Physikalische Modellierung eines Prüfstandes für solarthermische Receiver

Abstract

Mit heutigen Technologien kann die Sonnenenergie auf unterschiedliche Weise genützt werden. Im Wesentlichen wird bei der solaren Energieumwandlung in der Praxis auf zwei Methoden zurückgegriffen. Es sind dies die photovoltaische Stromgewinnung und die solarthermische Energieumwandlung. Neuesten Entwicklungstrends zufolge, gäbe es noch andere Wege die Sonnenenergie zu nutzen, wie die Solarchemie. In dieser Arbeit jedoch wird im Speziellen die solarthermische Energieumwandlung mit einer besonderen Konzentratortechnologie behandelt. Dabei handelt es sich um einen pneumatisch vorgespannten Solarkonzentrator, welcher als HELIOtube bezeichnet wird. In der Fachsprache wird die konzentrierende Solartechnologie - wenn es sich um thermische Receiver handelt - als CSP (engl.: concentrated solar power) bezeichnet, handelt es sich um photoelektrische Receiver spricht man von CPV (engl.: concentrated photovoltaic). Um das Betriebsverhalten eines HELIOtube bei der solaren Direktverdampfung untersuchen zu können, wurde ein Prototyp am Institut für Energietechnik und Thermodynamik (IET) entwickelt. Die untersuchten Receiver in diesem Forschungsprojekt sind noch in der Prototypenphase und deshalb sind die Eigenschaften noch nicht zur Gänze bekannt. Aus diesem Grund wurde ein Prüfstand im Labor des IET errichtet, welcher dazu dient, um die Eigenschaften im Bezug auf die thermische Leistungsfähigkeit - insbesondere des Wärmeverlustes - bestimmen zu können. Die vorliegende Arbeit entstand aus der Motivation heraus, mit Hilfe der physikalischen Modellbildung den Prüfstand zu simulieren. Die Modellbildungen wurden in zwei Schritte abgehandelt. In einem ersten Schritt wurden auf Script-Basis alle benötigten Variablen in Matlab® definiert und in weiterer Folge mit SimscapeTM simuliert. Der Aufbau des Modells erfolgte als 1D-Modell und 2D-Modell. Jede dieser Modellierungsarten bringt Vorteile und Nachteile mit sich, auf welche im Rahmen dieser Arbeit näher eingegangen wird. Abschließend werden die Mess- und Modellergebnisse verglichen und diskutiert.