So verbessern Sie die Nutzung thermischer Energie in solarthermischen Kraftwerken: Ein umfassender Leitfaden

by

Die Nutzung thermischer Energie ist ein entscheidender Aspekt solarthermischer Kraftwerke. Um die Effizienz und Produktivität dieser Anlagen zu maximieren, ist es wichtig, die Nutzung thermischer Energie zu verbessern. Dies beinhaltet die Bewältigung verschiedener Herausforderungen wie Ineffizienzen bei der Wärmeübertragung, Probleme bei der Speicherung thermischer Energie sowie hohe Betriebs- und Wartungskosten. In diesem Blogbeitrag werden wir Strategien zur Verbesserung der thermischen Energienutzung in solarthermischen Kraftwerken untersuchen und anhand von Fallstudien erfolgreiche Umsetzungen vorstellen.

Aktuelle Herausforderungen bei der thermischen Energienutzung

Ineffizienzen bei der Wärmeübertragung

So verbessern Sie die thermische Energienutzung in solarthermischen Kraftwerken 1

Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung thermischer Energie ist die Ineffizienz der Wärmeübertragung. Solarthermische Kraftwerke basieren auf der Erfassung der Sonnenstrahlung und deren Umwandlung in nutzbare Wärmeenergie. Bei der Wärmeübertragung kann jedoch eine erhebliche Menge an Energie verloren gehen. Dies kann durch Faktoren wie Wärmeverluste in den Solarkollektoren, Wärmetauschern und Rohrleitungen verursacht werden.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, können fortschrittliche Wärmeübertragungsflüssigkeiten verwendet werden. Diese Flüssigkeiten verfügen über hervorragende thermische Eigenschaften und ermöglichen eine effizientere Wärmeübertragung. Beispielsweise hat die Verwendung geschmolzener Salze als Wärmeübertragungsflüssigkeit vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Diese Salze können höhere Temperaturen erreichen, ohne zu kochen oder zu gefrieren, wodurch höhere Temperaturunterschiede für eine verbesserte Energieumwandlung genutzt werden können.

Probleme bei der Speicherung thermischer Energie

Eine weitere Herausforderung bei der thermischen Energienutzung ist die Speicherung überschüssiger thermischer Energie. Solarthermische Kraftwerke stehen oft vor dem Problem einer schwankenden Energieversorgung, da die Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf schwankt. Um dies zu überwinden, sind effiziente thermische Energiespeichersysteme erforderlich.

Eine wirksame Lösung ist der Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCMs) zur thermischen Energiespeicherung. PCMs können während des Phasenwechselprozesses große Energiemengen absorbieren und abgeben, was eine effiziente Speicherung und Nutzung thermischer Energie ermöglicht. Beispielsweise kann Paraffin beim Schmelzen große Energiemengen speichern und beim Erstarren wieder abgeben, sodass auch bei unzureichender Sonneneinstrahlung eine kontinuierliche Versorgung mit Wärmeenergie gewährleistet ist.

Hohe Betriebs- und Wartungskosten

So verbessern Sie die thermische Energienutzung in solarthermischen Kraftwerken 2

Bei solarthermischen Kraftwerken können zudem hohe Betriebs- und Wartungskosten anfallen, die die effiziente Nutzung der thermischen Energie behindern können. Diese Kosten können durch Faktoren wie regelmäßige Inspektionen, Reinigung von Solarkollektoren und Wartung von Wärmetauschern und Pumpen entstehen.

Um diese Kosten zu reduzieren, können automatisierte Überwachungs- und Wartungssysteme implementiert werden. Diese Systeme nutzen Sensoren und fortschrittliche Steuerungsalgorithmen, um die Leistung der Anlage zu überwachen und etwaige Anomalien oder Probleme zu erkennen. Durch die Automatisierung der Wartungsprozesse kann der Bedarf an manuellen Inspektionen und Eingriffen minimiert werden, wodurch die Betriebs- und Wartungskosten gesenkt werden.

Strategien zur Verbesserung der thermischen Energienutzung

Verbesserung der Effizienz von Wärmeübertragungssystemen

1. Verwendung fortschrittlicher Wärmeübertragungsflüssigkeiten

Wie bereits erwähnt, kann der Einsatz fortschrittlicher Wärmeübertragungsflüssigkeiten die Effizienz der Wärmeübertragung in solarthermischen Kraftwerken erheblich steigern. Diese Flüssigkeiten haben bessere thermische Eigenschaften, was größere Temperaturunterschiede und eine effizientere Energieumwandlung ermöglicht.

