Solarthermische Hochtemperatursysteme - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 538

Abb. 7.43 a Turbine der Aufwindkraftwerk-Prototypanlage in Manzanares aus (Weinrebe 2004 );
b CAD-Zeichnung von umfangsseitig angeordneten, nebeneinander positionierten Axialturbinen
aus (Fluri and von Backstrom 2008)
ner Druck- und Lieferzahl ergeben sich nach Gl. (7.42) bei einem Turbinenreaktionsgrad
von r > 0.5. Per Definition kann der Reaktionsgrad r nicht über 1 steigen, da sonst ein Ver-
dichter und keine Turbine mehr vorliegen würde. Dies bedeutet in jedem Fall eine druck-
gestufte Turbine. Bei der Auslegung einer Windturbine ist es sinnvoll, nach einer optima-
len Druckzahl für einen gegebenen Reaktionsgrad und eine Lieferzahl zu suchen. Sind die
Verlustkoeffizienten ζ s , ζ r und ζ d unabhängig von der Druckzahl, kann man die Gl. (7.42)
nach ψ differenzieren und das Ergebnis zu null setzen und man erhält die optimale Druck-
zahl. Dabei zeigt sich dass der optimale Reaktionsgrad der Turbine bei ca. r ≈ 0.8 liegt und
sich damit Turbinenwirkungsgrade mit η turb > 0.9 realisieren lassen. Mit der Festlegung von
r sind auch die Schaufelgeometrien festgelegt.
Die Wahl einer druckgestuften Turbine beinhaltet aber auch Nachteile. Überdruck-
stufen erfordern eine Abdichtung zwischen Laufschaufel und Gehäuse, da sie eine mehr
oder weniger hohe Druckdifferenz vor und nach der Laufschaufel aufweisen. Ein weiterer
Gesichtspunkt ist von mindestens ebenso großer Bedeutung. Auf Grund der solaren Ein-
strahlung ist die Aufwindleistung nicht planbar und Überdruckturbinen verhalten sich
hinsichtlich des Teillastverhaltens deutlich problematischer als Gleichdruckturbinen. Die-
sem Nachteil kann durch eine Curtis-Stufe oder einen verstellbaren Leitschaufelapparat
im Zulauf entgegengewirkt werden. Weitere Details zur Auslegung und zur effizienten Re-
gelung sind den Artikeln (Fluri und von Backstrom 2008) und (Dos Santos et al. 2010 ) zu
entnehmen. Es kann entweder eine Turbine zentral im Turm installiert sein oder mehrere
am Umfang des Turmfußes angeordnete Axialläufer, wie die Abb. 7.43 illustrieren.
In den bisher realisierten Kraftwerken wie dem in Manzanares ist die Luftgeschwindig-
keit vor und hinter der Turbine in etwa gleich. Die entzogene Leistung ist proportional
zum Produkt aus dem Volumenstrom und dem Druckabfall an der Turbine. Im Hinblick
auf eine maximale Energieausbeute ist es das Ziel der Turbinenregelung, dieses Produkt in
allen Betriebszuständen zu maximieren. Über die Blattverstellung regelt die Turbine den
Druckabfall und damit die Luftgeschwindigkeit und den Luftstrom in der Anlage. Stehen
die Blätter senkrecht zur Anströmung, dreht sich die Turbine nicht. Stehen die Blätter pa-
rallel zur Strömung und lassen den Luftstrom ungestört durch, ist der Druckabfall an der