Techno-Ökonomische Optimierung des Heliostatfeldes von Solarturmkraftwerken mit Kombi-Receivern

Kurzfassung

In dem Forschungsprojekt HYGATE (Hybrid High Solar Share Gas Turbine Systems), welches sich mit der Technologieentwicklung einer solar-hybriden Gasturbinenanlage befasst, wird unter an-derem ein Kombi-Receiver (bestehend aus zwei verschiedenen Receivertypen) untersucht. Dazu sind die Heliostatfelder der einzelnen Receiver getrennt in HFLCAL berechnet und anschließend zu einem Gesamtfeld zusammengefügt worden. Dadurch wird jedoch nicht berücksichtigt, dass bei einem System mit einem Kombi-Receiver jeder Heliostat im Laufe des Tages auf beide Recei-ver zielen kann. Zudem sind die Teilfelder mit unterschiedlichen Feldparametern erstellt worden, wodurch sich ungenutzte Lücken im Feld ergeben. Auf Basis dessen und zur genaueren Untersuchung eines Solarturmkraftwerkes mit Kombi-Receiver wird in dieser Arbeit ein Optimierungsverfahren für eine gekoppelte Feldoptimierung mit dynamischer Zielpunktsteuerung für einen Kombi-Receiver entwickelt. Da derzeit keine Si-mulationssoftware für eine solche Feldoptimierung für einen Kombi-Receiver geeignet ist, wird in dieser Arbeit das Strahlverfolgungsprogramm STRAL und die Software MATLAB miteinander gekoppelt. Ferner werden für das Optimierungsverfahren verschiedene Bausteine benötigt, wie z.B. ein Receivermodell eines Kombi-Receivers für STRAL, die Implementierung eines Optimie-rungsalgorithmusses für eine dynamische Zielpunktoptimierung (Ameisen-Toolbox) oder die Weiterentwicklung des Verfahrens zur Feldauslegung mit STRAL. Die entwickelten Modelle und Optimierungsverfahren werden zunächtst in Jahresrechnungen im Vergleich mit HFLCAL validiert bevor diese in der gekopptelten Feldoptimierung mit dynamischer Zielpunktsteuerung für einen Kombi-Receiver mit den Receiverspezifikationen aus HYGATE Anwendung finden und die Ergeb-nisse sowohl energetisch als auch wirtschaftlich bewertet werden. Bei der Validierung der Modelle wird festgestellt, dass das Strahlverfolgungsprogramm STRAL in Hinblick auf den Feldwirkungsgrad und den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Receiver im Vergleich zu der Software HFLCAL genauer simuliert und eine dynamische Zielpunktsteuerung für ein System mit Kombi-Receiver ermöglicht. Ferner wird durch die Anwendung einer Zielpunk-toptmierung für ein festes Helisotatfeld eine Verbesserung des Jahresenergieertrags realisiert. Bei Betrachtung verschiedener Leistungsaufteilungen des Kombi-Receivers bei der Feldoptimie-rung sind bei niedrigen Mitteltemperaturen das größte Optimierungspotential zu beobachten. Darüber hinaus ist durch die Anwendung einer gekoppelten Feldoptimierung mit dynamischer Zielpunktsteuerung für einen Kombi-Receiver eine Senkung der Wärmegestehungskosten um etwa 8 % möglich. Grundlage dessen ist das HYGATE-Projekt sowie dessen Receivercharakteristi-ken und Leistungsverhältnis des Kombi-Receivers. Ferner stellte sich heraus, dass die Receiver-paramter aus HYGATE verbessert werden können. Bei einer zusätzlichen Feld- und Receiverop-timierung für verschiedene Leistungsaufteilungen des Kombi-Receivers ist daher eine Reduzie-rung der Wärmegestehungskosten von 10 % im Vergleich zu HYGATE möglich, was das hohe Op-timierungspotential einer Anwendung der gekoppelten Feldoptimierung mit dynamischer Ziel-punktsteuerung für ein Solarturmkraftwerk mit Kombi-Receiver verdeutlicht.