Stirlingmotor im Fokus

Solarkraftwerk
im Fokus
Stirlingmotor
im Dauertest
in Saudi-Arabien
NeuartigesSolarkraftwerk
HauptstadtRiyadhein auf 18 MonatebefriSeitApril diesesJahresläuft im SolarVillagenaheder saudi-arabischen
die zahlreicheNeuheitenund Vorzügefür sich in Anspruchnehmenkann.KonsteterDäuertestmit einerSolaranlage,
zipiertwurdesie von dem StuttgarterlngenieurbüroSchlaichund Partner.DasProiektist in die zwischender Bundesauf demGebietwissenschaftvereinbartenZusammenarbeit
republikDeutschlandund dem KönigreichSaudi-Arabien
liiher Forschungund technologischerEntwicklungeingebunden.Das nachfolgendvon den Urhebernbeschriebene
in
bespannteGroßkonzentratoren
soll den Nachweiserbringen,daßsich mit Metallmembranen
Forschungsvorhaben
zur solarenGewinnungelektrischerEnergiekombinierenlassen.- Das
mit Stirling-Energiewandlern
Leichtbauweise
TitelbilddieserAusgabezeigtdie beidenin RiyadhaufgestelltenKraftwerke.
ist
von positiongefahren.Angeschlossen
Bei einer Sonneneinstrahlung
mit
Hochtemperatur-Energiewandlung
die Direktstrahlung,
ist 1000Wim2erhältman damiteineauf eineWetterstation,
Spiegelsystemen
konzentrierenden
Lufttemperatur
Leistungvon Windgeschwindigkeit,
undef- den Receiverreflektierte
aussichtsreiche
einebesonders
bemitanderen
Zusammen
usw.erfaßt.
fektiveArt der Erzeugungvon elektri- 178,6 kW. Die Abstrahlungsverluste
Das dortbetragenbei der Betriebstempera-triebsrelevantenMeßwertenwerden
schemStromaus Sonnenenergie.
und NeuediesesSystems turvon70ö"Crund36 kW.Dadurchste- dieseDatenlaufendaufgezeichnet.
Besondere
kanl im Handbetrieb,
DieSteuerung
142,6kW therdie hen dem Stirlingmotor
ist die Bauartdes Konzentrators,
und im Autodie elektrische im Halbautomatikbetrieb
er- mischzur Verfügung,
sehr großeReflektorabmessungen
lm Autogefahren
werden.
matikbetrieb
kW.
Nach
54,5
Bruttoleistung
belräg'i
möglicht. Der unterdruckgestützte,
wirddieAnlagevollständig
können matikbetrieb
Metallmem- Abzug der Eigenveibraucher
dünnglasspiegel-laminierte
Überwacht.
wer- von der Zentralsteuerung
hateinenDurchmes- etwa32 kW in-sNetzeingespeist
bran-Konzentrator
TagfürTagbeieinervorgeSiebeginnt
ser von 17 m und gestattetKonzentra- oen.
über 2000 Sonnen.AIs
tionsfaktoren
diist ein Stirlingmotor
Energiewandler
rekt im Brennfleckdes Konzentrators
mit einem
und unmittelbar
aufgehängt
gekoppelt.
Generator
ist in einemschieDer Konzentrator
Drehstand
aus Stahlrohnengeführten
daß er durchzwei
ren so augehängt,
Motoren,mitAzimut-undElevationsantrieb, der Sonne nachgeführt
..werden
unddieUberwakann.DieNachführung
chungder für den Betriebbenötigten
jeweils
voneinemzenlraDatenwerden
gesteuert.
Die beilen Rechnersystem
daßsie
sindso ausgelegt,
denAnlagen
und soeinzelnvölligautarkbetrieben
alsauchmit
wohlim Netzoarallelbetrieb
gefahim Inselbetrieb
Batteriespeicher
renwerdenkönnen.
k et sl V e m b r a n h oshp e g e lu n dS t r r n g m o t o irr nF o k u s
S c h e m ast i e r t eA n s l c het i n e s5 0 - k W - S o l a r k r a f t w e rm
TechnischeDaten
(gültig
von
füreineSonneneinstrahlung
1000W/m2)
Konzentratordurchmesser 17 m
227m2
Konzentratorfläche
95 %
nutzbareSpiegelfläche
desSpiegels(gereinigt)
Reflektivität
9 2 %
600
Konzentrationsfaktor(imMittel)
13,6m
Brennweite
läche
Auffangfaktorder Receiverf
9 0 %
Konzentratorwirkungsgrad 78,7%
42 %
Stirlingwirkungsgrad
91 %
Geneätorwirkungsgrad
(gesamt)
23,1%
Wirkungsgrad
36 kW
Receiververluste
2 kW
Eigenverbrauch
Windgeschwindigkeiten
Zulässige
50 km/h{
fürStromerzeugung
80 km/h
für Fahrbetrieb
160km/h
zumÜberleben
4/86
18 Sonnenenergie
wähltenWeckzeitund nimmtden Behohe
triebauf,sobaldeineausreichend
desSystemsist Einstrahlung
DieZentralsteuerung
vorhandenist; abends
allerEinzelkompo-wirddie Anlageselbständig
für die Koordination
wiederabnentenund damitfür das einwandfreie geschaltet.
zuFunktionieren
des Konzentrators
ständig. lhre Hauptaufgabeist die
Steuerungdes optimiertenNachlaufs Unterdrucksystem
Sichersowiedes sehr weitgehenden
DerUnterdruck
in demKonzentratorDie Nachlaufsteuerunggehäusemußnur20 bis25 mbarbetraheitssystems.
wird durch einen Rechenalgorithmus
gen, um eine ausreichende
Stabilisieoeführtundsteuertdie beidenMotoren rungderMembran
Jesicherzu stellen.
