Analysis of once-through boiler concepts in parabolic troughs

Feldhoff, Jan Fabian; Pitz-Paal, Robert; Abel, Dirk

doi:HT018950514

Analysis of once-through boiler concepts in parabolic troughs = Analyse von solaren Zwangsdurchlaufkesseln in Parabolrinnen-Kraftwerken

Feldhoff, Jan Fabian

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeJan Fabian Feldhoff

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2015

UmfangXIV, 278 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-4247-4

ReiheBerichte aus der Energietechnik

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor) ; Abel, Dirk (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-021422
DOI: 10.18154/RWTH-2016-02142
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/571536/files/571536.PDF

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; solar once-through boiler (frei) ; direct steam generation (frei) ; DSG (frei) ; parabolic trough colelctor (frei) ; line focus system (frei) ; steam temperature control (frei) ; once-through steam generator (frei) ; SOTSG (frei) ; DNI disturbance class (frei) ; DNI categorization (frei) ; receiver stress analysis (frei) ; advanced control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Solarthermische Kraftwerke konzentrieren die direkte Solarstrahlung, um Wärme bei hohen Temperaturen zu erhalten. Diese Wärme kann zum Beispiel für einen Dampfturbinenprozess genutzt werden, um Strom zu erzeugen. Dies entspricht der Arbeitsweise eines fossilen oder nuklearen Kraftwerks, mit dem einzigen Unterschied, dass der konventionelle Dampferzeuger durch einen solaren ersetzt wird. Bei der direkten Dampferzeugung im Solarfeld ergeben sich zwei wesentliche, analoge Konzepte: zum einen das Umlaufprinzip für den Verdampferbereich; zum anderen das Zwangsdurchlaufprinzip, welches auch als Benson-Kessel bekannt ist. Kommerzielle Kraftwerke mit solarer Direktverdampfung werden bereits in Spanien und Thailand erfolgreich im Umlaufkonzept betrieben. Die vorliegende Arbeit analysiert nun detailliert das Zwangsdurchlaufkonzept für solare Parabolrinnen-Kraftwerke. Eine besondere Herausforderung ist dabei die nicht regelbareWärmezufuhr durch die Sonne, die durch eine angepasste Massenstromzufuhr ausgeglichen werden muss. Auslegungskriterien für solche Solarfelder werden herausgearbeitet, transiente Simulationsmodelle angepasst undrobuste Regelstrategien für künftige kommerzielle Kraftwerke werden entwickelt. Alle Punkte werden anhand von Experimenten im kommerziellen Maßstaban einer Testanlage auf der Plataforma Solar de Almería in Spanien validiert. Darüber hinaus wird eine Methodik zur Charakterisierung der Strahlungssituation vorgeschlagen, die eine einfache Lebensdauerabschätzung von potenziellkritischen Komponenten ermöglicht. Anhand letzterer kann beispielhaft dielange Lebensdauer eines bestrahlten Dampferzeuger-Rohres nachgewiesen werden. Die Vor- und Nachteile des solaren Benson-Kessels werden mit Hilfe eines detaillierten techno-ökonomischen Vergleichs mit dem Stand der Technik herausgestellt. Insgesamt kann so erstmalig der Nachweis der technischen Funktionsfähigkeit und des wirtschaftlichen Potenzials des solaren Durchlaufkonzepts erbracht werden.

Concentrated solar power plants or solar thermal electricity plants, respectively, use mirrors to concentrate the sunlight and heat up a fluid to high temperatures. This heat can be used to run a steam turbine and generate electricity. Such plants work similar to conventional steam power plants, with the only difference in replacing the fossil steam generator by a solar one. The steam can directly be generated within the solar field receivers. As in conventional power plants, there exist two main concepts for this direct steam generation process, one with forced circulation during the evaporation phase and one in a once-through configuration. This book covers a wide range of aspects regarding solar once-through boilers in parabolic trough collector fields for the first time, including: • Design criteria for parabolic trough loops • Transient models for detailed simulation and controller design • Robust control strategies for large-scale commercial plants • Experimental validation from the industrial-scale DISS test facility at Plataforma Solar de Almería in Spain • Methodology for component life time estimation • Economic comparison of the once-through configuration with the state-of-the-art recirculation type. The book may thus serve as a handbook of solar once-through steam generators, which are found to be technically feasible and econonomically promising.

OpenAccess:
PDF
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