Erprobung und Weiterentwicklung eines Laufzeitverfahrens zur Massenstromdetektion anhand von Temperatursignalen in solarthermischen Parabolrinnenanlagen

Kurzfassung

Zur Ermittlung einer optimalen Wärmeausbeute und zur Durchführung einer sicheren Leistungsberechnung in einer solarthermischen Parabolrinnenanlage sind die Kenntnis des Massenstroms sowie die Temperaturen des Wärmeträgerfluids erforderlich. Die Temperaturdaten werden über Temperatursensoren ermittelt, die standardmäßig bereits in solarthermischen Parabolrinnenanlagen vorhanden sind. Um den Massenstrom in einem Loop zu bestimmen, wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt ein Verfahren entwickelt, welches keine zusätzliche Messtechnik benötigt. In diesem wird zunächst eine Defokussierung des ersten Kollektors in einem Loop durchgeführt. Die daraus resultierende Temperaturabnahme ist zeitverzögert an den in Reihe geschalteten Kollektoren anhand der Temperatursensoren messbar. Die zeitliche Verzögerung, bis die Temperaturabnahme am darauffolgenden Temperatursensor detektiert wird, wird Temperaturlaufzeit genannt. Diese lässt sich mithilfe eines Laufzeitverfahrens bestimmen. Aufgrund von Trägheitseffekten ist die Temperaturlaufzeit nicht gleich der Fluidlaufzeit, die in die Formel des Massenstroms eingeht. Zur Bestimmung der Fluidlaufzeit wurden daher verschiedene Einflussgrößen untersucht, die die Fluidlaufzeit beeinflussen und eine Korrekturfunktion bestimmt. Das Verfahren wurde mithilfe von Simulationen ermittelt. Die Korrekturfunktion für die Fluidlaufzeit wird anschließend in die Formel des Massenstroms eingesetzt und bei Kenntnis der Rohrparameter sowie Dichte kann der Massenstrom in einer realen Anlage berechnet werden. Die bestehenden Korrekturfunktionen sind für Therminol® VP-1 und Solar Salt bei bestimmten Anlagenlayouts und Betriebsbedingungen anwendbar. Der bestehende Ansatz wurde in dieser Arbeit verallgemeinert. Eine neue Korrekturfunktion wurde entwickelt, deren Form unabhängig vom verwendeten Anlagenlayout und den Betriebsparametern anwendbar ist. Die zugehörigen Regressionskoeffizienten müssen jedoch für die jeweiligen Anlagen- und Betriebsbedingungen neu bestimmt werden. Bei der Ermittlung der Korrekturfunktion wurde untersucht, welche Parameter einen Einfluss auf die Fluidlaufzeit haben. Zusätzlich wurde die Kollinearität dieser Parameter ermittelt. Das Ergebnis der Untersuchung ergab, dass einzig die Temperaturdaten in die Korrekturfunktion eingehen. Zum einen wurden diese genutzt, um mithilfe eines Laufzeitverfahrens die Temperaturlaufzeit zu bestimmen und zum anderen wurde die Temperaturdifferenz während der Defokussierung berechnet. Anschließend wurden verschiedene Funktionen mit unterschiedlichen Parameterkombinationen erstellt und die Stabilität der Regressionskoeffizienten sowie der mittlere absolute Fehler untersucht. Zum Schluss wurde eine Korrekturfunktion ausgewählt, die einen geringen mittleren absoluten Fehler und eine niedrige Standardabweichung der Regressionskoeffizienten aufweist. Die ermittelte Korrekturfunktion beinhaltet einen linearen Term der Temperaturlaufzeit sowie einen linearen und quadratischen Term der Temperaturdifferenz während der Defokussierung. Die Validierung der Korrekturfunktion erfolgte anhand von Residuenplots. Außerdem wurden weitere Simulationen für die Validierung der Korrekturfunktion durchgeführt und der mittlere absolute Fehler berechnet. Es wird empfohlen, sobald andere Anlagenparameter genutzt werden, neue, anlagenspezifische Regressionskoeffizienten zu ermitteln. Die Bestimmung der Regressionskoeffizienten der Korrekturfunktion und die Berechnung des Massenstroms wurden automatisiert. Durch die Automatisierung ist es möglich nach Eingabe der Anlagenparameter in einer Jupyter Notebook Oberfläche die anlagenspezifische Korrekturfunktion sowie den Massenstrom zu ermitteln. Dieses Verfahren ermöglicht es, den Massenstrom mithilfe der Temperaturdaten kostengünstig in Parabolrinnenanlagen zu bestimmen.