äes Azimut-und Elevationsantriebes.der Konzentrator
ist mit einereigenen
DamitwirdeinesehrgenauePositionie- kleinenUnterdruckanlage
ausgerüstet.
zur Sonneer- Beidenkleinen
rungdes Konzentrators
istderEnergieDrücken
reicht,um stetsdie maximalmögliche verbrauchzum Aufrechterhalten
des
a) erzielen. Die Unterdrucks
Ausgangsleistung
gering.
vernachlässigbar
arbeitet mit zwei
Nachlaufsteuerung
die
Winkelschrittgebern,
hochgenauen
rück- Energiewandlersystem
Position
desSpiegels
diejeweilige
melden.
mit Stirlingmotor
Die Zentralsteuerungüberwacht
wird ein
und
Als Energiewandlersystem
Kontrollauch das eigenständige
Fürdie Hocheingesetzt.
Steuersystem des Stirling-Energie-Stirlingmotor
inswandlers.lm FalleeinerStörungdes temperatur-Energieumwandlung,
oder des Konzentrators besonderebei kleinerenLeistungen,
Stirlingmotors
aus der stellter dasSystemmitdemgrößtenerwird der Spiegelautomatisch
Wirkungsgrad
dar. lm ProSonneinseineNacht-oderUberlebens- reichbaren
Steuerelektronik
Solarkraftwerk
bebetriebwurden Wirkunqsqrade
bis
42o/. erreicht.In dem soe-ziät
für den
qlckse t?n
Ufterdruck
Parl a Vacurr'
' r . e m b T a f, o
Solarbetrieb
entwickelten
RöhrenreceiBear lv4,orrlr.ar,.
ver wirdals Arbeitsgas
Wasserstoff
auf
rund700"Cerhitzt.DermittlereArbeitsdruckbeträgtbei Vollastetwa140bar.
Das Stirlingsystem
ist mit einerselbständigen
KontrollundSteuerungseinheit ausgestattet,
die den Motorregelt
undüberwacht
sowieFehlerandieZentralsteuerung
weitermeldet.
Da wederder Stirlingmotor
nochder
gekoppelteAsynchrongenerator
eine
eigene Drehzahlbegrenzung
ermöglichen,wirdfürden Betrieb
desEnergiewandlersystemsdie konstante FrequenzeinesStromnetzes
benötigt.lm
Netzparallelbetrieb
wirddiesedurchein
äußeresNetz bereitgestellt,
in das die
erzeugteLeistungabgegeben
wird.lm
Inselbetrieb,
d.h.Versorgung
von VerMembranspiegel
brauchern
ohneein solchesNetz,wird Derunterdruck-stabilisierte
die FrequenzdurcheinenUmformer- Solarkonzentratoren
für den Einsatz
zur Hochtemperaturwandluno
müsseneine
satz aufrechterhalten,
der von einem definierte
Reflektorgeometrie
von hoherPräzision
aüfweisen.
SolchöKonzentratogespeistwird.Je nachBe- renwerdenbereitsmitgroßenAbmessungen
Batteriesatz
in derKommunikationstechnik
eingedarfder Verbraucher
werdendie Batte- setzt.Dieübliche
Bauweise
miteinzelnen
Facetten
aufeinerkomolizier[en
iustierten
rien über den Umformersatz
mit über- räumlichen
Tragstruktur
istjedochsehraufwendig
undkostenintensiv.
geladen
schüssiger
Energie
oderunter- VonSchlaich
undPartner
wurdeseit1976eineneueMethode
zurHerstelluno
orostützenden Energiewandler
bei der ßerKonzentratoren
entwickelt.
Diesebestehen
aushomogenen
Metallmembrärien,
Versorgung.Der Batteriesatzdient die nuran ihremRandgehalten
geformtundstabilisiert
sindundpneumatisch
wergleichzeitig
der Versorgung
wichtiger den.DabeierglbtsichdiepräziseReflektorstruktur
beiVerwendung
dergeeigneten
Eigenverbraucher
wie Antriebe,Zen- Werkstoffe
von selbst.
oraktisch
tralsteuerung
und Unterdruckanlagen,Dieunterdruckstabilisierte
undmitDünnglasspiegeln
von0,6mmDickelaminierte
auch bei Netzparallelbetrieb.