2. Optimierung des Wärmetauscherdesigns

Eine weitere Strategie zur Verbesserung der Effizienz der Wärmeübertragung besteht in der Optimierung des Wärmetauscherdesigns. Wärmetauscher spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung thermischer Energie von den Solarkollektoren auf das Arbeitsmedium. Durch die Optimierung der Designparameter wie Wärmeübertragungsfläche, Durchflussraten und Rohrabmessungen kann die Gesamteffizienz der Wärmeübertragung erheblich verbessert werden.

Verbesserung der thermischen Energiespeicherung

1. Verwendung von Phasenwechselmaterialien zur Lagerung

Wie bereits erwähnt, können Phasenwechselmaterialien (PCMs) zur effizienten Speicherung thermischer Energie verwendet werden. Durch den Einsatz von PCMs mit geeigneten Schmelz- und Erstarrungstemperaturen kann die Wärmeenergie effektiv gespeichert und abgegeben werden. Dadurch ist eine kontinuierliche Versorgung mit thermischer Energie auch in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung gewährleistet.

2. Implementierung fortschrittlicher thermischer Energiespeichersysteme

Zusätzlich zu PCMs können fortschrittliche thermische Energiespeichersysteme implementiert werden, um die Nutzung thermischer Energie weiter zu verbessern. Diese Systeme nutzen Technologien wie Wärmespeichertanks, Speichersteine ​​für Wärmeenergie oder Speichersysteme für geschmolzenes Salz. Durch den Einsatz dieser fortschrittlichen Speichersysteme kann die Wärmeenergie über längere Zeiträume gespeichert und entsprechend den Anforderungen der Anlage abgegeben werden.

Reduzierung der Betriebs- und Wartungskosten

1. Einsatz automatisierter Überwachungs- und Wartungssysteme

Um die Betriebs- und Wartungskosten zu senken, können solarthermische Kraftwerke automatisierte Überwachungs- und Wartungssysteme implementieren. Diese Systeme überwachen kontinuierlich die Leistung der Anlage, erkennen etwaige Probleme oder Anomalien und lösen bei Bedarf Wartungsmaßnahmen aus. Dies gewährleistet zeitnahe Eingriffe und reduziert den Bedarf an manuellen Inspektionen, was zu Kosteneinsparungen führt.

2. Umsetzung energieeffizienter Betriebspraktiken

Auch energieeffiziente Betriebspraktiken können dazu beitragen, die Betriebskosten in solarthermischen Kraftwerken zu senken. Dazu gehört die Optimierung des Betriebsplans der Anlage im Hinblick auf die Verfügbarkeit der Sonneneinstrahlung, die Umsetzung energiesparender Maßnahmen wie Wärmedämmung und die Einführung effizienter Betriebsabläufe. Durch die Minimierung der Energieverschwendung und die Optimierung der Energienutzung können die Betriebskosten erheblich gesenkt werden.

Fallstudien zur erfolgreichen Verbesserung der thermischen Energienutzung

Fallstudie 1: Verbesserte thermische Energienutzung in einem konzentrierten Solarkraftwerk

In einem konzentrierten Solarkraftwerk wurde die Effizienz der thermischen Energienutzung durch den Einsatz fortschrittlicher Wärmeübertragungsflüssigkeiten erheblich gesteigert. Durch den Ersatz herkömmlicher Wärmeübertragungsflüssigkeiten durch geschmolzene Salze erzielte die Anlage höhere Temperaturunterschiede und eine verbesserte Energieumwandlungseffizienz. Dies führte zu einer erhöhten Stromerzeugung und einer verbesserten Gesamtleistung der Anlage.

Fallstudie 2: Verbesserte Effizienz in einem Solarturmkraftwerk

In einem Solarturmkraftwerk wurde die thermische Energienutzung durch den Einsatz fortschrittlicher thermischer Energiespeichersysteme verbessert. Durch den Einsatz von Salzschmelze-Speichersystemen war die Anlage in der Lage, überschüssige Wärmeenergie zu speichern und bei Bedarf abzugeben. Dies ermöglichte eine kontinuierliche Stromerzeugung auch in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung und verbesserte den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Diese Fallstudien verdeutlichen die Wirksamkeit verschiedener Strategien zur Verbesserung der thermischen Energienutzung in solarthermischen Kraftwerken. Durch die Umsetzung dieser Strategien können solarthermische Kraftwerke höhere Wirkungsgrade bei der Energieumwandlung erzielen, Betriebs- und Wartungskosten senken und eine zuverlässigere und nachhaltigere Energieversorgung gewährleisten.

