Windeinfluss auf Cavity-Receiver für solare Turmkraftwerke

Kurzfassung

Aufgrund ihrer geringen Strahlungsverluste sind Cavity-Receiver eine vielversprechende Option für Hochtemperaturanwendungen in solaren Turmkraftwerken. In bisherigen Untersuchungen zu konvektiven Verlusten dieser Receiverart ist der Einfluss von Wind nur unzureichend berücksichtigt worden, insbesondere bei geneigten Receivern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss von Wind auf die konvektiven Verluste von Cavity-Receivern für solare Turmkraftwerke unterschiedlicher Neigungen systematisch untersucht. Ein verkleinertes Modell wurde in einem kryogenen Windkanal bei einer Umgebungstemperatur von -173 °�C untersucht. Die Ergebnisse können durch die Ähnlichkeitstheorie auf Cavity-Receiver für solare Turmkraftwerke mit einer Grashof-Zahl von Gr = 3,9 x 10/ /10 und Reynolds-Zahlen bis Re = 5,2 �x 10 /5 übertragen werden. Die Untersuchung zeigte, dass die durch Neigen erzielte Reduktion der konvektiven Verluste mit steigender Windgeschwindigkeit verkleinert bzw. vollständig egalisiert wird. Bei bestimmten Anströmbedingungen übersteigen die konvektiven Verluste von stärker geneigten sogar die Verluste von weniger geneigten Receivern. In Fällen, in denen der Wind eine Strömung parallel zur Apertur-Öffnung verursacht, können die Verluste sogar im Vergleich zu den Verlusten bei natürlicher Konvektion reduziert werden. Dieser Effekt konnte einem sich bildenden natürlichen Luftvorhang zugeordnet werden. Der gleiche Aufbau wurde ebenfalls mit Hilfe von CFD-Simulationen untersucht. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass sich die Veränderungen der Verluste durch Wind mit Hilfe der Simulationen gut vorhersagen lassen. Allerdings sind die durch die Simulationen berechneten absoluten Verluste niedriger als die experimentell bestimmten Werte. Mit Hilfe der Simulationen wurden zwei Maßnahmen untersucht, mit denen sich die konvektiven Verluste deutlich reduzieren lassen: Zum einen der Einsatz eines Luftvorhangs und zum anderen die Nutzung eines Teilfenster. Die durch das Teilfenster erzielte Reduktion wurde ebenfalls experimentell überprüft. Auch hier wurde eine gute Übereinstimmung festgestellt. Zusätzlich wurde das in der Literatur beschriebene Modell von Clausing erweitert, so dass sich mit dem erweiterten Modell der Anstieg der Verluste bei Wind für den vorgestellten Fall gut bestimmen lässt.