Numerische Analyse der Intensitätsverteilung am Absorber eines pneumatisch vorgespannten Solarkonzentrators

Abstract

Die stetig steigende Energienachfrage wirft Probleme auf, die wohl auch noch die nächsten Generationen beschäftigen werden.<br />Energiegewinnung mittels fossiler Brennstoffe stellt auf Grund der zunehmenden Verknappung dieser Ressourcen und der nicht vorhandenen CO2 Neutralität keine adäquate Lösung dar. Die Nutzung von erneuerbarer Energien wie Wind-, Wasser- oder Solarkraft wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Vor allem die Solarkraft birgt noch ein hohes Entwicklungspotential. Diese Form der Energiegewinnung weist eine relativ geringe Energiedichte auf, was die großflächige Nutzung noch nicht allzu rentabel gestaltet. Eine Möglichkeit der Kostensenkung ist die Konzentration von Solarstrahlung, wobei die benötigte Fläche verringert und die erreichte Energiedichte erhöht wird. Jüngste Entwicklungen in der Solarkraft sind pneumatische Solarkonzentratoren.<br />Auf Grund billigerer und leichterer Materialien, können sowohl Investitions- als auch Betriebskosten gesenkt und somit der gesamte Prozess effizienter gestaltet werden. Im Zuge dieser Diplomarbeit soll das optische und mechanische Verhalten eines solchen pneumatischen Konzentrator, dem neuartigen Heliotube der Firma Heliovis, mittels Matlab modelliert und untersucht werden.<br />Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in die Solartechnik. In Kapitel 2 wird der Heliotube vorgestellt. Kapitel 3 gibt einen knappen Einblick in die Theorie für die optische Modellierung. Kapitel 4 geht auf die optische Modellbildung ein, diskutiert allgemein die gewonnen Simulationsergebnisse und untersucht anschließend einen Prototyp auf das optische Verhalten. Kapitel 5 erklärt kurz die Grundlagen für das mechanische Modell. In Kapitel 6 wird das erste mechanische Modell, das Ein-Knoten-Modell vorgestellt und weiters das mechanische Verhalten des Konzentrators mit Hilfe der Simulationsergebnisse diskutiert. Kapitel 7 beschreibt schließlich das zweite, erweiterte Modell, das Vier-Knoten-Modell, und geht auf die dadurch gewonnen Erkenntnisse ein.<br />Abschließend erfolgt in Kapitel 8 die Zusammenfassung und es werden Vorschläge zu einer verfeinerten Modellbildung gegeben.<br />

The constant increase of energy demand poses problems that will most likely still bother the next generations. Energy production by means of fossil fuels is not an adequate solution because of the increasing stringency of these resources and due to its non existent carbon neutrality. The utilisation of renewable energies like wind, water and solar power will take on greater significance in the future.<br />Especially solar power has high potential for development. This form of energy generation offers a relatively low energy density which makes its wider exploitation not quite profitable. A possibility for cost reduction is the concentration of solar radiation, whereupon the required surface would be reduced whereas the attained energy density would be increased. The latest developments in solar power are pneumatic solar concentrators. On account of inexpensive and light materials investment costs as well as operating costs could be reduced and consequently the whole process could be designed more efficiently. This diploma thesis will use Matlab to model such a pneumatic concentrator, the novel Heliotube by the company Heliovis, and analyse its optic and mechanic behaviour.<br />Section 1 gives a concise introduction to solar engineering. In section 2 the Heliotube will be presented. Section 3 delivers a short insight into the theory of optical modelling. Section 4 goes into optical modelling, discusses the obtained simulation results and, subsequently, tests a prototype for its optical behaviour. Section 5 explains the principles for the mechanic model. In section 6 the first mechanic model, the single-node model, will be presented and, by means of the simulation results, the mechanic behaviour of the concentrator will be discussed. Section 7 describes the second and extended model, the four-node model, and reacts to the thereby gained findings. In conclusion, section 8 provides a summary and gives ideas for a more refined model building.