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Solarthermische Kraftwerke: Parabolrinnenkraftwerk

von Timo Kachel (Autor) Jannik Spatz (Autor) Daniel Armbruster (Autor)

Projektarbeit 2011 56 Seiten

Physik - Physik allgemein

Leseprobe

INHALTSVERZEICHNIS

1.0. AUFGABENSTELLUNG
1.0.1. WESHALB NEUE ENERGIEGEWINNUNGSMETHODEN?
1.0.2. ABER WESHALB SONNENENERGIE?

1.1. SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE
1.1.1. SOLARTURM ANLAGEN
1.1.2. PARABOLRINNEN ANLAGEN

1.2. AUFBAU DES PARABOLRINNENKRAFTWERKES

1.3. SCHEMATISCHER AUFBAU
1.3.1. DAS SOLARFELD (AM BEISPIEL ANDASOL 3)
1.3.2. DER SPEICHER
1.3.2.1. FUNKTIONSPRINZIP DES SPEICHERS
1.3.3. DER WÄRMETAUSCHER
1.3.3.1. FUNKTIONSPRINZIP DES WÄRMETAUSCHERS
1.3.4. DAMPFTURBINE UND STROMGENERATOR
1.3.4.1. FUNKTIONSPRINZIP DER DAMPFTURBINE
1.3.5.1. DAS FUNKTIONSPRINZIP DES STROMGENERATORS
1.3.6. DER KONDENSATOR
1.3.6.1. DAS FUNKTIONSPRINZIP DES KONDENSATORS

1.4. LEISTUNG UND WIRKUNGSGRAD
1.4.1. LEISTUNG EINES PARABOLRINNENKRAFTWERKES
1.4.2. WIRKUNGSGRAD EINES PARABOLRINNENKRAFTWERKES

1.5. STANDORTE

2.0 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN
2.0.1. DAS AUGE
2.0.2. REFLEXIONSGESETZ
2.0.2.1. DIE GERICHTETE REFLEXION
2.0.2.2. DIE DIFFUSE REFLEXION
2.0.2.3. REFLEXION VON LICHTSTRAHLEN
2.0.3. DER HOHLSPIEGEL (KONKAVSPIEGEL)
2.0.3.1. ENTSTEHUNG DES REELLEN BILDES
2.0.3.2. ENTSTEHUNG DES VIRTUELLEN BILDES
2.0.3.3. DIE ABBILDUNGSGLEICHUNG DES HOHLSPIEGELS
2.0.4. DER WÖLBSPIEGEL (KONVEXSPIEGEL)
2.0.5. SNELLIUSSCHES BRECHUNGSGESETZ
2.0.5.1. ERKLÄRUNG DES BRECHUNGSGESETZES ANHAND BSP
2.0.6. TOTALREFLEXION UND GRENZWINKEL
2.0.7. DIE PARABEL
2.0.7.1. DIE ALLGEMEINE GLEICHUNG EINER PARABEL
2.0.7.2. DER STRECKUNGSFAKTOR
2.0.7.3. VERSCHIEBUNG AUF DEM Y-ACHSENABSCHNITT
2.0.7.4. VERSCHIEBUNG AUF DER X-ACHSE/Y-ACHSE
2.0.8. DER BRENNPUNKT

3.0. KERNKRAFT
3.0.1. GESCHICHTE DER ATOMKRAFT
3.0.2. REAKTOREN UND IHRE FUNKTION
3.0.2.1. DER SIEDEWASSERREAKTOR
3.0.2.2. DER DRUCKWASSERREAKTOR
3.0.2.3. DER SCHWERWASSERREAKTOR
3.0.3. FUNKTIONSPRINZIP DER KERNSPALTUNG
3.0.3.1. DER KERNBRENNSTOFF
3.0.3.2. URANANREICHERUNG
3.0.3.3. DER MODERATOR
3.0.3.4. DIE KERNSPALTRUNG
3.0.3.5. ZERFALLSARTEN
3.0.4. DER ATOMAUSSTIEG
3.0.4.1. DAS VORGESCHEHEN
3.0.4.2. DAS ATOMAUSSTIEGSGESETZ
3.0.5. ENERGIEEFFIZIENZ
3.0.5.1. ENERGIETRÄGER IN DEUTSCHLAND
3.0.6. WIRTSCHAFTS- UND UMWELTASPEKTE
3.0.6.1. KOSTENFAKTOR
3.0.7. RISIKEN DER KERNENERGIE

4.0. PRAKTISCHER TEIL: BAU EINER PARABOLRINNE
4.0.1. CAD PLÄNE
4.0.2. BILDER VOM BAU

1.0. AUFGABENSTELLUNG

1.0.1. WESHALB NEUE ENERGIEGEWINNUNGSMETHODEN?

Die gesamte Welt ist abhängig von konventionellen Energieträgern wie Erdgas, Kohle oder Erdöl.

