Experimentelle und numerische Untersuchung von 3D-profilierten Absorberstrukturen für Solarturmkraftwerke

Abstract

Am Institut für Solarforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) werden solarthermische Turmkraftwerke weiterentwickelt. In solchen Kraftwerken wird das Sonnenlicht von einer Vielzahl von Heliostaten auf einen Strahlungsempfänger konzentriert. Der Strahlungsempfänger, auch Receiver genannt, ist auf einem Turm angebracht und hat die Aufgabe die konzentrierte Solarleistung einem konventionellen Kraftwerksprozess zur Stromerzeugung zur Verfügung zu stellen. Der Receiver des Solarturmkraftwerkes Jülich beruht auf der am DLR entwickelten Offenen-Volumetrischen-Receiver Technologie HiTRec ("High Temperature Receiver"). Kern dieser Technologie sind poröse keramische Strukturen, die das konzentrierte Sonnenlicht absorbieren und dadurch das Wärmeträgerfluid Luft erhitzen. In einem aktuellen Forschungsprojekt werden neuartige poröse Strukturen für den Einsatz im offenen, volumetrischen Receiver entwickelt. Für diese Weiterentwicklung wurden Simulationsmodelle zur Bewertung der neuen Absorberstrukturen entwickelt. Die Modelle koppeln einen Raytracing-Algorithmus, der die Verteilung der solaren Einstrahlung bis in die porösen Strukturen berechnet, mit Strömungssimulationen. Letztere bilden das thermische Verhalten der Absorber ab und erlauben so die Bestimmung von Wirkungsgraden. Parallel zur Modellierung erfolgen experimentelle Untersuchungen der Absorberstrukturen im Hochleistungssonnensimulator Synlight des DLR in Jülich. In dieser Versuchsanlage können die Einstrahlungsbedingungen eines solarthermischen Kraftwerkes mit bis zu 300 kW kontrolliert reproduziert werden und Experimente unabhängig von der verfügbaren, reallen Sonneneinstrahlung durchgeführt werden. Die im Synlight durchgeführten Absorber-Experimente werden im Rahmen dieser Arbeit simulativ begleitet. Hierfür werden die am DLR entwickelten Simulationsmodelle angewendet und erweitert. Dies bedeutet Generierung von Rechengittern, Durchführen und Auswerten von Simulationen und dient dem Ziel volumetrische Absorberstrukturen über den thermischen Wirkungsgrad zu vergleichen. Ein zentrales Element der Arbeit ist der Vergleich zwischen Experiment und Simulation durch die Analyse der Differenzen der ermittelten Wirkungsgrade.