BA-Student entwickelt Algorithmus zur Optimierung der Vorheizstrategie für Tower CSP

May 08, 2024

Gepostet am 2. September 2022, 10. Juli 2023, Autorin Susan Kraemer

BILD@Isabell Reisch aus ihrer Arbeit Preheat Strategy of a Molten Salt Test Receiver

Ein Großteil der bei SolarPACES behandelten Forschung im Bereich der konzentrierten Solarenergie (CSP) wird von internationalen Postdoktoranden und Professoren vorangetrieben, aber da der Bedarf an Klimalösungen zunimmt, zieht sie die Aufmerksamkeit jüngerer Forscher mit MINT-Hintergrund in Mathematik, Physik und Chemie auf sich .

Während ihres BA-Studiums in Deutschland beschloss Isabell Reisch, einen Algorithmus zu entwickeln, um ein wenig erforschtes Problem im Turm-CSP zu lösen; Bestimmung der optimalen Vorwärmstrategie für das „Einfrieren“ der Wärmeübertragungsflüssigkeit aus geschmolzenen Salzen bei 240 °C.

Schon als Gymnasiastin begeisterte sie sich für die Arbeit im Bereich Solarenergie und entschied sich nach ihrem klassischen Abitur in Physik, Chemie und Mathematik für ein Maschinenbaustudium mit Schwerpunkt Energietechnik. Im Rahmen ihrer Bachelorarbeit hatte sie die Möglichkeit, am Institut für Solarforschung des DLR eine Lösung zur solaren Vorwärmung zu entwickeln.

„Das Thema solare Vorwärmung ist in der Literatur sehr selten“, kommentierte Reisch. „Am häufigsten kommt es aus Vant-Hull. Er beschreibt einen Vorheizalgorithmus, der die zulässige Flussdichte als Funktion der Empfängertemperatur beschreibt.“

Der von ihr entwickelte Algorithmus baut auf dieser Basis auf und berücksichtigt nicht nur die Receivertemperatur, sondern auch die Umgebungsbedingungen, den DNI und den Solarfeldwirkungsgrad – in diesem Fall für das Solarfeld und den Receiver am DLR-Testgelände in Jülich. DNI und Solarfeldeffizienz hängen von der Höhe und dem Azimutwinkel ab und sind somit abhängig vom Standort und der Tageszeit.

„Der höchste DNI liegt hier nur bei etwa 1000 kW/m²“, bemerkte sie. „Dieser Algorithmus wurde speziell für das Solarfeld und den Salzschmelze-Testreceiver in Jülich entwickelt. Der Heliostaten-Feldwirkungsgrad und die Heliostaten-Feldleistung des Solarfeldes in Jülich fließen in den Algorithmus ein.“

Eines der neuen Solarturm-CSP-Projekte in China – der optimale Vorheizalgorithmus für den Receiver auf dem Turm würde je nach Standort, Solarressourcen, Solarfeldeffizienz und anderen Variablen an jedes Projekt angepasst.

Natürlich eignet sich CSP für Regionen mit höheren Solarressourcen wie Spanien und Italien sowie für Wüstenregionen in China, Australien, dem Südwesten der USA, Chile, Marokko und den Golfstaaten. „Die Vorwärmstrategie müsste an diese Standorte angepasst werden“, sagte sie. „Die Anpassung der DNI-Berechnung an den Standort ist einfach. Die Anpassung der Heliostat-Feldeffizienz ist nicht trivial. Dafür müssten für jedes Solarfeld vorab Simulationen oder Tests durchgeführt werden.“

Die Feldleistung von Heliostaten ändert sich mit der Zeit, ebenso wie der DNI. Beide sind eine Funktion des Azimutwinkels und der Elevation. Eine weitere Variable ist der Absorberrohrdurchmesser. Je größer der Durchmesser, desto größer ist das Risiko von Temperaturgradienten und -transienten und desto langsamer ist der Vorwärmvorgang. Insgesamt hängt die Herausforderung von der Konfiguration des Receiverdesigns und des Wärmeträgermediums ab und muss an diese angepasst werden.

Bei so vielen beweglichen Zielen ist dies ein komplexer Tanz, daher ist das Vorwärmen ein äußerst komplexer Prozess. All diese Veränderungen müssen in der von ihr entwickelten Formel berücksichtigt werden.

Der Algorithmus wird benötigt, um ein gut verstandenes Problem mit geschmolzenen Salzen als Wärmeübertragungsmedium in Solarturm-CSP zu verhindern.

CSP erzeugt Wärme, indem es Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln konzentriert, die einen Turm mit einem Solarreceiver an der Spitze umgeben, und die geschmolzenen Salze fließen durch Rohrleitungen, um die Wärme vom Receiver zum Wärmespeichertank zu übertragen. Während geschmolzene Salze bei Temperaturen bis zu 565 °C Wärme hervorragend übertragen können, beginnt das Salz zu kristallisieren, wenn die Temperatur auf 240 °C sinkt.