Da die Vorräte an fossilen Brennstoffen endlich sind müssen zwangsläufig neue Energiegewinnungsmethoden entwickelt werden.

1.0.2. ABER WESHALB SONNENENERGIE?

Die Sonne liefert jährlich eine Milliarde TWh Energie. Diese Menge an Energie übersteigt den momentanen Weltenergiebedarf um das 60.000 Fache.

Daher steckt in der Solarenergie ein riesiges Potenzial, verglichen mit anderen neuartigen Energiegewinnungsmethoden.

Der weitere große Vorteil von Sonnenkraftwerken ist, dass es viel effizienter und kostengünstiger ist Wärme anstelle von Strom zu speichern.

Solarthermische Kraftwerke werden in 2 Kategorien unterteilt

- Parabolrinnenkraftwerk
- Solarturm

Das Funktionsprinzip ist bei beiden dasselbe, nur der Aufbau der Anlagen unterscheidet sich maßgeblich.

Wir haben uns in unserer Projektarbeit für das Parabolspiegelkraftwerk entschieden, weil wir denken, dass dies ein Kraftwerk ist, welches durch seine lange Erprobungszeit mittlerweile serienreif ist und die größten Chancen hat uns unabhängig von konventionellen Kraftwerken zu machen.

1.1. SOLARTHERMISCHE KRAFTWERKE

1.1.1. SOLARTURM ANLAGEN

Bei diesen Anlagen folgen viele flache Siegel dem Sonnenverlauf bündeln das Licht an der Spitze eines Turmes. Diese ca. 1m² große Fläche erhitzt sich auf bis zu 1000°C. Über einen Wärmetauscher entsteht so Dampf, welcher eine herkömmliche Turbine antreibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten1

1.1.2. PARABOLRINNEN ANLAGEN

Bei Parabolrinnen Anlagen werden Parabolrinnen so aufgestellt, dass sie den ganzen tag dem Sonnenverlauf folgen können indem sie sich kippen. Die sonne trifft im rechten Winkel auf die Spiegelfläche auf und wird auf den Absorber gebündelt. Die Flüssigkeit im Absorber erhitzt sich auf bis zu 400° und über ein Wärmetauscher wird auch hier Dampf erzeugt welcher eine Turbine antreibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten2

1.2. AUFBAU DES PARABOLRINNENKRAFTWERKES

Der Wichtigste Teil eine Parabolrinnenkraftwerkes besteht aus dem Solarfeld, welches den Dampf für die Turbine liefert.

Die Parabelförmigen Spiegel werden in parallel in Nord-Süd Richtung aufgestellt, da sie kippbar montiert werden, können sie dem Sonnenverlauf von Osten nach Westen folgen um jederzeit die beste Ausrichtung zur Sonne zu haben.

Die Spiegel bestehen aus parabelförmigen, silberbeschichteten Glas.

Durch diese Parabelförmigkeit, werden die rechtwinklig auftreffenden Sonnenstrahlen 80fach auf das Absorberrohr reflektiert.

Innerhalb dieses Absorberrohres zirkuliert ein Wärmeträgermedium, in einem ge- schlossen System, welches durch die konzentrierten Sonnenstrahlen auf bis zu 400° erhitzt wird.

Dieses erhitze Trägermedium fließt nun durch einen Wärmetauscher in diesem Wärmetauscher erhitzt das Trägermedium Wasser.

Das verdampfende Wasser treibt eine Dampfturbine an, welche den Strom erzeugt.

Der Dampf aus der Turbine wird wieder zu Wasser kondensiert und somit dem Kreislauf zurückgeführt um den Wasserverbrauch möglichst gering zu halten.

1.3. SCHEMATISCHER AUFBAU

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten3

1.3.1. DAS SOLARFELD (AM BEISPIEL ANDASOL 3)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten4

Das Solarfeld ist das wichtigste Bauteil des Kraftwerks. Zudem nimmt es am meisten Platz ein. Bei dem Kraftwerk Andasol 3 hat das Solarfeld eine Größe von 497.040m² Spiegelfläche. Diese Fläche entspricht 204.288 Spiegeln.

Die Spiegel folgen dem Sonnenverlauf, um jederzeit eine perfekte Stellung zur Sonne zu ermöglichen.

Nur wenn die Sonnenstrahlen exakt im rechten Winkel auf die Spiegelfläche auftreffen, werden sie am Absorber gebündelt.

1.3.2. DER SPEICHER

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten5

WESHALB THERMISCHE SPEICHER?

Physikalisch ist es viel effizienter und kostengünstiger Wärme zu speichern, anstelle von elektrischer Energie.

Um sicherzustellen, dass auch Energie erzeugt werden kann, wenn keine Sonne scheint, besitzen die Andasol-Kraftwerke einen thermischen Speicher.