Numerische Probleme zur Verbesserung der thermischen Energienutzung in solarthermischen Kraftwerken

Problem 1

Ein solarthermisches Kraftwerk verfügt über einen Solarkollektor mit einer Fläche von 500 m². Der Solarkollektor hat einen Wirkungsgrad von 80 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie. Die Intensität der auf den Kollektor einwirkenden Sonnenstrahlung beträgt 1000 W/m². Berechnen Sie die vom Kollektor in 1 Stunde aufgenommene Wärmeenergie.

Lösung:

Gegeben:
– Solarkollektorfläche, A = 500 m²
– Wirkungsgrad des Solarkollektors, η = 80 %
– Intensität der Sonnenstrahlung, I = 1000 W/m²
– Zeit, t = 1 Stunde

Die vom Kollektor aufgenommene Wärmeenergie lässt sich nach folgender Formel berechnen:

E_{\text{thermisch}} = A \cdot I \cdot \eta \cdot t

Ersetzen der angegebenen Werte:

E_{\text{thermisch}} = 500 \, \text{m²} \cdot 1000 \, \text{W/m²} \cdot 0.8 \cdot 1 \, \text{Stunde}

E_{\text{thermisch}} = 400,000 \, \text{J}

Daher beträgt die vom Kollektor in einer Stunde aufgenommene Wärmeenergie 1 J.

Problem 2

So verbessern Sie die thermische Energienutzung in solarthermischen Kraftwerken 3

Ein solarthermisches Kraftwerk nutzt einen Wärmetauscher, um thermische Energie in Strom umzuwandeln. Der Wärmetauscher hat einen Wirkungsgrad von 60 % bei der Umwandlung von Wärmeenergie in Strom. Wenn der Wärmeenergieeintrag in den Wärmetauscher 500,000 J beträgt, berechnen Sie die Stromabgabe des Wärmetauschers.

Lösung:

Gegeben:
– Wirkungsgrad des Wärmetauschers, η = 60 %
– Wärmeenergieeintrag in den Wärmetauscher, E_{text{thermal}} = 500,000 J

Die Stromleistung des Wärmetauschers lässt sich nach folgender Formel berechnen:

E_{\text{elektrisch}} = E_{\text{thermisch}} \cdot \eta

Ersetzen der angegebenen Werte:

E_{\text{electric}} = 500,000 \, \text{J} \cdot 0.6

E_{\text{electric}} = 300,000 \, \text{J}

Daher beträgt die Stromleistung des Wärmetauschers 300,000 J.

Problem 3

Ein solarthermisches Kraftwerk verfügt über ein thermisches Energiespeichersystem, das bis zu 1,000,000 J thermische Energie speichern kann. Das System hat einen Wirkungsgrad von 70 % bei der Speicherung und Rückgewinnung thermischer Energie. Wenn das System mit Wärmeenergie mit einer Rate von 200,000 J/Stunde geladen wird, berechnen Sie die Zeit, die zum vollständigen Laden des Wärmeenergiespeichersystems benötigt wird.

Lösung:

Gegeben:
– Maximale Speicherkapazität für thermische Energie, E_{text{max}} = 1,000,000 J
– Wirkungsgrad des thermischen Energiespeichersystems, η = 70 %
– Laderate der thermischen Energie, r = 200,000 J/Stunde

Die Zeit, die benötigt wird, um den thermischen Energiespeicher vollständig aufzuladen, lässt sich mit der Formel berechnen:

t = \frac{E_{\text{max}}}{r \cdot \eta}

Ersetzen der angegebenen Werte:

t = \frac{1,000,000 \, \text{J}}{200,000 \, \text{J/Stunde} \cdot 0.7}

t \ungefähr 7.14 \, \text{Stunden}

Daher dauert es ca. 7.14 Stunden, bis der thermische Energiespeicher vollständig aufgeladen ist.

Lesen Sie auch: