Control of Solar Thermal Linear Fresnel Collector Plants in Single Phase and Direct Steam Generation Modes

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
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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.

One key difference between renewable energy and fossil fuels originates
from temporal availability. While energy flow in a fossil powered process
can be controlled, this is not the case for most renewable energy sources.
In the case of solar energy, not only is the energy source not controllable,
but it is often practically not predictable. This seemingly slight difference
has far reaching implications that has spurred research in different areas
of science and engineering including, storage, hybrid systems, dynamic
behavior, partial load operation and of course control systems.
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The main objective of this work is to develop suitable control laws for
solar thermal systems capable of dealing with the intermittent nature of the
solar resource. A good control strategy will maximize solar energy use, minimize downtime,
provide good setpoint tracking and increase system stability and robustness,
all while maintaining personnel and equipment safety at highest priority.
This research is divided into two main parts, the first part deals with the
control system of the concentrated solar thermal system in single phase
flow mode of operation, where the main controlled parameter is the temperature
at the exit of the solar field. Several control systems have been
tested experimentally for different situations and process requirements and
it was found that advanced Proportional–Integral–Derivative (PID) control
with suitable feed forward loops provides a very good performance while
maintaining design and implementation simplicity.
The second part is dedicated to the control of the solar system in direct
steam generation mode where the main controlled parameter is the steam
pressure at the consumer process. In direct steam generation mode, the
system is considered a multi input multi output control system. Two main
control strategies were developed and tested within this work, one is based
on advanced PID control and feed forward and the other is based on Model
Predictive Control (MPC) theory.
The former was thoroughly developed within this work and has been
extensively tested under real life conditions for several years now. The
latter is a new promising technique offering a universal control law that has
the potential of reducing control system deployment and commissioning
times. This of course comes at the cost of a more complex control law that
requires big research and development efforts.
This thesis proves that, in spite of the complicated dynamics of solar
thermal plants, reliable and robust energy delivery can be achieved through
carefully designed systems employing suitable control strategies.