Dynamische Windlasten auf Heliostaten

Abstract

Diese Doktorarbeit beschreibt eine Methodologie zur Bestimmung der dynamischen Windlasten auf solare Konzentratoren den sogenannten Heliostaten. Die Methodologie, die auf numerischen Simulationen basiert, wurde auf ein konventionelles Heliostatdesign angewendet, um die Reaktion der Struktur zu ermitteln, die der atmosphärischen Grenzschicht (AGS) ausgesetzt ist. Large-Eddy Simulationen (LES) wurden an einem vereinfachten Model eines Heliostaten bei verschiedenen Elevationswinkeln durchgeführt, um die zeitabhängigen Windlasten vorherzusagen. Anhand der Winddatenanalyse und Literaturdaten wurde die AGS als Einlassrandbedingung in den Strömungssimulationen über synthetische Turbulenzgenerierung mittels der Vortex Method abgebildet. Ein detailliertes Finite-Elemente (FE) Modell eines 8 m^2 Heliostaten wurde erstellt und mit Messungen mittels Modalanalyse validiert. Mit Hilfe der Ergebnisse aus der Modalanalyse konnten die Moden identifiziert werden die anfällig sind, von fluktuierenden Windlasten angeregt zu werden. Das FE Modell in Kombination mit den experimentell ermittelten Dämpfungskoeffizienten wurden verwendet, um ein dynamisches FE Modell des Heliostaten zu entwickeln. Die zeitabhängigen Signale der Drucklasten aus den LES wurden als Randbedingung in den dynamischen FE Simulationen verwendet, um die Antwort der Struktur unter kritischen Windbedingungen zu berechnen. Bei der Analyse der transienten FE Ergebnisse wurde festgestellt, dass der Beitrag der Trägheitskräfte und der Resonanzeffekte zu den Reaktionslasten signifikant ist. Darüber hinaus wurde ein vereinfachtes Verfahren, bekannt als Spektralverfahren, auf den Heliostat angewendet, um die Strukturantwort statistisch abzuschätzen. Das Verfahren arbeitet im Frequenzbereich und verwendet Übertragungsfunktionen, um die spektrale Verteilung und statistischen Werte der Lasten und Verschiebungen zu ermitteln. Unter Verwendung der Lastspektren wurden Zeitsignale mittels inverser Fourier Transformation zurückgewonnen, die wertvolle Information für die Dauerfestigkeitsanalyse liefern. Außerdem wurde das Spektralverfahren in Kombination mit Winddaten benutzt, um den optischen Fehler des Heliostaten, der durch dynamischen Windlasten induziert wird, vorauszuberechnen. Es wurde herausgefunden, dass der jährlich gemittelte optische Fehler für den betrachteten Betriebspunkt im Vergleich zu Referenzwerten aus der Literatur nicht signifikant ist.