Entwicklung eines modellbasierten Regelungskonzepts für ein solarthermisches Kraftwerk

Abstract

Erneuerbare Energien, die Verringerung von Treibhausgasemissionen und eine sichere Stromversorgung sind die zentralen Treiber bei der Umgestaltung vieler Energiesysteme weltweit. In den Ländern des Sonnengürtels spielen dabei solarthermische Kraftwerke dank ihres thermischen Speichersystems eine entscheidende Rolle. Obwohl alle solarthermischen Kraftwerke im Grundsatz gleich aufgebaut sind, unterscheiden sich die einzelnen Lösungen sehr stark. Diese Unterschiede betreffen beispielsweise das verwendete Spiegelsystem, die genutzte Receiverlösung oder das eingesetzte Wärmeträgermaterial. Allen implementierten Lösungen gemeinsam sind die hohen Anforderungen und technischen Herausforderungen im Betrieb der Anlagen, die besonders durch die flächenmäßige Ausdehnung und die volatile solare Einstrahlung hervorgerufen werden. Um den Betrieb gewährleisten zu können, sind regelungstechnische Lösungen zu finden, welche eine hohe Zuverlässigkeit der Anlage bieten und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des solarthermischen Kraftwerks erhöhen. In dieser Arbeit werden diese regelungstechnischen Herausforderungen am Beispiel eines Linear-Fresnel-Kraftwerks mit Direktverdampfung beschrieben und schrittweise ein modellbasiertes Regelungskonzept hergeleitet, welches Lösungen für einen zuverlässigen Betrieb des solarthermischen Kraftwerks bietet. Durch seinen zweistufigen Aufbau trennt der verwendete Ansatz dabei die Herausforderungen, die im laufenden Betrieb auftreten, von den Aufgaben der Störungsregelung. Die für den Entwurf der Regler verwendeten Modelle basieren auf einem detaillierten Modell der Regelstrecke und werden den Anforderungen der einzelnen Entwurfsverfahren entsprechend angepasst. Dabei wird insbesondere auf einen möglichst einfachen Modellaufbau sowie auf die Umsetzung in einem solarthermischen Kraftwerk geachtet. Nach der Herleitung wird das Regelungskonzept mit mehreren Simulations- und Parameterstudien im Detail untersucht und der Einfluss auf die Stellgrößen sowie die Regelgüte analysiert und bewertet. Im Vergleich zu bereits bestehenden Konzepten zeigen sich die Vorteile des modellbasierten Ansatzes in Form einer deutlich verbesserten Regelgüte und einer damit einhergehenden zuverlässigeren Betriebsweise des Kraftwerks. Gleichzeitig können ausschlaggebende Komponenten des Kraftwerks kleiner dimensioniert werden.

Renewable energies, the reduction of greenhouse gas emissions and the need for a reliable electricity supply are the key drivers for a worldwide change of the energy systems. Due to their integrated thermal energy storage, concentrated solar power (CSP) plants take a crucial role within this transformation, especially in countries around the equator with a high solar irradiation. Although the overall concepts of the various CSP plants are similar, the used technologies vary widely as regards specific components. Differences include the used concentrator system, the receiver technology or the used heat transfer material. The high demands on operational security during the operation of the plant are common for all implemented technologies. These demands mainly result from the large area covered by the solar field and the volatile solar irradiation. In order to secure a reliable and efficient operation, an advanced control concept is necessary. The challenges of implementing such a control concept are described within this work and a model-based concept is developed based on the linear Fresnel technology. The control concept contains a two-tiered setup, separating the disturbance control from the reference control system. The used models are based on a detailed model of the controlled unit and are adapted to the needs of each control design method. The main focus is laid on the use of an efficient and simple model setup and a possible integration into the control system of a CSP plant. The developed control concept is analyzed in detail with several simulations and parameter studies. The influence of the developed concept on the control performance and the actuators is benchmarked. A comparison with already existing concepts proves the advantages of the model-based approach, showing a significantly improved control performance and thus a more reliable operation of the plant. Furthermore, the analysis shows that several important components could be scaled smaller with equal operational security.