Determination of circumsolar radiation and its effect on concentrating solar power

Wilbert, Stefan; Pitz-Paal, Robert

doi:5171

Determination of circumsolar radiation and its effect on concentrating solar power = Bestimmung der Zirkumsolarstrahlung und ihres Einflusses auf solarthermische Kraftwerke

Wilbert, Stefan (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Wilbert

ImpressumAachen 2014

Umfang177 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51715
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444996/files/5171.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Solartechnik (DLR) (412920)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sonnenstrahlung (Genormte SW) ; Ray tracing (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Sunshape (frei) ; Zirkumsolarstrahlung (frei) ; solarthermische Kraftwerke (frei) ; Direktnormalstrahlung (frei) ; circumsolar radiation (frei) ; CSP (frei) ; STE (frei) ; DNI (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen wird ein merklicher Teil der Solarstrahlung in die Zirkumsolarregion gestreut. Zirkumsolarstrahlung wird nur teilweise von konzentrierenden Solarkraftwerken (engl. Concentrating Solar Power, CSP) genutzt und muss bei der Effizienzbewertung der Kraftwerke beachtet werden. Für einige nun für CSP Projekte relevante Regionen liegen keine Informationen über Zirkumsolarstrahlung vor. Deshalb werden in dieser Arbeit Sunshape Messsysteme entwickelt und angewandt. Messungen von zwei Standorten werden ausgewertet, um die Zirkumsolarstrahlung und ihren Effekt auf CSP zu charakterisieren. Eins der entwickelten Systeme, das SFERA System, besteht aus dem SAM Instrument, einem Sonnenphotometer und Datenverarbeitungssoftware. Die Gesamtunsicherheit des SFERA Systems ist deutlich besser als die von vorherigen Messsystemen, wie z.B. der früheren DLR Sunshape Kamera. Anderthalb Jahre Messungen des SFERA Systems von der PSA (Plataforma Solar de Almería) und ca. ein Jahr Messungen von Masdar werden ausgewertet und mit vorherigen Messungen verglichen. Die mittlere Sunshape für die Beispieldaten der PSA ähnelt dem sogenannten “standard solar scan” (SSS). Die mittlere Sunshape für Masdar hat ein ca. zweimal höheres Zirkumsolarverhältnis (engl. circumsolar ratio, CSR) als der SSS und als das Ergebnis für die PSA. Die korrekte Prozessierung von Zirkumsolarstrahlungs-Zeitreihen wird diskutiert und für das Strahlverfolgungsprogramm SPRAY implementiert. EuroTrough und Turm-Kraftwerke werden für die Standorte PSA und Masdar modelliert. CSP Simulationen mit Standard-Sunshapes statt Messungen ergeben signifikante Fehler der instantanen empfangenen Leistung und der dem Kraftwerksblock in einem Tag oder einem Jahr überführten Wärme. Modellierung mit einer Sunshape, die nur die Region innerhalb der Sonnenscheibe einschließt, führt zu Überschätzung des jährlichen Ertrags. Für das Turmkraftwerk werden in Masdar 3,9% Überschätzung berechnet, für die PSA 1,6%. Auch für die Tröge ist die Überschätzung merklich. Für die PSA ist die Überschätzung ungefähr 0,5% und für Masdar 1,1%. Auch wenn mit den Standard-Sunshapes SSS oder “DLRMean” gerechnet wird, ist die Überschätzung des Ertrags für das Turmkraftwerk in Masdar bemerkenswert. Für DLRMean ist diese 1,7% und für SSS 2,1%. Für das Turmkraftwerk auf der PSA ist die Überschätzung kleiner (0,7% für SSS; 0,5% für DLRMean). Die Abweichungen für das EuroTrough Kraftwerk in Masdar sind kleiner als für den Turm. Für SSS ist der bestimmte Ertrag fast identisch mit dem für die Messungen und DLRMean resultiert in einer Überschätzung von 0,4%. Für die PSA und den Trog führen Standard-Sunshapes zu Unterschätzung von bis zu -0,4%. Parameter für die Beschreibung des Effekts von Zirkumsolarstrahlung werden auf Basis der Strahlverfolgungsrechnungen untersucht. Die CSR und der zirkumsolare Beitrag (z.B. aus der Region von 0,64° bis 3,2° Abstand vom Sonnenzentrum) sind vielversprechende Parameter für diese Beschreibung in einfachen Kraftwerksmodellen. Zirkumsolarstrahlungsmessungen sollten in der Ressourcen- und Ertragsanalyse, dem Kraftwerksdesign und -betrieb sowie bei Effizienztests durchgeführt werden. Im Bestfall wird die Zirkumsolarstrahlung in Form der Sunshape gemessen. Allerdings können auch die weniger aufwändigen Messungen der CSR oder des zirkumsolaren Beitrags ausreichen. Deshalb werden auch weitere Messsysteme untersucht. Eines der getesteten Systeme ist der Black Photon Instruments CSR460 Sensor. Dieser nutzt zwei Pyrheliometer mit unterschiedlichen Penumbrafunktionen. Die relative Abweichung zwischen den beiden Pyrheliometern stimmt gut mit der von den SFERA Messungen erwarteten überein. Außerdem wird eine Methode zur CSR Bestimmung von diesen relativen Abweichungen getestet. Die Genauigkeit dieser Methode ist geringer als die des SFERA Systems, da die dabei verwendeten Buie Sunshapes steiler sind als die gemessenen Sunshapes. Des Weiteren wird ein Algorithmus entwickelt, der die Bestimmung von zirkumsolaren Beiträgen mit Rotating Shadowband Irradiometern erlaubt. Die nun verfügbaren Sunshape Messsysteme und die korrekte Prozessierungsweise von Zirkumsolarstrahlung mit Strahlverfolgungsprogrammen können die Ertragsanalyse von CSP Kraftwerken weiter verbessern.