Die Tanks sind 14m hoch, haben einen Durchmesser von 36m und sind mit einem Salzgemisch aus 60%Natriumnitrat (NaNO3) sowie 40% Kalium gefüllt.

1.3.2.1. FUNKTIONSPRINZIP DES SPEICHERS

Während der Sonnenstunden wird ein Teil der produzierten Wärme dazu genutzt, einen der beiden Salzspeicher auf ca. 290° Grad zu erhitzen.

Die Wärme kann so einige Tage in den Salzspeichern gespeichert werden.

Wenn Nachts keine Sonne mehr auf die Spiegel scheint, wird das Salzgemisch von dem "kalten"-Speicher in den "heißen"-Speicher umgepumpt.

Beim Mischen der beiden Salzgemische entsteht eine chemische Reaktion, welche das Salzgemisch auf bis zu 390° erhitzt. Diese Hitze reicht aus, um das Kraftwerk für ca. 8 Stunden weiter zu betreiben, ohne dass die Sonne scheint.

Durch diese Speicher erweitert sich die jährliche Nutzung, sodass das Kraftwerk 24h Strom erzeugen kann.

Taschenwärmer funktionieren nach dem gleichen Prinzip

1.3.3. DER WÄRMETAUSCHER

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten6

Der Wärmetauscher oder auch Wärmeübertrager, ist ein Gerät welches die thermische Energie von einem Kreislauf auf den Anderen überträgt.

1.3.3.1. FUNKTIONSPRINZIP DES WÄRMETAUSCHERS

Das Prinzip des Wärmetauschers ist es, die Wärme eines geschlossenen Systems an ein 2. System zu übertragen.

Das geschlossene Rohrsystem ist mit dem erhitzten Wärmeträgermedium gefüllt. Dieses Medium wird durch mehrfach geschlungene Leitungen in ein geschlossenes Wasserbecken geführt. Bedingt durch die große Oberfläche der Rohre, wird die Wärme des im Rohrsystem befindlichen Mediums an das Wasserbecken abgegeben.

Das Wärmeträgermedium im Rohrsystem zirkuliert langsam, sodass es wenn es aus dem Wärmetauscher zurück in den Absorber läuft wieder Umgebungstemperatur hat. Für eine gute Effizienz muss das Material, welches die beiden Systeme trennt, sehr gute Wärmeleiteigenschaften und eine große Oberfläche haben. Für die große Oberfläche sorgen die geschwungenen Rohrleitungen. Als Material wird meist Metall oder Kupfer benutzt, da diese eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen.7

1.3.4. DAMPFTURBINE UND STROMGENERATOR

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten8

1.3.4.1. FUNKTIONSPRINZIP DER DAMPFTURBINE

Durch das Sieden von Wasser entsteht Wasserdampf. Wasserdampf hat eine deutlich niedrigere Dichte als Wasser, deshalb entsteht Druck da:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieser Wasserdampf wird nun durch Düsen geleitet und trifft mit hoher kinetischer Energie auf die angewinkelten Turbinenschaufeln des Laufrades. Dadurch, dass der Druck von vorne auf die Schaufeln kommt und die Schaufeln angewinkelt sind, werden sie zur Seite weggedrückt. Das Laufrad wird nun in Bewegung versetzt, der Dampf verrichtet Beschleunigungsarbeit.

Um eine optimale Nutzung der noch hohen kinetischen Energie am Eintrittspunkt zu gewährleisten, werden die Turbinenschaufeln speziell angepasst um diese Energie möglichst effizient zu nutzen. Am vorderen Teil der Turbine sind die Schaufeln kürzer als im hinteren Teil. Diese Turbinenbauweise ermöglicht es dem Dampf durch die ge samte Turbine zu strömen. 9

1.3.5. DAMPFTURBINE UND STROMGENERATOR

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten10

[...]


1 Vgl. http://www.dlr.de/DesktopDefault.aspx/tabid-6214/10201_read-15502/10201_page-2/gallery- 1/gallery_read-Image.1.7896/

2 Vgl. http://www.photovoltaik-guide.de/solar-millennium-bestaetigt-ergebnis-fuer-das-abgelaufene- geschaeftsjahr-17079

3 Vgl. http://www.solarmillennium.de/upload/Download/Technologie/Andasol1-3deutsch.pdf 4

4 Vgl. http://www.solarmillennium.de/upload/Download/Technologie/Andasol1-3deutsch.pdf

5 Vgl. http://www.solarmillennium.de/upload/Download/Technologie/Andasol1-3deutsch.pdf

6 Vgl. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a8/WTU-Email.jpg

7 Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme%C3%BCbertrager 8

8 Vgl. http://www.stahl-

9 Vgl. http://www.vias.org/kas/de/steam_turbine.html

10 Vgl. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/Generator.png

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