Solarenergie: Mohave-Wüste, Kalifornien

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Solarenergie: Mohave-Wüste, Kalifornien

Das Projekt:

Ivanpah Solar Electric Generating System
Mohave-Wüste, Kalifornien

2013 wurde in der kalifornischen Mohave-Wüste ein solarthermisches 377-Megawatt-Kraftwerk mit Strahlungsbündelung (CSP, concentrated solar power) in Betrieb genommen. Das Ivanpah Solar Electric Generating System umfasst drei Felder von Heliostat-Reflektoren auf einer Fläche von 14 Quadratkilometern. Jeder Heliostat fokussiert das Sonnenlicht auf einen von drei Solartürmen, die dieses gebündelte Sonnenlicht als Hauptenergiequelle für Dampfturbinen verwenden, die Strom für 140.000 kalifornische Haushalte erzeugen.

Die Herausforderungen

CSP funktioniert ein bisschen wie der Versuch, mit einem Spiegel oder einem Vergrößerungsglas ein kleines Feuer zu entfachen. Wenn Sie den Spiegel nicht genau so halten, dass er die Sonne einfängt, gibt es kein Feuer. Ebenso gibt es kein Feuer, wenn Sie das konzentrierte Sonnenlicht nicht gleichmäßig und präzise auf ein brennbares Ziel ausrichten können.

Um die Anlagenproduktion zu optimieren, mussten die Ingenieure in Ivanpah 173.000 Heliostaten so ausrichten, dass sie zu jeder Tageszeit den maximalen Betrag an Sonnenlicht in Richtung Solartürme reflektieren. Um dieses Kunststück zu vollbringen, mussten sie drei große Herausforderungen bewältigen:

Nr. 1: Die Position der Sonne ändert sich ständig. Jeder Heliostat muss sich täglich um bis zu 270 Grad drehen, und das bei Geschwindigkeiten von manchmal nur 0,009 U/min. Je genauer die Heliostaten die Sonnenstrahlen fokussieren können, desto höher ist die Anlagenleistung.

Nr. 2: Wüstenwinde können Böen mit Windgeschwindigkeiten bis zu ca. 305 Stundenkilometer erzeugen. Ivanpahs Heliostaten haben Flächen von 25 Quadratmetern oder mehr. In der Weite der Mohave-Wüste können sich diese großen, flachen Paneele während eines Windsturms wie Segel verhalten und Instabilität und Spiel in ihren Positionierungsgetrieben erzeugen. Darüber hinaus müssen die Getriebe dem ständig vorhandenen Sand und Schmutz standhalten, der vom Wind getragen wird.

Nr. 3: Die Wartung von 173.000 Heliostaten könnte sich aufgrund der hohen Kosten verbieten. Wenn das Getriebespiel einmal beginnt, verstärkt es sich von selbst und kann einen Getriebesatz schnell verschleißen. Um die Energiekosten niedrig zu halten, müssen die Heliostat-Getriebe in Ivanpah ihre Stabilität und Präzision jahrzehntelang bewahren.

Die Lösung:

Globoid-Schneckengetriebe von Cone Drive

Nach Auswertung der Antriebe mehrerer Hersteller für das Nachführsystem beschloss BrightSource, Globoid-Schneckengetriebe von Cone Drive in zehntausenden von Ivanpah-Heliostaten zu installieren. Die Antriebe bieten dieselbe hochpräzise Bewegungssteuerung, die auch für die Satellitenpositionierung und für chirurgische Instrumente verwendet wird, und sie sind für eine Lebensdauer von bis zu 35 Jahren ausgelegt.

Und so funktioniert‘s

Das Globoid-Schneckengetriebe von Cone Drive erhöht die Kontaktfläche zwischen Schneckenrad und Schneckenwelle und bietet mehr Stabilität als ein herkömmlicher Schneckenantrieb. Die globoidische oder Sanduhr-ähnliche Form der Schneckenwelle umhüllt das Schneckenrad, das seinerseits die Schneckenwelle umhüllt.

„Dieser hervorragende Eingriffskontakt führt zu einer höheren Drehmomentkapazität und einer höheren Stoßfestigkeit“, sagt Jacob Randall, Direktor für strategische Märkte bei Cone Drive. „Doppelumhüllende Getriebesätze sorgen für spielfreie Integrität und eliminieren jegliches Spiel oder Bewegungsverluste, die durch Lücken zwischen den Zähnen und dem Gewinde verursacht werden.“

Worm Gear Illustration

Der Globoid-Schneckenantrieb von Cone Drive erhöht die Kontaktfläche zwischen Schneckenrad und Schneckenwelle und bietet mehr Stabilität als ein herkömmlicher Schneckenantrieb.

Die Vorteile

Nr. 1: Präzision. „Die Präzision, die wir mit Globoid-Schneckengetrieben erzielen können, passte hervorragend zu Ivanpah“, sagt Randall. Getriebe von Cone Drive ermöglichen es Ivanpah-Heliostaten, mehr Sonnenlicht zuverlässiger auf die Solartürme zu konzentrieren. Und bei 173.000 Heliostaten können bereits kleine Verbesserungen der Genauigkeit einen großen Unterschied in der Anlagenleistung bewirken.

Nr. 2: Stabilität. Die Globoid-Schneckengetriebe von Cone Drive sorgen dafür, dass die Ivanpah-Heliostaten auch bei extremen Windbedingungen auf einem optimalen Niveau arbeiten. „Torsionsmäßig ist das Getriebe extrem steif”, sagt Randall. „Wenn der Wind auf einen Spiegel tritt, bewegt sich dieser Spiegel nicht.“

Nr. 3: Wartungsfreiheit. Da die Heliostaten so stabil sind, reduziert die Cone Drive-Lösung das Getriebespiel ebenso wie den Verschleiß und die Notwendigkeit kostspieliger Reparaturen auf ein Mindestmaß. Die Getriebe werden intern geschmiert und sind permanent abgedichtet, um Sand, Schmutz und Ablagerungen zu widerstehen und Wartungsarbeiten zu vermeiden.

Die Ergebnisse

In den letzten sieben Betriebsjahren konnte das Ivanpah-Team die Leistung der Anlage an sauberer Energie relativ zur Menge von Erdgas, mit der Dampfturbinen betrieben werden, wenn die Sonne nicht am Himmel steht oder von Wolken verdeckt wird, erfolgreich steigern.

  • Seit 2015 hat die Anlage durchschnittlich nahezu 700.000 Megawattstunden Sonnenenergie pro Jahr erzeugt.
  • Ivanpah versorgt zu Spitzenzeiten des Tages mehr als 140.000 kalifornische Haushalte.
  • Die Anlage ist auf dem besten Weg, während ihrer 30-jährigen Lebensdauer 13 Millionen Tonnen Kohlendioxid-Emissionen zu vermeiden.

Aufgrund ihres Erfolgs mit der Ivanpah-Lösung von Cone Drive nutzt BrightSource Energy die Cone Drive-Technologie auch für andere CSP-Projekte, darunter eine 700-Megawatt-Anlage in den Vereinigten Arabischen Emiraten und eine weitere in der israelischen Wüste Negev.

„Die Solartechnologie wird ständig weiterverbessert“, sagt Randall. „Kleine, schrittweise Verbesserungen können angesichts des steigenden Interesses an erneuerbaren Energiequellen zu enormen Gewinnen führen.”

Lesen Sie mehr über Globoid-Schneckengetriebe von Cone Drive und seine Aktivitäten in der Solarindustrie.