Fensterkühlung für solare Hochtemperatur-Receiver

Kurzfassung

In solar thermal receiver development for solar-fossil combined cycle power plants, high receiver air outlet temperatures are desirable to increase the solar share of electricity generation. However, an increase in outlet temperature above 800°C in volumetric, pressurized receivers causes the quartz glass window to overheat. In this work, the problem is solved through the use of an external window cooling system. Cooling is done by several air jets incident on the concave window. First, a thermodynamic receiver model is developed for a detailed analysis of excess window heating. Then, different cooling configurations are examined in CFD simulations and laboratory measurements. For the experimental investigation, a periodic-transient technique for high spatial resolution measurement of the convective heat transfer coefficient on two-dimensionally curved surfaces was further developed. Numerical and experimental studies show that, due to spatial limitations for positioning the nozzles, an asymmetric cooling configuration with air mass flow pulsation is the best solution. Full-scale solar testing validates the models and correlations developed in this work. [DE] In der Entwicklung solarthermischer Receiver für solar-fossile GuD-Kraftwerke werden hohe Receiverluftaustrittstemperaturen angestrebt. Dies ermöglicht die Erhöhung des Anteils solar erzeugten Stromes. Eine Steigerung der Austrittstemperatur über 800°C führt jedoch bei volumetrischen Druckreceivern zu einer Überhitzung des Quarzglasfensters. In der vorliegenden Arbeit wird das Problem mit einer externen Fensterkühlung, bei der das konkav geformte Fenster durch Anblasen mit mehreren Luftstrahlen gekühlt wird, gelöst. Zunächst wird zur detaillierten Analyse der Fensterüberhitzung ein thermodynamisches Receivermodell erstellt. Anschließend werden verschiedene Kühlkonfigurationen mit Hilfe von Strömungssimulationen und einem Labormessstand untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen wird ein periodisch-transientes Messverfahren zur Bestimmung des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten in hoher örtlicher Auflösung auf zweiachsig gekrümmten Oberflächen weiterentwickelt. Die numerischen und experimentellen Untersuchungen zeigen, dass aufgrund der räumlichen Restriktionen hinsichtlich der Düsenpositionierung eine asymmetrische Kühlkonfiguration mit Luftmassenstrom-Pulsation die beste Lösung darstellt. Solare Tests an einer Versuchsanlage im realen Maßstab validieren die in dieser Arbeit entwickelten Modelle und Korrelationen.