Dadurch Reflektorfläche
istaußerordentlich
stabilundwiderstandsfähig
gegenüber
äußeren
werden kritische Situationendurch Belastungen
wieWind,Hagel,SandundTemperaturänderungeh.Dadurch
können
Netzausfälle
vermieden.
nachdieserMethode
großflächige,
extremleichte,
aberdennobh
widerstandsfähige
und optischpräziseReflektoren
gebautwerden.Durchdie Leichtbauweise
lassen
Möglichkeitenfür
sichauchdieKostenfürAntriebe,
Gelenke
undNachführunq
niedrio
halten.
Dasneu
entwickelte
Herstellverfahren
erlaubtdie Fertigung
am Aufötellort.-Dadurch
können
kommerziellenEinsatz
die Abmessungen
im Hinblickauf die Kosteiopämierung
sehrgroßgewähltund
Elektrischer
Strom,ausSonnenener-gleichzeitig
durchden Einsatzregionaler
Arbeitskräfte
gesenkt
die Herstellkosten
gie gewonnen,
wirdals regenerierbare
werden.
Energie
gezunehmend
an Bedeutung
winnen.DerEinsatzbereich
fürdenMetallmembran-Konzentrator
mit StirlinoEnergiewandler
wirdin der dezentraleln lungdurchStirlingmotoren
und wegen d e n V o r t e i l ,d a ß d i e s e B a u w e i s e n u r
Stromerzeugung
für Oasen,Einzeldör- derdadurch
niedrigen
Systemkosten
ist eine einfacheTechnoloqieerfordert.Mit
fer oder in Industrieund Meerwasser- einesolcheAnwendunq
relativkurzfri- einem sorgfältig gepla-ntenTechnoloentsalzungsanlagen
biszu einerGrößen- stig durchsetzbar.
wenineine ausrei- g i e t r a n s f e rk ö n n e n d e s h a l b a u c h i n
ordnung
von20 MW möglich
sein.
chende Betriebssicherheit
und Wirt- N i e d r i g l o h n l ä n d e rdne r D r i t t e n W e l t ,
Geradedurch die Verbinduno
von schaftlichkeit
durchLangzeittests
nach- v o n d e n e n v i e l e i n s o n n e n r e i c h e nR e leichten,
gewiesen
billigenMembrankonzeötratowerdenkann.Weiterhin
bie- g i o n e nl i e g e n M
, etallmembran-Konzenren mit einerHochtemperaturumwandtendie Metallmembran-Konzentratoren
tratorenzum Einsatzkommen.
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Wasserstoff
als Arbeitsmedium
in Heiz-und Kühlsystem
'l
Folgtman einemBerichtder Japan entsprechend
der umgekehrte
Prozeß der rationellen
und umweltschonenden
ExternalTradeOrganization
(JETRO), ab. Das Systemeignesichfolglichim Energienutzung
gewidmet
sind.40 Proso ist in Japanein regelrechter
Entwick- WinterzuHeizzwecken
undimSommer zentderMittelsollenfür Proiekte
zurralungswettbewerb
ausgebrochen,
derei- zur Gebäudekühlung.
Als Eingangs- tionellenEnergienutzung
alfgewendet
ner,,Hydrogen
HeatExchange
andSto- energiewerdelediglich
Stromfur den werden,25 Prozenlfür einheimische
rage Unit"(HHESU)gilt (Wasserstoff-Verdichter
benötigt.
DieHokkaido
Elec- underneuerbare
Energien,
vornehmlich
Wärmetauschund Speichereinheit).
tric Power Company,heißt es zum die Sonnenenergie,
25 Prozentfür
Detailssindder Veröffentlichuno
nicht Schluß,
planejetztaufder Basisdieses Energietechniken
wie Wärmepumpen,
zu entnehmen.Zum phvsikaiischenSystemsdie Versorgung
einesganzen Wärmerückgewinnung.
Wärme-KraftPrinzipheißtes, daßWaäserstoff
durch Wohngebietes
mitWärmeundKälte.
Kopplung
undEnergiespeicherung.
Rohrleitungen
gepumptwerde,die als
ln einemBerichtder NeuenZürcher
Wärmetauscher
wirken.In ihnenundin
Zeitung
werdenBeispiele
genannt:
Nutder AnlagespielenTitan-Eisenund Schweizsetztweiterauf
zungder Sonnenenergie
zurTrinkwasMagnesium-Nickel-Legierungen
in Versererwärmung
in derZollschule
Liestal,
iesparen
bindungmit ,,anderen
Metallen"eine Energ
wissenschaftliche
Auswertung einer
Rolle.
Ein vom Eidgenössischen
Depart- neuerstellten
Wärmepumpe
anderETH
Kühleman die Anlageund erhöhe mentdes Innernerarbeitetes
Konzeot Zürich,Wärmepumpen
mit Rieselvermangleichzeitig
denDruckin ihr,absor- siehtfür dieZeitvon1987bis1991den dampfern
zur Gebäudeheizung
in Seebiertendie MetalleWasserstoff
undoä- Einsatzvon 20 Mill.Frankenfür Pilot- undFlußnähe,
Pilotanlage
zurunterirdiben Wärmefrei. Bei Erwärmunoläluft und Demonstrationsanlaqen
vor. die schenEnergiespeicherung.
Sonnenenergie
4i86 19