Während der Nacht, wenn der Behälter nicht verwendet wird, wird der Behälter entleert und die Salzschmelze in einen isolierten Tank überführt. Bevor der Solarbetrieb wieder möglich ist, müssen alle Leitungen, die die Salzschmelze transportieren, vorgewärmt werden, um eine Kristallisation des Salzes und damit eine Verstopfung und Beschädigung der Leitungen zu verhindern.

Das Problem besteht darin, dass an den Rohrleitungen des Systems zwar elektrische Widerstandsheizungen angebracht werden können, um die Vorwärmung am Morgen durchzuführen, die kleinen Absorberrohre, aus denen der Solarreceiver selbst besteht, jedoch nicht auf die gleiche Weise erwärmt werden können.

„Für die Absorberrohre im Receiver ist dieser Ansatz nicht anwendbar“, erklärt Reisch, „weil die solare Flussdichte im täglichen Betrieb zu einem hohen Energieeintrag führt, der die Widerstandsheizungen zerstören würde.“ Daher müssen die Absorberrohre durch die reflektierte Energie der Sonne mit Sonnenenergie vorgewärmt werden.“

Da diese Röhren im Solarreceiver während dieser Vorheizung leer sind; Nur mit Luft gefüllt, ist die Wärmeleitfähigkeit sehr gering. Durch die Fokussierung von Heliostaten treten hohe Temperaturgradienten und Temperaturtransienten auf.

„Die Vorheizstrategie berücksichtigt das Erreichen einer Zieltemperatur um 290 °C; oberhalb des Kristallisationspunkts bis zu einem maximalen Temperaturübergang von etwa 30 K/min, der vom Hersteller der Empfängerbeschichtung angegeben wird“, sagte sie.

Reisch entwickelte diese Formeln mithilfe optischer und thermischer Simulation. Mit Hilfe der optischen Simulation stellte sie einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der zu fokussierenden Heliostaten und der auf den Empfänger einfallenden Sonnenflussdichte her.

Mit Hilfe der thermischen Simulation baute sie einen Zusammenhang auf, der die auftretenden Temperaturen und Temperaturtransienten als Funktion der solaren Flussdichte darstellt. Durch die Verbindung dieser beiden Ergebnisse leitete sie dann die Beziehung zwischen der Anzahl der Heliostaten, die zum Erreichen der Zieltemperatur fokussiert werden müssen, und der Aufrechterhaltung der Temperaturanstiegsrate ab.

„Die bestrahlte Seite erwärmt sich schnell, die Rückseite des Schlauchs ist jedoch kühler, was zu hohen Temperaturgradienten führt.“ BILD@Isabell Reisch von der Vorheizstrategie eines Testempfängers für geschmolzenes Salz

Ein weiteres zu berücksichtigendes Problem sind die auftretenden Temperaturgradienten in den Receiverrohren.

Die bestrahlte Seite erwärmt sich schnell, die Rückseite des Schlauchs ist jedoch kühler, was zu hohen Temperaturgradienten führt. Bisher galten stets Temperaturtransienten und nicht Temperaturgradienten als limitierender Faktor. Wie sich die auftretenden Temperaturgradienten auf die Vorheizstrategie auswirken, ist Gegenstand der nächsten Arbeit.

Nach einem Feldversuch auf dem DLR-Testgelände in Jülich verfeinert sie nun als technische Mitarbeiterin beim DLR die Strategie weiter und absolviert gleichzeitig ihr Maschinenbau-Masterstudium an der Universität Stuttgart.

Die Evaluierung und die Prüfung selbst waren zum Zeitpunkt des Interviews noch nicht abgeschlossen.

„Die Entwicklung ist noch im Gange, aber wir sehen einen Unterschied zwischen der Praxis im wirklichen Leben und der Simulation“, sagte sie. „Der nächste Schritt besteht also darin, die Vorheizstrategie an die realen Bedingungen anzupassen.“

Der On-Sun-Test zeigt, dass einige Anpassungen erforderlich sind, damit sich ein potenzieller Betreiber einer CSP-Anlage, die diesen Algorithmus verwendet, auf die Berechnung im Algorithmus verlassen kann. Derzeit ist die Vorwärmstrategie nicht vollständig automatisch; Die endgültige Entscheidung müsste immer noch der Betreiber treffen.

Insgesamt ist die Inbetriebnahme der Vorwärmstrategie jedoch gut verlaufen. Die Ergebnisse des Tests werden dieses Jahr auf der SolarPACES-Konferenz in New Mexico in Form einer mündlichen Präsentation vorgestellt und in einem Papier veröffentlicht, das auf ihrer Studie „Preheat Strategy of a Molten Salt Test Receiver“ basiert. Reisch wird für die Konferenz nicht in die USA reisen, aber ihr Kollege, der sich ebenfalls mit dem Thema solare Vorwärmung beschäftigt, wird vor Ort sein, um die Ergebnisse vorzustellen.

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KategorienCSP News & AnalysisTagsCSP-Forschungschancen, DLR, Heliostaten, Solarreceiver, Frauen in CSP