Depending on the atmospheric conditions, a considerable fraction of solar radiation is scattered towards the circumsolar region. Circumsolar radiation is only partially used by concentrating collectors and has to be considered for performance evaluation of CSP plants. No information on circumsolar radiation is available for some sites that are currently of interest for CSP projects. Hence, sunshape measurement systems are developed and applied in this work. The measurements from two sites are evaluated in order to characterize circumsolar radiation and its effect on CSP plants. One of the developed systems, the SFERA system, consists of the SAM instrument, a sun photometer and post-processing software. The overall uncertainty of the SFERA system is a significant improvement compared to previous measurement systems, e.g. the former DLR sunshape camera. One and a half years of measurements with the SFERA system from PSA (Plataforma Solar de Almería) and approximately one year from Masdar are evaluated and compared to previous measurements. The SFERA average sunshape for the exemplary data from PSA is similar to the standard solar scan (SSS). The average sunshape for the exemplary dataset from Masdar has a circumsolar ratio (CSR) that is about twice as high as that of the SSS and the SFERA result for PSA. The correct processing of time series of circumsolar radiation data is discussed and implemented for the raytracing tool SPRAY. EuroTrough plants and tower plants are modeled at PSA and Masdar. Significant errors occur when calculating with so-called standard sunshapes instead of measurements for the instantaneous received power and also for the daily and the annual heat that is provided to the power block. Raytracing with a disk sunshape leads to overestimation of the annual yield. Overestimation of 1.6% is obtained for the tower at PSA and 3.9% for Masdar. Even for the troughs the overestimation is noticeable when calculating with the disk sunshapes. Approximately 0.5% overestimation occurs for PSA and 1.1% for Masdar. A remarkable overestimation is also found for the tower plant at Masdar when calculating with existing average sunshapes as the SSS or the sunshape “DLRMean”. The overestimation is 1.7% for DLRMean and 2.1% for the SSS. For the tower at PSA, calculating with the average sunshapes results in relatively small overestimation (0.7% for the SSS, 0.5% for DLRMean). The deviations of the annual yield for the trough in Masdar are smaller than for the tower. The SSS results nearly in the same annual yield as the sunshape measurements and DLRMean causes overestimation of about 0.4%. For PSA, average sunshapes lead to underestimation of up to -0.4%. Based on the raytracing result, parameters for the description of the effect of circumsolar radiation on the exemplary plants are studied. The CSR and also the circumsolar contribution (e.g. from the region between 0.64° and 3.2° distance from the sun's center) are promising parameters for simple models for the effect of circumsolar radiation on the efficiency of CSP plants. Circumsolar radiation measurements should be included in solar resource assessment, plant design, yield assessment, plant operation and CSP performance tests. In the best case, the circumsolar radiation measurements are represented by sunshape measurements. However, also the less demanding measurement of the CSR or the circumsolar contribution can be sufficient. Hence, alternative measurement systems are investigated in this thesis. One of the tested systems is the Black Photon Instruments CSR460 sensor. It uses two pyrheliometers with different penumbra functions. The relative deviations between the two pyrheliometers agree well with the relative deviations expected from the SFERA measurements. Also a method to derive the CSR from these deviations is tested. The accuracy of this CSR determination is lower than for the SFERA system as the involved Buie sunshapes are steeper than most of the measured sunshapes. Furthermore, an algorithm is developed that allows the determination of circumsolar contributions with rotating shadowband irradiometers. The now available sunshape measurement systems and the correct processing method of circumsolar radiation data in raytracing tools can further improve the accuracy of CSP plant yield assessment.

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