Modellierung der Verschmutzungsrate in konzentrierenden solarthermischen Kraftwerken

Kurzfassung

Durch Verschmutzung der Solarspiegel wird die Effizienz eines solarthermischen Kraftwerkes merklich beeinträchtigt. Die Ablagerung von Partikeln auf die Solarspiegel bewirkt einen teilweisen Verlust einfallender Bestrahlungsstärke während der Reflexion. Dadurch wird der Ertrag eines Kraftwerks verringert, oder der Verlust wird durch erhöhte Reinigungskosten kompensiert. Für viele potenzielle Standorte für konzentrierende Solarthermie (CSP) ist keine Information zur Verschmutzungsbelastung verfügbar. Für Wetterparameter steht hingegen eine große Anzahl von Datenbasen aus Messnetzwerken und Vorhersagemodellen zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit ist es, bestehende Datenbasen einzubinden indem die Verschmutzung von Solarspiegeln in Abhängigkeit von Wetterparametern abgebildet wird. Meteorologische Parameter und die Verschmutzungsrate (Soiling-Rate) eines Solarspiegels werden am DLR für die Standorte der PSA in Südspanien und Missour in Marokko gemessen. Auf Grundlage der Messwerte wird ein Modell für die vorhergesagte Verschmutzungsrate erstellt und schließlich mit der tatsächlich gemessenen Verschmutzungsrate verglichen. Der erste Ansatz besteht darin, das Verhältnis der mittleren Partikelgrößenverteilung auf verschmutzten Spiegeloberflächen und der Partikelanzahlkonzentration in der Luft über den Exponierzeitraum empirisch zu bestimmen. Die sich daraus ergebende größenaufgelöste Abscheiderate wird auf einen Messdatensatz der Partikelanzahlkonzentration angewendet und die projezierte Oberfläche der Partike POPart bestimmt. Für den Zusammenhang zwischen POPart und der gemessenen Soiling-Rate kann ein Pearson’scher Korrelationskoeffizient (PCC) von 0,389 erreicht werden. Damit konnte der Zusammenhang aus einer früheren Untersuchung verbessert werden. Dort wird die Korrelation zwischen dem PM10 Wert und der Soiling-Rate mit einem PCC von 0,289 für den gleichen Datensatz bestimmt. Da die Verschmutzung auch von weiteren Wetterparametern abhängig ist, wird in einem nächsten Schritt ein physikalisch motivierter Ansatz zur Modellierung der Verschmutzungsrate gewählt. Dabei werden auf Grundlage von Überlegungen zur Partikeldeposition in Staubtransportmodellen Modellgleichungen für Depositionsmechanismen hergeleitet. Diese beschreiben die Ablagerung von Partikeln auf eine Spiegeloberfläche durch die Prozesse der Sedimentation, Impaktion und durch die Brownsche Bewegung. Zusätzlich wird zwischen turbulenten und laminaren Strömungsverhalten der Umgebungsluft unterschieden. Als Modellvariablen fließen die meteorologischen Parameter Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag und Partikelanzahlkonzentration ein. Außerdem wird die Ausrichtung der Spiegeloberfläche berücksichtigt. Das Modell wird auf Grundlage eines Referenzdatensatzes, welcher auf der PSA aufgenommen wurde, entwickelt. Die vom Verschmutzungsmodell bestimmte Ablagerungsrate AR korreliert mit einem PCC von 0,598 mit der gemessenen Soiling-Rate. Die Modellvalidierung erfolgt für die Standorte PSA und Missour. Zur Validierung ist die Angabe des PCCs aufgrund seiner Definition nicht sinnvoll. Daher wird das Bestimmtheitsmaß R2 zur Bewertung der Modellgüte berechnet. Für den Validierungszeitraum PSA wird ein R2 von 0,322 bestimmt. Für den Validierungszeitraum Missour wird ein R2 von 0,304 erreicht. Für den Referenzzeitraum entspricht der PCC von 0,598 einem R2 von 0,358. In dieser Arbeit wurde ein Modell zur Beschreibung der Verschmutzungsrate aufgestellt und validiert. Es eröffnet die Möglichkeit zur großflächigen Beschreibung und Vorhersage der Verschmutzung aus Wettermodellen.