential. Zur vereinfachten Bedienung wurde ein Makro zur Erstellung gleichartiger Modelle konstruiert. Weiterhin wurden die vorher existierenden Profile zu einem Profil zusammengefasst und die ehemals benötigte Vorausberechnung der Solarfeldleistung konnte mittels des Kernelscripts ersetzt werden. Weiterhin wurde eine lastabhängige Entscheidungslogik sowohl für das in der Jahresberechnung verwendete Modell als auch für ein erweitertes Modell mit Brennereinsatz implementiert. In diesem Zusammenhang wurden die benötigten Bedingungen formal identifiziert und auf das vorliegende Beispiel praktisch angewendet. Zur Fehlererkennung und -korrektur wurde ein Skript implementiert, welches durch individuelle Konfiguration an eine eigene Schaltung angepasst werden kann. Dadurch konnten die vorher auftretenden Konvergenzprobleme in dem verwendeten Modell verhindert werden. Durch die vorher genannten Maßnahmen wurde die Erstellung von Modellen solarthermischer Anlagen in EBSILON deutlich vereinfacht. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die vorliegende Problematik sich nur bis zu einem gewissen Grad vereinfachen, bzw. verallgemeinern lässt. Aus diesem Grund ist eine individuelle Anpassung an die selbst erstellte Schaltung nach wie vor nötig. Es ist davon auszugehen, dass gerade im Bereich der Reglerkonfiguration innerhalb des Fehlerkorrekturskripts auf die jeweilige Schaltung angepasste Parameter eingestellt werden müssen. Mit einer vereinfachten Schaltung konnte ohne Konvergenzprobleme eine Jahresertragsrechnung mit einer Auflösung von 60 Minuten durchgeführt werden und die erzielten Ergebnisse stimmen gut mit denen des DLR überein. Größere Abweichungen treten lediglich bei der Modellierung des Speichers auf. Hier hat sich gezeigt, dass es für eine ganzheitliche Betrachtung in EBSILON nötig wäre auch Wärmeverluste der Speichertanks abzubilden. Auch die Berechnungszeit von etwa 2 Stunden lag dabei noch in einem akzeptablen Rahmen. Ein Vergleich mit dem Realbetrieb ließ sich dabei aufgrund fehlender Daten nicht realisieren. Im Hinblick auf eine Qualitätserhöhung der Jahresertragsrechnung nach guiSmo Standard wäre die Abbildung instationärer Zustände erstrebenswert. Weiterhin wäre ein Vergleich mit einer detaillierteren Topologie interessant, um zu untersuchen welche Effekte dabei im Zusammenhang mit dem erreichbaren Jahresertrag auftreten. Dabei sollten zum Beispiel Phänomene in Zusammenhang mit der Degradation der Absorberrohre, sowie Verschmutzung der Spiegel mit in Betracht gezogen werden. Im Sinne des guiSmo Standards sollte die Berechnung des Jahresertrags eine Berücksichtigung der Unsicherheiten bezüglich der verwendeten Eingangsdaten und der Abbildung der Vorgänge innerhalb des Kraftwerks erfolgen. Überdies wurde eine Exergieanalyse für ein erweitertes Modell durchgeführt. Dazu wurden für die im Modell vorkommenden Komponenten eine Interface Unit in Form eines Skripts erstellt, welche sowohl die exergetischen Verluste als auch den exergetischen Wirkungsgrad berechnet. Durch die Einbindung der Interface Unit können die Funktionen zur Exergieberechnung auch in jedem anderen Modell verwendet werden. Im Sinne einer ganzheitlichen Exergiebetrachtung wäre die Erweiterung der Interface Unit um weitere Komponenten wünschenswert. Bei der Auswertung der Ergebnisse der Exergieanalyse wurden Verbesserungspotentiale vor allem im Bereich des Solarfelds, aber auch im Powerblock identifiziert. Dabei zeigte sich die Anwendung einer Exergieanalyse im Vergleich zu einer energetischen Betrachtung gerade im Bereich der Wärmeübertrager als sehr wertvoll. Die Einführung eines Optimierungsfaktors ließ sich vor allem beim Vergleich ähnlicher Komponenten sinnvoll anwenden. Weiterhin sollten aber bei der Berechnung des Optimierungsfaktors zur ganzheitlichen Bewertung wirtschaftliche und technologische Faktoren in Form von Kennzahlen berücksichtigt werden. Als Ergebnisse der exergetischen Untersuchung liegt mit Abstand das höchste Potential in der Verbesserung des optischen Wirkunsggrads des Solarfelds. Im Bereich des Powerblocks zeigten sich die größten Verluste beim Kondensator. Eine Optimierung wäre hier lediglich durch die Nutzung des aufgewärmten Kühlwassers möglich. Im Bereich der Wärmeübertrager sollten aus exergetischer Sicht am ehesten die Speisewasservorwärmer verbessert werden. Bei der Betrachtung der Turbinen wäre zur genaueren Identifizierung des Optimierungspotentiales eine detailliertere Abbildung als in dem vorliegende Modell vorteilhaft. Dies könnte beispielsweise durch die Verwendung der Komponente 122 erreicht werden. Im Gegensatz zur klassischen Dampfturbine (Komponente 6) werden die physikalischen Gegebenheiten durch verschiedene Kennlinine deutlich detaillierter abgebildet. Auch im Bereich der Verdampfer könnte durch eine Verwendung der Komponente 124 genaueres Optimierungspotential identifiziert werden, da diese eine detailliertere Berechnung des Wärmeübergangs bei Phasenwechsel abbildet.

Item URL in elib:https://elib.dlr.de/85468/
Document Type:Thesis (Master's)
Title:Jahresertragsberechnung und Exergieanalyse eines solarthermischen Kraftwerks
Authors:
AuthorsInstitution or Email of AuthorsAuthors ORCID iD
Schmitt, JanUNSPECIFIEDUNSPECIFIED
Date:July 2013
Refereed publication:No
Open Access:No
Gold Open Access:No
In SCOPUS:No
In ISI Web of Science:No
Number of Pages:86
Status:Published
Keywords:Solar Jahresertrag ebsilonProfessional Simulation Exergie
Institution:Technische Universität Darmstadt
HGF - Research field:Energy
HGF - Program:Renewable Energies
HGF - Program Themes:Concentrating Solar Systems (old)
DLR - Research area:Energy
DLR - Program:E SF - Solar research
DLR - Research theme (Project):E - Linienfokussierende Systeme (old)
Location: Stuttgart
Institutes and Institutions:Institute of Solar Research > Linienfokussierende Systeme
Deposited By: Hirsch, Dr.-Ing. Tobias
Deposited On:28 Nov 2013 11:54
Last Modified:28 Nov 2013 11:54

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