Measurement methods for investigating the air return Ratio of open volumetric receivers at solar power Towers. Messverfahren zur Untersuchung der Luftrückführrate an offenen volumetrischen Receivern von Solarturmanlagen

Kurzfassung

Kostenreduzierung spielt bei der konzentrierenden Solarthermie eine maßgebliche Rolle. Daher ist es essentiell, alle Faktoren, die den Systemwirkungsgrad einer Solarturmanlage beeinflussen, zu quantifizieren. Die Luftrückführrate ist ein Schlüsselfaktor des offenen volumetrischen Solarreceivers, welche das Verhältnis von zurückgeführter Luft zu eingesaugter Luft beschreibt. Um einen hohen Receiverwirkungsgrad zu erreichen, ist es wichtig, die Luftrückführrate zu erhöhen. Viele Parameter, wie z. B. die Windgeschwindigkeit und -richtung, die Geometrie des Receivers sowie die Betriebsweise, haben einen Einfluss auf die Strömung vor dem Receiver und somit auch auf die Luftrückführrate. Daher ist es essentiell, die Luftrückführrate messtechnisch zu quantifizieren und die Strömung vor dem Receiver zu visualisieren. Bislang wurde dies weder auf einem industriellem Maßstab noch unter dem Einfluss von konzentrierter Solarstrahlung umgesetzt. Die Entwicklung eines Messverfahrens zur Quantifizierung der Luftrückführrate mit möglichst hoher Präzision stellt den Kern dieser Arbeit dar. Weiterhin wurde erstmalig die Rückführluft vor dem Receiver visualisiert. Diese erlaubt ein besseres Verständnis der auftretenden Strömungsphänomene, welche maßgeblich die Luftrückführung bestimmen. Messverfahren, die dies ermöglichen, wurden in dieser Arbeit im Labormaßstab entwickelt, unter Betriebsbedingungen erprobt und erfolgreich am Solarturm Jülich angewandt.Um die Luftrückführrate quantitativ zu bestimmen, wurden drei Varianten eines neuartigen, zirkulären Indikatorgasverfahren entwickelt. Das Indikatorgas wurde hierbei entweder kontinuierlich oder intermittierend dem offenen Luftkreislauf hinzugefügt und über die unvollständige Luftrückführung verdünnt. Der Stoffmengenanteil des zugeführten Edelgases Helium wurde mittels eines Massenspektrometers im Luftkreislauf bestimmt und daraus die Luftrückführrate berechnet. Eine zeitliche Auflösung von 0.5 s wurde erreicht. Eine maximale Luftrückführrate von (68.6 ± 0.7)% mit 95% Konfidenzintervall wurde unter Bestrahlung mit konzentrierter Solarstrahlung am Versuchskraftwerk Jülich gemessen. Dieser Wert ist höher als die bisher angenommene Luftrückführrate von 60%. Dieser Unterschied in der Luftrückführrate entspricht einem 4−5% höherem Gesamtsystemwirkungsgrad. Die Visualisierung der Rückführluft wurde erstmalig mit einer zu diesem Zweck entwickelten Induzierten Infrarot Thermographie erzielt. Hierbei wurde die Rückführluft mit Kohlenstoffdioxid angereichert und somit eine erhöhte Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich induziert. Die von der Rückführluft abgegebenen Strahlung konnte mittels einer Infrarotkamera visualisiert werden. Cost reduction plays a significant role in the field of concentrated solar thermal energy. It is therefore essential to quantify all factors that influence the energy conversion efficiency. The air return ratio is a key factor for the overall efficiency of the open volumetric receiver. It is the fraction of the blown out air which is sucked in again through the solar receiver. To achieve a high receiver efficiency it is therefore important to increase the air return ratio. Many variables such as wind speed and direction, geometry of the receiver design and operational mode influence the air flow in front of the receiver. This in turn influences the air return ratio. It is therefore of vital importance to be able to measure the air return ratio and furthermore visualize the air flow in front of the receiver. The air return value was prior to this work unknown on a large scale and under concentrated solar irradiation.The development of a measurement technique for the quantification of the air return ratio with maximum accuracy is the main objective of this thesis. The second objective lies in the visualization of the returned air. This improves the understanding of the occurring flow phenomena which govern the air return ratio. The measurement methods were developed at a lab scale, tested under operating conditions and successfully demonstrated at the solar tower Jülich. In order to measure the air return ratio, three variants of a novel circular tracer gas measurement technique have been developed. The tracer gas is injected either continuously or intermittently into the open air system. The tracer gas is diluted by the imperfect air return ratio. The mole fraction of the injected noble gas helium is measured with a mass spectrometer within the air system, from which the air return ratio is determined. A temporal resolution of 0.5 s has been achieved. A maximal air return ratio of (68.6 ± 0.7)% with 95% confidence interval has been measured during irradiation with concentrated sunlight at the solar tower power plant Jülich. This is higher than thepreviously assumed air return ratio of 60%. This difference corresponds to a 4 − 5% higher overall system efficiency. The return air in front of the receiver was visualized for the first time with the newly developed Induced Infrared Thermography. Hereby, carbon dioxide is added to the return air. This induces a larger amount of radiationbeing given off in the infrared region. This radiation from the return air is visualized using an infrared camera.