Optimierung der Konstruktion eines solarthermischen Parabolrinnenkollektors zur Serienfertigung

Abstract

In dieser Arbeit wird die Optimierung der Konstruktion eines bereits bestehenden solarthermischen Parabolrinnenkollektors der Solabolic GmbH dargestellt. Die Optimierungen gestalten sich um den Fokus der Kostenreduktion für eine mögliche Serienproduktion. Ausgangsbasis ist der Prototyp RD01, der auf einem innovativen physikalischen Prinzip des Zwangsausgleichs zur Erstellung der Parabelform beruht. Alle Optimierungen gliedern sich nach den Gesichtspunkten der Komplexitätsreduzierung und des bedarfsgerechten Einsatzes der Materialien. Vor allem diese Materialreduzierung wird gestützt durch FEM-Simulationen und deren Ergebnisse auf die gesamte Konstruktion. Die Optimierungen verlaufen systematisch über jede Baugruppe, wobei beim Parabolspiegelaufbau zwischen Konzept A & B unterschieden wird. Dabei verfolgt Konzept A den bereits genutzten Zwangsmechanismus zur Herstellung einer Parabel und Konzept B eine konventionelle Formgebung über Laserschnittteile. Konzept A zeigt sich als äußerst innovative Lösung, die Kosteneinsparung mit einer gleichzeitigen Erhöhung des optischen Wirkungsgrads kombiniert. Lediglich sind nach derzeitigem Stand noch keine Produktionskapazitäten vorhanden, um kaltverformbare Spiegel in den gewünschten Dimensionen herzustellen. Deshalb beschreibt Konzept B eine vollständig ausgearbeitete Alternativlösung, die auf einem herkömmlichen Konzept beruht und ebenfalls Teile des Einsparungspotentials ausschöpft. Nach dem Analysieren der jeweiligen Baugruppe folgen gegebenenfalls die Simulationen zur Bestimmung des Materialeinsatzes und im letzten Schritt die konstruktive Ausarbeitung der entsprechenden Verbesserungen. Neben deutlichem kostentechnischen Optimierungspotential der Baugruppen Fundament, Stahlkonstruktion, Parabolspiegel und Windbreaker, konnte bezüglich des Endspiegels und der Absorberbaugruppe weniger realisiert werden. In Anbetracht einer Serienfertigung sollten hier Skaleneffekte fokussiert werden. Abschließend wird ein Ausblick über weitere mögliche Kostenreduktionen mit Hilfe eines vollständigen Re-Designs gegeben.

In this paper the optimization of the design of an already existing solar thermal parabolic trough collector of Solabolic GmbH is presented. The optimizations are designed around the focus of cost reduction for a possible serial production. The starting point is the prototype RD01, which is based on an innovative physical principle of forced balancing to create the parabolic shape. All optimizations are structured according to the aspects of complexity reduction and the demand-oriented use of materials. Above all, this material reduction is supported by FEM simulations and their results on the entire construction.The optimizations run systematically over each assembly, whereby a distinction is made between concepts A & B for the parabolic mirror assembly. Concept A follows the already used constraint mechanism to produce a parabola and concept B a conventional shaping via laser cut parts. Concept A proves to be an extremely innovative solution that combines cost savings with a simultaneous increase in optical efficiency. The only problem is that, as things stand at present, no production capacity is available to manufacture cold-formable mirrors in the desired dimensions. Therefore, concept B describes a fully elaborated alternative solution based on a conventional concept which also exploits parts of the savings potential.After analyzing the respective assembly, simulations are carried out to determine the material usage. In the final step, the corresponding improvements are worked out in the design. In addition to significant cost optimization potential for the foundation, steel structure, parabolic reflector and windbreaker assemblies, less could be realized with regard to the end mirror and the absorber assembly. In view of series production, economies of scale should be focused here.Finally, an outlook is given on further possible cost reductions with the help of a complete redesign.