Ein wesentlicher Unterschied erneuerbarer Energiequellen zu fossilen Energieträgern
liegt in der zeitlichen Verfügbarkeit. Im Gegensatz zu fossil
angetriebenen Prozessen lässt sich die Energiezufuhr nicht regeln. Dies
stellt vor allem die Solarenergie vor eine wesentliche Herausforderung. Die
Sonne als Energiequelle unterliegt nicht nur tages bzw. jahreszeitlichen
Schwankungen, sie ist oft auch nicht vorhersehbar. Dieser scheinbar kleine
Unterschied zur fossilen Energiegewinnung, hat zu weitreichenden Forschungsak
tivitäten in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und des Ingenieurwesens
geführt, darunter die Entwicklung von Speichertechnologien und
hybrider Systeme, die Abbildung des dynamischen Verhaltens, insbesondere
im Teillastbetrieb und nicht zu Letzt die entsprechende Ausarbeitung
verschiedener Regelsysteme.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung geeigneter
Regelgesetze für solarthermische Anlagen um der intermittierenden Natur
der Sonne als Energieressource gerecht zu werden. Eine gute Regelung
erhöht den Solarertrag, reduziert Stillstände, bietet eine optimierte Wahl
des Betriebspunktes und garantiert die Stabilität und Robustheit des Systems,
mit der Personen und Anlagensicherheit als oberste Priorität.
Die Thesis gliedert sich in zwei Hauptteile. Der erste Teil beinhaltet
die Regelungstechnik konzentrierender, solarthermischer Systeme mit einphasigen
Strömungen. Als wesentliche Regelgröße dient die Kollektoraustritttemperatur.
Mehrere Regelsysteme wurden unter verschiedenen Rahmenbedingungen und
Prozessanforderungen experimentell getestet. Eine erweiterte PID-Regelung
mit geeigneten Vorsteuerungsschleifen zeigt sehr gute Resultate, zudem lässt
sich die Gestaltung und Umsetzung des Regelsystems einfach halten.
Der zweite Teil der Arbeit widmet sich dem Regelsystem im solaren
Direktverdampfungsbetrieb. Hierbei ist die Hauptregelgröße der benötigte
Dampfdruck an der Prozessschnittstelle. Im Direktverdampfungsbetrieb
wird die Anlage als Mehrgrößenregelsystem betrachtet. Zwei Regelkonzepte
wurden mit der vorliegenden Arbeit entwickelt und getestet. Eines der
Konzepte basiert auf einer erweiterten PID-Regelung mit Vorsteuerung.
Dieses wurde erfolgreich umgesetzt und unter Realbedingungen über mehrere
Jahre intensiv getestet. Das zweite Konzept stützt sich auf die Theorie der
modellbasierten, Modellprädiktive Regelung (MPC). Hierbei handelt es sich
um ein komplexes, entwicklungsintensives, Regelkonzept. Der wesentliche
Vorteil ist die universelle Anwendbarkeit, mit reduziertem Aufwand für
Implementierung, Bewirtschaftung und Inbetriebnahme.
Die vorliegende Thesis zeigt, dass sich trotz der komplexen Dynamik
solarthermischer Grossanlagen mit den vorgeschlagenen Regelkonzepten
eine zuverlässige, robuste und wartungsarme Energieversorgung bewerkstelligen lässt
