Entwicklung und Inbetriebnahme eines Materialtestfeldes im solaren Strahlenschutzbereich der Forschungsebene am Solarturm Jülich

Abstract

Innerhalb dieser Arbeit wurde ein Materialtestfeld im solaren Strahlenschutzbereich der Forschungsebene am Solarturm Jülich entwickelt und in Betrieb genommen. Dabei wurde ein Strahlenschutzelement so bearbeitet, dass sechs Proben zeitgleich untersucht werden können. Die gewählte Probengröße bietet zusätzlich die Möglichkeit, das SunCatch STJ anstelle einer Probe zu verbauen und zu verwenden. Die auftretenden Einflüsse der Strahlungs- und Witterungsbedingungen können über ein Radiometer, vierzehn Thermoelemente, zwei Dehnungsmessstreifen, einer im Heliostatfeld befindlichen Kamera und einer naheliegenden Wetterstation erfasst werden. Um die Daten aller Sensoren an einem Ort erfassen zu können, wurde ein zentraler Schaltschrank aufgebaut und mit Messkarten bestückt. Des Weiteren wurden alle für die Auswertung des SunCatch STJ relevanten Messkarten in den Schaltschrank implementiert. Im Betrieb senden die Messkarten die ermittelten Messgrößen seriell über einen RS485-Bus an den PC. Die erste Visualisierung und Speicherung erfolgt über eine in dieser Arbeit programmierte LabView-Software. Da die Erfassung der Strahlungsflussdichte nur über das installierte Radiometer geschieht, wurden zwei Arten der Interpolation über ein Grauwertbild miteinander verglichen. Zum Einen wurden dabei weiß lackierte Aluminiumreflexionskörper neben den Proben und zum Anderen das umliegende weiße Coating betrachtet. Das Ergebnis daraus ist, dass beide Interpolationen fast den gleichen Korrekturfaktor für die Strahlungsflussdichte liefern. Aus diesem Grund, kann im weiteren Betrieb auf die Verwendung des Reflexionskörpers verzichtet werden. Die Inbetriebnahme erfolgte über zwei Messreihen, welche Aussagen zur Eignung von Materialien und zur Validierung der Messgrößen zulassen. Bei der Eignungsprüfung wurden weiße und schwarze Aluminiumfasern den Strahlungsbelastungen direkt ausgesetzt und es zeigte sich, dass die Farbe der schwarzen Fasern nach der Bestrahlung mit einer Endtemperatur von etwa 600 ◦C fast vollständig abgeplatzt war. Aufgrund der Tatsache, dass die Materialien im Strahlenschutzbereich des Solarturms Temperaturen bis etwa 1000 ◦C ausgesetzt sind, eignen sich die schwarzen Aluminiumfasern nicht für den Einsatz. Zur Validierung der Temperaturmessungen wurden die spezifischen Wärmeleitfähigkeiten von Aluminiumsilikatwolle, Erdalkalisilikatwolle und MACOR berechnet und mit den Angaben der Hersteller verglichen. Dabei zeigte sich, dass die berechneten Wärmeleitfähigkeiten in den richtigen Größenordnungen liegen und untereinander vergleichbare Werte liefern. Daraus ist zu schlussfolgern, dass die Temperaturerfassung des Materialtestfeldes für weitere Versuche verwendet werden kann. Um auch die Messwerterfassung mittels Dehnungsmessstreifen validieren zu können, wurde ein solcher auf die Rückseite der MACOR-Probe geklebt. Resultierend aus den erfassten Messwerten wurde der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient bestimmt und mit den Angaben aus dem Datenblatt des Herstellers verglichen. Auch hier lag das berechnete Ergebnis in der richtigen Größenordnung, was die Richtigkeit der mit Hilfe der Dehnungsmessstreifen erfassten Messwerte bestätigt. Abschließend ist zu sagen, dass das Materialtestfeld plausible Ergebnisse liefert und für weitere Realitätsversuche verwendet werden kann. Eine Materialcharakterisierung im Labor kann dadurch jedoch nicht ersetzt werden.