Analysis of Parabolic Trough Concentrator Mirror Shape Accuracy in Laboratory and Collector

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit untersucht den Ein�uss von verschiedenen Parametern und Messrandbedingungen auf die Formgenauigkeit von Parabolrinnenkonzentratorspiegeln der RP3-Geometrie mittels optischer Messungen und Finiter-Elemente-Methode. Dazu werden de�ektometrische Messungen in typischen Labormesslagen durchgeführt: in vertikaler und horizontaler Ausrichtung, sowohl mit als auch ohne Befestigung der Spiegel an einen Halterahmen. Die Ergebnisse dienen zur Validierung �niter Elemente Modelle, mit denen der Unterschied in der Formgenauigkeit sowohl zwischen den einzelnen Messlagen als auch für horizontal auf verschieden biegesteife Halterahmen aufgelegte Spiegel berechnet wird und die Auswirkungen schief auf die Spiegelrückseite aufgeklebter Befestigungselemente bewertet werden. Die durch die Schwerkraft verursachte Verformung der im Kollektor eingebauten Spiegel wird in verschiedenen Betriebspositionen auf zwei exemplarischen Kollektorstrukturen bestimmt. Die Umrechnung von Labormessergebnissen verschiedener Messlagen ineinander und die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die erreichte Formgenauigkeit im Kollektor wird geprüft. Der Formgenauigkeitsunterschied zwischen vertikaler und horizontaler Labormesslage liegt in der Gröÿenordnung der von den Spiegeln typischerweise erreichten Formgenauigkeit: bis zu 0.8 mrad im quadratischen Mittelwert der Steigungsabweichung (SDx) und 3.3mm im quadratischen Mittelwert der Fokusabweichung (FDx) für RP3-Innenspiegel. Die schwerkraftbedingte Verformung und die daraus resultierende Steigungsabweichung wird auf drei verschiedenen Halterahmen modelliert: einem ideal biegesteifen Halterahmen, einem Labormessrahmen und einem ideal biegesteifen Rahmen mit elastischen Verbindungselementen zum Spiegel. Die Di�erenz in der Formgenauigkeit von RP3-Innenspiegeln zwischen idealem Rahmen und Rahmen mit elastischen Elementen beträgt 0.5 mrad (SDx) und 1.8mm (FDx). Bei ideal biegesteifem Halterahmen bewirken im Winkel schräg angebrachte Befestigungselemente zusätzliche lokale Steigungsabweichungen mit gleichem Betrag. Über den Bereich aller Kollektorbetriebspositionen variiert die Formgenauigkeit von RP3-Innenspiegeln auf ideal steifer Trägerstruktur aufgrund der Verformung durch die Schwerkraft um bis zu 1.0 mrad im SDx im Vergleich zur Idealform beziehungsweise um bis zu 1.2 mrad im SDx im Vergleich zur Form in Kollektorzenitstellung. Für RP3-Innenspiegel auf ideal steifer Trägerstruktur mit elastischen Verbindungselementen betragen die entsprechenden Werte 1.6 mrad und 2.1 mrad. Während die entwickelten Modelle der Spiegel auf dem aborhalterahmen eine Umrechnung und damit einen Vergleich von Messergebnissen in verschiedenen Lagen erlauben, müssen die Modelle der Kollektorträgerstruktur weiter verfeinert werden, um die Umrechnung von Labor- in Kollektormessergebnisse zu ermöglichen. Die Untersuchungen zeigen, dass Messlage, Befestigungsart und eingesetzter Halterahmen für reproduzierbare Messergebnisse dokumentiert werden müssen und als Messrandbedingungen in künftigen Richtlinien für die optische Vermessung von Re�ektoren konzentrierender Solarkollektoren de�niert werden sollten. Die Überprüfung der Winkelgenauigkeit der Befestigungselemente gehört zur vollständigen Bewertung eines Spiegels. Die Daten standardisierter Formgenauigkeitsmessungen können dann zur aussagekräftigen Ertragsberechnung solarthermischer Kraftwerke dienen und Optimierungsansätze bewerten.