Entwicklung einer horizontal drehbaren Tragekonstruktion für ein neues Parabolrinnenkonzept

Abstract

Wie allgemein bekannt, ist die Sonne eine unerschöpfliche Energiequelle, die mehr Energie an die Erde abgibt, als der Mensch jemals verbrauchen könnte. Viele verschiedene Technologien versuchen diese Energie nutzbar zu machen, wobei Photovoltaik die am weitesten verbreitete Umsetzungsvariante darstellt. Da sich diese für ein Großkraftwerk nicht wirklich eignet, wird seit vielen Jahren an anderen Technologien geforscht. Zurzeit stellen CSP-Anlagen (Concentrated Solar Power) eine bessere Option für Kraftwerke dar, da sie im großen Stil wirtschaftlicher betrieben werden können. Auch die Firma Solabolic GmbH beschäftigt sich mit der CSP-Technologie, genauer gesagt mit Parabolrinnenkollektoren. Sie hat ein patentiertes Verfahren entwickelt, um Parabolrinnen einfacher, größer und günstiger herstellen zu können. Das auf einem physikalischen Prinzip beruhende System von Solabolic wurde mittels eines Prototyps im Jahr 2017 getestet. Beim Aufbau zeigten sich jedoch einige Schwächen und Probleme, die den Aufbau erschwerten und die Kosten in die Höhe trieben. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird derzeit ein ganzheitlich neuer Kollektor entwickelt, der sich stark vom bisherigen Industriestandard unterscheidet. In der Praxis ist eine vertikale Sonnennachführung üblich. Im neuen Konzept von Solabolic wird diese durch eine horizontale Drehung am Boden ersetzt. Dadurch können die Stärken des Solabolic Patents optimal ausgenutzt und die größte jemals realisierte Apertur verwirklicht werden. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Themengebiete behandelt. Die Hauptaufgabe bestand darin eine neuartige Tragkonstruktion für Parabolrinnenkollektoren zu entwickeln, auszulegen und zu simulieren. Im Anschluss wurde die Konstruktion bezüglich der Kosten betrachtet inklusive eines ersten Kostenmodells für das gesamte neue Konzept. Zu Beginn wurde die Unterkonstruktion des Kollektors entwickelt. Diese soll möglichst einfach gebaut werden können, modular sein und eine 180° Drehung auf dem Boden ermöglichen. Nach Entwicklung verschiedener Konzepte, wurde die beste Variante ausgewählt und im Detail konstruiert. Anschließend wurden Simulationen von verschiedenen Belastungssituationen an unterschiedlichen Ausführungsvarianten durchgeführt und die Konstruktion hinsichtlich Festigkeit und Kosten optimiert. Bei der Ausführung wurde darauf geachtet, nur industrieübliche Bauteile zu verwenden. Deshalb besteht die Konstruktion aus einfachen Standard IPE-Trägern. Dadurch wird es den einzelnen Ländern mit unterschiedlicher Normen- und Gesetzeslage ermöglicht, ihre eigene Stahlproduktion und eigenen Arbeitskräfte für die Anlage einzusetzen. Somit kann die lokale Wertschöpfung gesteigert werden. Im zweiten Teil wurde ein Kostenmodell für den aktuellen Planungsstand erstellt, welches die Materialkosten des Kollektors bewertet. Bei der Auswahl der Teile wurde stets darauf geachtet, dass ein möglichst geringer Preis pro installierter Spiegelfläche erreicht wird und Standardteile, die fast überall auf der Welt verfügbar sind, verwendet werden können. Als Endergebnis entstand eine 12m x 12m große Unterkonstruktion, die sich horizontal der Sonne nachdreht. Sie ermöglicht es, die auftretenden Belastungen durch Wind und Eigengewicht aufzunehmen, ohne dass es zu großen Verformungen kommt. Im Vergleich zur Konkurrenz soll das neue Konzept in der Lage sein 3-mal höhere Windgeschwindigkeiten aufzunehmen und dabei immer noch effizient zu arbeiten.

As is generally known, the sun is an inexhaustible source of energy that gives more energy to the earth than man could ever consume. Many different technologies are trying to make this energy usable, with photovoltaics being the most widely used implementation variant. Since these are not suitable for a large power plant, research has been carried out on other technologies for many years. Currently, CSP (Concentrated Solar Power) plants represent a better option for power plants because they can be operated more economically on a large scale. The company Solabolic GmbH works in the field of CSP, more precisely with parabolic trough collectors. They have a patented process to build parabolic troughs easier, make their aperture bigger and the collector cheaper. Solabolic's system was tested by a prototype in 2017. As there were some weaknesses and problems with the construction which made the erection difficult and the costs soaring. In order to eliminate the problems, a completely new collector is being developed, which differs strongly from the previous industrial standard. The industry usually uses vertical sun tracking, which is replaced in the new concept by a horizontal rotation on the ground. This allows Solabolic to use all the advantages their patent has and to establish the largest ever realized aperture. Two topics have been investigated in this thesis: the development, dimensioning and simulation of a novel carrier design for parabolic trough collectors, and the cost-oriented consideration of the new concept, including a first cost model. In the first part the substructure of the collector was developed. It should be as simple as possible to build, be modular and carry out a 180° rotation on the ground. After developing different concepts, the best variant was selected and fully designed. Afterwards, the different design alternatives were simulated in different stress situations, and the design was optimized in terms of strength and cost. The collector has been designed with simple standard IPE steel beams. This allows countries to use their own steel production and manpower for the construction and in that way increasing their local added value. In the second part, a cost model for the current planning stage was prepared that assessed the material costs of the collector. When selecting the parts, focus was on the lowest possible price per installed mirror surface, while using standard materials and parts that are available nearly everywhere in the world. The result is a 12m by 12m substructure, which turns horizontally to follow the sun. It is capable to stand the loads, which occur due to the wind and its own weight, without having too much deformation. Compared to the competition, the new concept is able to withstand 3-times higher wind speeds, while still working efficiently.