Mini-Spiegel-Array für solarthermische Kraftwerke Markus Sauerborn Solar-Institut Jülich B. Hoffschmidt, J. Göttsche, S. Schmitz Ch. Rebholz, F. Ansorge, D. Ifland Projekt gefördert durch das BMU (FKZ: 16UM0074)

Mini-Spiegel-Array Ziel Aufgabe Partner Heliostat \ 2-4m² Ziel Entwicklung Mini-Spiegel-Array (flacher Heliostat) Aufgabe Entwicklung 1. Demonstrator: Mini-Spiegel-Array (in Box) Antrieb Miniatur-Aktoren Wirkungsgrad ≈ große Heliostate Technische Prüfung des Demonstrators unter der Künstlichen Sonne des SIJ i. A. Theoretische Systemanalyse für Solarturmkraftwerke Erste Analyse zur Kostenentwicklung Ökobilanz i. A. Partner Solar-Institut Jülich (SIJ) / FH-Aachen – Jülich Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (Fh-IZM) – Oberpfaffenhofen Institut für Technische Thermodynamik DLR – Stuttgart

27.03.2017 Problemstellung Stromentstehungskosten für Solarkraftwerke wesendlich durch Baukosten definiert Spiegelfeld: 30% - 50% der Gesamtkosten Maximales Kostenreduktionspotenzial des Heliostatenfeldes (Stand der Technik & Massenproduktion) Beispiel: PS10 Heliostat (Spanien / Sevilla) Spiegelfläche 120m² bzw. 90m² Kosten (aktuell) 130€/m³ Spiegel, Rahmen, Struktur Antrieb, Säule, Steuerung 90% Stahl Gewicht 38kg/m² durch Windlastabsicherung bis 45km/h Mindestkosten 70€/m² maximale Kostenreduktion 46% Stahlpreis ≥ 2€/kg 46% (bzgl. Spiegel) 14% - 23% (bzgl. Gesamtkosten) Windlast => weniger & günstigere Werkstoffe => Mini-Spiegel-Array

Mini-Spiegel-Array (MSA) Aktuell Demonstratorbau in Zeitverzug 1. Demonstrator-Version 25 kleine Spiegel Spiegelgröße: (10 x 10)cm Boxgröße: (60 x 60)cm hochtransparentes Solarglass als Abdeckung Bewegungssystem: untereinander verbundene, parallele Ständer Aktuell Demonstratorbau in Zeitverzug Entwicklungsziel MSA (langfristig) > 100 kleine Spiegel Spiegelgröße: (10 x 10)cm - (20 x 20)cm Boxgröße: bis (200 x 200)cm Gewicht: Tragbar für 2 Personen

Vermessungssystem Künstliche Sonne des SIJ 27.03.2017 Vermessungssystem Künstliche Sonne des SIJ Sonnen-Beleuchtungs-Simulation Paralleler Strahl Sonnenverlauf Beleuchtungs-Einheit Lampe & Parabolspiegel LASER-System Bewegungs-System Rotationskranz / Horizontal (Azimut) Teleskop-Arm / Höhenstand (Elevation) elektr. Antriebe mit CAN-Bus Programmierbare Software-Steuerung Mögliche Untersuchungen Bestrahlung paralleles Licht ()

Optische Verluste von Heliostaten für Solarturmkraftwerke Spiegelreflektivität Absorption (Atmosphäre) Kosinusverluste Shading (Verschattung) und Blocking (Abblocken) Spilling (Nachführgenauigkeit)

Theoretische Systemanalyse (DLR) Performance Grenzen & Vergleich mit klassischem Heliostat Vergleich der Ausbeute über Tag MSA - Referenz-Heliostat => verringerter Wirkungsgrad des MSA um bis 30% pro m² vergrößerte Aufstellfläche Kostenanalyse? Reflektionseffizienz als Funktion der Box-Orientierung für definierte Position im Feld => optimale Ausrichtung

Ökonomische Betrachtung (Berechnungsmodul) 27.03.2017 Ökonomische Betrachtung (Berechnungsmodul) Großspiegel Mini-Spiegel-Array Kalkulationszinssatz Zielwert = 100€/m² Literaturwert Ökologische Betrachtung (in Arbeit) - Ziel: MIPS-Analyse nach dem Wuppertal Institut - Aktuelle Auslegung des Demonstratorts lässt noch keine sinnvolle Bewertung für hoch skalierten Prototypen zu Aluminiumeinsatzes in den Baugruppen des MSA 

Zusammenfassung Ergebnisse: => geringere Kosten pro m² möglich Ein Mini-Spiegel-Array Konzept für Solarthermische Anwendungen wird für das Heliostatenfeld von Solarthermischen Turmkraftwerken untersucht Theoretische Systemanalysis (bei gleicher Spiegelfläche) Erstes Analysemodul bzgl. Stromgestehungskosten erstellt Technische Bewertung mit der Künstlichen Sonne im SIJ sind i. A. Ökobilanz i. A. Ergebnisse: => reduzierte Reflektionseffizienz (-30%) mit Vergleich zum klassischen Heliostat => aber mehr Spiegelfläche pro Feldfläche möglich => geringere Kosten pro m² möglich => weitere Optimierungen der technischen Eigenschaften und bei der Herstellung sind absehbar => ökonomische Betrachtung relativiert den schlechteren Wirkungsgrad => Weitere Simulationen zur Feldauslegung erforderlich => Weiterentwicklung zum Prototyp

Danke für die Aufmerksamkeit!