Experimentelle Bestimmung von Partikelabrieb in solaren Partikelreceivern

Kurzfassung

Solarthermische Kraftwerke können im zukünftigen Energiemix eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung mit regenerativen Energien spielen. Die neue Receivergeneration von Partikelreceivern hat hierbei das Potential zu höheren Systemwirkungsgraden. Sowohl bei Fallfilm- als auch bei Zentrifugalreceivern werden Keramikpartikel als Wärmeträgermedium eingesetzt. Diese unterliegen allerdings der zyklischen Beanspruchung durch Prall im Receiver. Es wurden fünf verschiedene Partikelsorten mit mittleren Durchmessern von 0.5 mm bis 1.3 mm und unterschiedlichen Dichten mit einem Einzelpartikel-Pralltester untersucht. Der Prall fand an einer Stahlplatte oder einem Partikeltarget statt. Unter den gegebenen Versuchsbedingungen (Prallgeschwindigkeiten von max. 20 m/s) konnte kein Bruch der Partikel festgestellt werden. Der Abrieb der untersuchten Partikel liegt bei maximal 300 ppm pro Prallvorgang und ist stark von der Prallgeschwindigkeit abhängig. Bei aktuellen Zentrifugalreceivern prallen die Partikel mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 m/s auf den Sammelring nachdem sie die rotierende Trommel verlassen. Bei Fallfilmreceivern erreichen die Partikel beim Prall im unteren Teil des Receivers Geschwindigkeiten von bis zu 15 m/s. Die Abriebsmessungen ergeben für diese Geschwindigkeiten einen durchschnittlichen Abrieb von 45 ppm pro Prall beim Zentrifugalreceiver und 140 ppm beim Fallfilmreceiver. Es wurde ein Modell entwickelt, um den Einfluss des entstehenden Abriebs auf die thermische Leistung des Receivers zu untersuchen. Hierbei wurde der thermische Verlust durch den ausgetragenen Staub und durch die Absorption von Strahlung durch die staubhaltige Luft betrachtet. Der thermische Verlust durch Staubaustrag beträgt stets unter 1.5 ‰ und fällt damit vernachlässigbar klein aus. Die Absorption von Strahlung durch die staubhaltige Luft im Receiver kann, je nach angenommener Staubpartikelgröße, einen relevanten Einfluss haben. Der genaue Durchmesser der Staubpartikel ist bisher nicht bekannt, daher wurde dieser im vermuteten Bereich von 10 μm bis 1 μm angesetzt. Bei diesen Durchmessern wird in einem 2.5 MW Zentrifugalreceiver zwischen 2 % (10 μm Staubdurchmesser) und bis zu 40 % (1 μm Staubdurchmesser) der einfallenden Strahlung durch den Staub absorbiert. Der Partikelmassenverlust durch Abrieb verursacht bei Leistungen bis 50 MW Nachfüllkosten von weniger als 0.60 €/MWh.