Thermische und mechanische Analyse eines Rohrreceivers für Salzturmkraftwerke

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der thermodynamischen Untersuchung eines Rohrreceivers für Salzturmkraftwerke. Turmkraftwerke verwenden hochkonzentrierte solare Direktstrahlung zur Erwärmung eines Arbeitsmediums. Über ein Heliostatenfeld wird die solare Strahlung reflektiert und auf einen Receiver konzentriert. In dieser Arbeit wird als Arbeitsmedium das sogenannte Solar Salt verwendet, ein Gemisch aus Natrium- und Kaliumnitrat. Die Salzschmelze bietet im Vergleich zu gasförmigen Medien eine hohe Wärmekapazität und kann zeitgleich als Speichermedium verwendet werden. Als problematisch gilt der Temperaturbereich, ab der sich die Schmelze chemisch zersetzt bzw. erstarrt. Die Volumenausdehnung durch das Auftauen erstarrter Schmelze erzeugt Spannungen in den Absorberrohren und kann die Lebensdauer des Receivers verringern. Weiterhin ist das Auftauen der Schmelze in einzelnen Rohren technisch und energetisch aufwendig. In dieser Arbeit werden thermodynamisch-transiente Vorgänge wie Wolkendurchgänge analysiert, bei denen die Einstrahlungsintensität in den Receiver und somit die Temperatur der Schmelze hohen Schwankungen unterliegt. Die resultierenden Dichteunterschiede verursachen unterschiedliche Massenströme innerhalb der Receiverpanels und es treten thermische und zeitliche Gradienten auf. Mit analytischen und numerischen Methoden werden verschiedene Belastungszenarien berechnet und die thermodynamischen Vorgänge untersucht. Die Erkenntnisse dieser Arbeit können im Anschluss zur konstruktiven Umsetzung eines Prototypen bzw. weiteren Studien verwendet werden.