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Herausforderungen bei der Auslegung und Charakterisierung von innovativen Hochtemperatur - Komponenten Sonnenkolloquium 2012, Köln Stefan Brendelberger, Thomas Fend, Peter Schwarzbözl
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Inhalt
Motivation Hochtemperaturkomponente Luftreceiver Receivertests Modellierung Beschreibung komplexer Absorber und deren Charakterisierung Zusammenfassung und Ausblick
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- Anstieg der Wärmeverluste bei höheren Temperaturen
Motivation – Komponenten für hohe Temperaturen
Ziel: Entwicklung effizienter Komponenten für den Einsatz bei hohen Temperaturen
Nach C.-J. Winter et al. „Solar Power Plants“, Springer 1991
- Wirkungsgrad Wärme-Kraft-Maschine durch Thermodynamik vorgegeben
- Carnot-Wirkungsgrad oberes Limit - Höhere Temperaturen bieten Potential für
höheren Prozess-Wirkungsgrad
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Turmsysteme
- Für Temperaturen über 800°C sind Punktfokussysteme erforderlich
- Höchste Temperaturen treten im Receiver auf
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Receivertypen Rohrreceiver Luftreceiver
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Rohrreceiver - höchste Material-
temperaturen außen - hohe Wärmeverluste Luftreceiver - volumetrischer Effekt → niedrige Fronttemperatur - geringere Materialbelastung - geringere Wärmeverluste - höhere Wirkungsgrade
N. Ahlbrink „Modellgestützte Bewertung und Optimierung der offenen Luftreceivertechnologie“ 2012
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HiTRec - Technologie
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0.02 m² Absorber
0.57 m² Submodul
5.7 m² Teilreceiver (Solair Receiver auf PSA)
22.7m² Receiver in Jülich
-Hochskalierung auf Halb- oder Vollzylinder mit mehreren 100m² Receiverfläche OVABSOL Grundlagen
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Absorberstrukturen
Drahtgeflecht - Filz
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Schaum
Parallelkanalstruktur - metallisch
- keramisch
Poröse Strukturen aus Metall oder Keramik
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Luftreceiver Teststand - Xenon-Kurzbogenlampen - Schwenktarget zur Intensitätsmessung - Leistungsdichte bis 1000kW/m² - Leistung 10kW auf Apertur - Typische Fronttemperatur bis 1100°C
- Möglichkeit der Luftrückführung
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Messwerte Parallelkanalstruktur
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Nach P. Schwarzbözl et al. „Improvement of ceramic absorber material for open volumetric receivers“, SolarPACES 2011
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Anforderungen an idealen Receiver
Eigenschaften:
- Kostengünstig, langlebig, temperaturstabil
- Hohe Absorbtion
- Tiefes Eindringen der Strahlung
- Gute Durchströmbarkeit
- Hohe Wärmeübertragung
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Receiver Optimierung
- Receiverbeschreibung anhand von Modellen
- Numerische Modelle
- Struktur-Eigenschaftsbeziehungen
- Ziel:
- Berechnung des Betriebsverhaltens
- Bewertung unterschiedlicher Receiverdesigns
- Entwicklung von Optimierungsstrategien
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Modell für keramische Parallelkanalstruktur
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Wanddicke
Kanalhöhe
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Modellierung komplexer Strukturen
- Durch Herstellungsprozess bedingter zufälliger Aufbau / zufällige Porenverteilung
- Herausforderung: Geometrische Beschreibung unregelmäßiger Strukturen
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10mm
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Volumenmittelung
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Homogenisierte Erhaltungsgleichungen mit effektiven Materialeigenschaften
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Numerische Charakterisierung komplexer Geometrien – Bestimmung effektiver Eigenschaften
Volumennetzerstellung Effektive Eigenschaften Virtuelles Experiment
Oberflächenextraktion Auswahl geeigneter Teilvolumina
Segmentierung CT-Abbildung
S. Brendelberger et al. „Numerische Charakterisierung CT-gescannter Mikrostrukturen“ 2011
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Bestimmung effektiver Eigenschaften – Multiskalenansatz
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Poröses Stegmaterial Primärporenschaum 10mm
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Bestimmung effektiver Eigenschaften – Multiskalenansatz
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Poröses Stegmaterial
Volumenmittelung ->Effektive Eigenschaften Stegmaterial
Simulation von Receiverkomponente mit homogenisierter Absorberstruktur Primärporenschaum
Volumenmittelung ->Effektive Eigenschaften Schaum
S. Brendelberger „Charakterisierung effektiver Eigenschaften offen-poriger Materialien in thermisch hochbelasteten Komponenten“ 2011
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Zusammenfassung - Hochtemperaturkomponente Luftreceiver - Vermessung von Luftreceivern am DLR - Modellierung von Absorbern - Beschreibung komplexer Strukturen anhand effektiver
Eigenschaften - CT-Abbildung zur numerischen Charakterisierung
- METREC - metallische Folienstruktur im Receivermaßstab - INDUSOL – industrielle Fertigung feiner Wabenstrukturen
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Ausblick