Bestimmung der konvektiven Verluste solarer Turmkraftwerke und Bewertung von Reduktionsmaßnahmen mit Hilfe von numerischen Simulationen

Kurzfassung

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des Einflusses von Wind auf die konvektiven Verluste von Receivern von Solarturmkraftwerkn. Am Beispiel des Solarturms Jülich wurden mit Hilfe der Software OpenFOAM numerische Strömungssimulationen für verschiedene Windrichtungen und –Geschwindigkeiten durchgeführt. Es wurde eine Vernetzungsstrategie in der Software Ansys Icem entwickelt, die eine feine Netzauflösung an den Wänden bei vertretbarem Rechenaufwand ermöglicht. Der Solarturm Jülich wurde als ein hohes Gebäude innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht simuliert. Der Einfluss der Temperatur wurde vernachlässigt und die Luftströmung als inkompressibel angesehen. Des Weiteren wurden Möglichkeiten zur Validierung der Simulation entwickelt und eine Validierung mit Hilfe von Druckmessungen an der Turmfassade durchgeführt. Für die untersuchten Zeiträume ließen sich keine periodischen Schwankungen an der Turmfassade erkennen. Bei einem Vergleich der gemessenen Druckwerte mit den entsprechenden berechneten Werten aus der Simulation ist zu erkennen, dass die Simulation die richtigen Tendenzen zeigt. In der Arbeit erfolgt daher eine qualitative Bewertung der Simulationsergebnisse. Die Auswertung zeigt, dass die Strömung in der Simulation als stationär angesehen werden kann. Zur Analyse der Volumenströme und Geschwindigkeiten vor dem Receiver wurden verschiedene Kontrollvolumina betrachtet. Für Wind aus Süden ist der Einfluss auf die konvektiven Verluste des Receivers geringer als für Wind aus Norden und Westen, da sich der Receiver auf der strömungsabgewandten Seite des Turms befindet. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit steigen die konvektiven Verluste. Es ist zu erwarten, dass der durch Wind induzierte Luftvolumenstrom vor dem Receiver grundsätzlich nicht vernachlässigbar ist. Daher werden anhand der Ergebnisse mögliche Maßnahmen zur Reduktion der konvektiven Verluste diskutiert.