Ertragsberechnung für Finite-Elemente Modelle von Parabolrinnenspiegeln

Kurzfassung

Für das Erreichen der bestmöglichen Leistung eines solarthermischen Kraftwerks mit Parabolrinnenkollektoren muss eine hohe Genauigkeit der beteiligten Komponenten gewährleistet sein. Weichen gewisse Komponenten von der gewünschten Genauigkeit ab, können Verluste verursacht werden, die den Ertrag des Kraftwerks verringern und damit die Wirtschaftlichkeit gefährden können. Abweichungen, wie beispielsweise ungewünschte Rotationen oder Translationen bestimmter Komponenten, können bei der Montage entstanden sein und sind verantwortlich für Spannungen im Material und die daraus resultierenden Abweichungen der Spiegelgeometrie. Um herauszufinden, wie stark sich bestimmte Veränderungen der Spiegelgeometrie auf den Ertrag auswirken und was deren Ursachen sind, sollen diese anhand von virtuellen Spiegelmodellen untersucht werden. Hierzu werden Abweichungen in den Kollektoraufbau eingebaut, die daraus entstehenden Spiegel-verformungen werden simuliert und anschließend der Kraftwerksertrag bestimmt. Die Untersuchung findet im Kontext eines mehrjährigen Forschungsprojektes des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) statt und baut auf mehreren Doktor-, Master- und Bachelorarbeiten auf. Für die vorliegende Masterarbeit werden Finite-Elemente Modelle von Kollektorsegmenten verwendet, die in vorherigen Abschlussarbeiten optimiert und teilweise validiert wurden. Außerdem werden für die Erstellung eines vollautomatischen Berechnungsprogramms mehrere bereits entwickelte Algorithmen eingegliedert. Das Ergebnis dieser Arbeit setzt sich hauptsächlich aus der abgeschlossenen Entwicklung eines automatisierten Berechnungsprogramms zusammen. Zusätzlich beinhaltet es dessen Einsatz für die Auswertung mehrerer Lastfälle bei einem Kollektorsegment eines Kraftwerks. Auch wenn bei diesem Programm noch Verbesserungspotential hinsichtlich einiger Details besteht, ermöglicht es zum Zeitpunkt des Abschlusses dieser Arbeit eine vollautomatische Auswertung und den Vergleich jeglicher gewünschter Abweichungen von Kollektorkomponenten hinsichtlich ihres Einflusses auf den Jahresertrag des Kraftwerks mit einer frei wählbaren Konfiguration. In order to achieve the best possible performance, all components of a solar thermal power plant with parabolic trough mirrors have to be manufactured and assembled most accurately. Inaccuracies induced during production, assembly and operation often lead to deviations from the ideal mirror shape, thus reducing the mirror’s curvature precision or shape accuracy. As a cause of this reduced optical efficiency, not all inciding light rays can be reflected onto the absorber pipe. This decrease in the collector’s optical efficiency precipitates a loss of utilizable energy for the following conversion into electrical energy, ultimately reducing the power plant’s potential annual yield and possibly threatening its profitability. It is the aim of this master thesis to develop a completely automated algorithm in Matlab that allows evaluating different inaccuracies and deviations concerning their respective effect on parabolic trough collectors and the annual yield of a solar thermal power plant. This thesis is part of a long-term research project of the German Aerospace Center (DLR) and in the course of the thesis’ development, several previously developed algorithms and validated Finite-Element Models of mirrors are incorporated into the simulation algorithm. The result of this thesis is mainly consisting of the developed algorithm and furthermore its application for the evaluation of several cases with selected load and boundary conditions. By the time of its completion within this thesis’ timeframe the algorithm can be used to automatically evaluate and compare most desired cases and give a detailed report of their influence on the power plant’s performance. Yet it still shows potential for improvement in regard of a few details, i.e. a more accurate integration and calculation of certain error mechanisms.