Entwicklung, Konstruktion und Aufbau eines Radiometers für einen Linearfokus-Sonnensimulator

Kurzfassung

Ein charakteristisches Merkmal von Parabolrinnenreceivern ist der optische Wirkungsgrad, der im DLR witterungsunabhängig in einem Sonnensimulatorprüfstand zweiter Generation namens OptiRec bestimmt wird. Der Prüfstand verwendet ein kalorimetrisches Messprinzip, bei dem sonnensprektumähnliches Licht erzeugt und in einem linearen Fokus den Receiver bestrahlt. Die Energie des Lichtes wird vom Receiver aufgenommen und an das innenfließende Wasser übertragen. Die Temperatur wird jeweils am Ein- und Austritt des Receivers gemessen. Über die Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausgang, kann die aufgenommene Leistung bestimmt werden. Zur Ermittlung des Receiverwirkungsgrades wird diese Leistung in Relation zur Leistungsaufnahme eines Referenzreceivers gesetzt. Um einen absoluten Wert für den Strahlungsfluss zu erhalten, soll dieser direkt gemessen werden. Im OptiRec kann diese Strahlungsflussmessung nicht integriert werden, weshalb ein neuer Prüfstand SuperRec entwickelt wird, der eine absolute Strahlungsflussmessung implementiert. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Konstruktion und der Aufbau der absoluten Strahlungsflussmessung mittels Radiometer für den SuperRec. Dabei bleiben das kalorimetrische Messprinzip und der lineare Fokus beibehalten. Das Radiometer soll als Hohlraumreceiver konstruiert werden, der paralleles Licht im Leistungsbereich 250 – 500 W absorbiert und Axialstrahlung im Winkel von 35° und Querstrahlung aus ± 60° aufnehmen kann. Während der Entwicklung wird in einer Potenzialanalyse mit GUM Workbench die erwartete Unsicherheit des Radiometers unter Normbedingungen mit und ohne In Situ-Kalibration der Temperatursensoren abgeschätzt. Die Auslegung der einzelnen Radiometerkomponenten erfolgt in Anlehnung an die Potenzialanalyse und wird mit der CAD-Software SolidWorks konstruiert. Die Absorbergeometrie ist so ausgelegt, dass jeder einfallende Lichtstahl mindestens zwei Mal absorbiert wird. Die Kupferabsorberplatten wurden mit der hochabsorbierenden Farbe Pyromark lackiert und haben rückseitige, mäandernde Ausfräsungen, zur Wasserleitung. Ein Gehäuse fasst den Absorber ein und hält eine Wärmedämmung im Zwischenraum. Da der SuperRec noch im Aufbau ist, wurde nach der Fertigung und Montage des Radiometers eine erste Inbetriebnahme im OptiRec inklusive In Situ-Kalibration der Temperatursensoren durchgeführt. Mit dem vorhandenen Netzteil konnte jedoch nur eine Kalibration bis 200 W statt 500W erzielt werden. Zum Erreichen der Nennleistung muss ein Netzteil mit höherer Spannung beschafft werden. Die Bestrahlungsbedingungen im OptiRec entsprechen nicht dem Normbetrieb des Radiometers. Durch einen geringen Massenstrom und einen hohen Leistungseintrag ist die Leistungsabfuhr unzureichend und ein Steady State kann bis zum Ende der Messung nicht erreicht werden. Jedoch stimmt der gemessene Strahlungsfluss in erster Näherung mit Erfahrungswerten aus Receivermessungen im OptiRec überein. Somit ist die grundsätzliche Entwicklung des Radiometers erfolgreich abgeschlossen, für eine aussagekräftige Charakterisierung ist jedoch eine Inbetriebnahme im SuperRec notwendig.