Herausforderungen bei der Auslegung und bei der Auslegung und Charakterisierung von innovativen Hochtemperatur…

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  • Herausforderungen bei der Auslegung und Charakterisierung von innovativen Hochtemperatur - Komponenten Sonnenkolloquium 2012, Kln Stefan Brendelberger, Thomas Fend, Peter Schwarzbzl

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 1

  • Inhalt

    Motivation Hochtemperaturkomponente Luftreceiver Receivertests Modellierung Beschreibung komplexer Absorber und deren Charakterisierung Zusammenfassung und Ausblick

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 2

  • > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 3

    - Anstieg der Wrmeverluste bei hheren Temperaturen

    Motivation Komponenten fr hohe Temperaturen

    Ziel: Entwicklung effizienter Komponenten fr den Einsatz bei hohen Temperaturen

    Nach C.-J. Winter et al. Solar Power Plants, Springer 1991

    - Wirkungsgrad Wrme-Kraft-Maschine durch Thermodynamik vorgegeben

    - Carnot-Wirkungsgrad oberes Limit - Hhere Temperaturen bieten Potential fr

    hheren Prozess-Wirkungsgrad

  • Turmsysteme

    - Fr Temperaturen ber 800C sind Punktfokussysteme erforderlich

    - Hchste Temperaturen treten im Receiver auf

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 4

  • Receivertypen Rohrreceiver Luftreceiver

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 5

    Rohrreceiver - hchste Material-

    temperaturen auen - hohe Wrmeverluste Luftreceiver - volumetrischer Effekt niedrige Fronttemperatur - geringere Materialbelastung - geringere Wrmeverluste - hhere Wirkungsgrade

    N. Ahlbrink Modellgesttzte Bewertung und Optimierung der offenen Luftreceivertechnologie 2012

  • HiTRec - Technologie

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 6

    0.02 m Absorber

    0.57 m Submodul

    5.7 m Teilreceiver (Solair Receiver auf PSA)

    22.7m Receiver in Jlich

    -Hochskalierung auf Halb- oder Vollzylinder mit mehreren 100m Receiverflche OVABSOL Grundlagen

  • Absorberstrukturen

    Drahtgeflecht - Filz

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 7

    Schaum

    Parallelkanalstruktur - metallisch

    - keramisch

    Porse Strukturen aus Metall oder Keramik

  • Luftreceiver Teststand - Xenon-Kurzbogenlampen - Schwenktarget zur Intensittsmessung - Leistungsdichte bis 1000kW/m - Leistung 10kW auf Apertur - Typische Fronttemperatur bis 1100C

    - Mglichkeit der Luftrckfhrung

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 8

  • Messwerte Parallelkanalstruktur

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 9

    Nach P. Schwarzbzl et al. Improvement of ceramic absorber material for open volumetric receivers, SolarPACES 2011

  • Anforderungen an idealen Receiver

    Eigenschaften:

    - Kostengnstig, langlebig, temperaturstabil

    - Hohe Absorbtion

    - Tiefes Eindringen der Strahlung

    - Gute Durchstrmbarkeit

    - Hohe Wrmebertragung

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 10

  • Receiver Optimierung

    - Receiverbeschreibung anhand von Modellen

    - Numerische Modelle

    - Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

    - Ziel:

    - Berechnung des Betriebsverhaltens

    - Bewertung unterschiedlicher Receiverdesigns

    - Entwicklung von Optimierungsstrategien

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 11

  • Modell fr keramische Parallelkanalstruktur

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 12

    Wanddicke

    Kanalhhe

  • Modellierung komplexer Strukturen

    - Durch Herstellungsprozess bedingter zuflliger Aufbau / zufllige Porenverteilung

    - Herausforderung: Geometrische Beschreibung unregelmiger Strukturen

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 13

    10mm

  • Volumenmittelung

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 14 Ortsaufgelste Berechnung der Erhaltungsgleichungen

    Homogenisierte Erhaltungsgleichungen mit effektiven Materialeigenschaften

  • > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 15

    Numerische Charakterisierung komplexer Geometrien Bestimmung effektiver Eigenschaften

    Volumennetzerstellung Effektive Eigenschaften Virtuelles Experiment

    Oberflchenextraktion Auswahl geeigneter Teilvolumina

    Segmentierung CT-Abbildung

    S. Brendelberger et al. Numerische Charakterisierung CT-gescannter Mikrostrukturen 2011

  • Bestimmung effektiver Eigenschaften Multiskalenansatz

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 16

    Porses Stegmaterial Primrporenschaum 10mm

  • Bestimmung effektiver Eigenschaften Multiskalenansatz

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 17

    Porses Stegmaterial

    Volumenmittelung ->Effektive Eigenschaften Stegmaterial

    Simulation von Receiverkomponente mit homogenisierter Absorberstruktur Primrporenschaum

    Volumenmittelung ->Effektive Eigenschaften Schaum

    S. Brendelberger Charakterisierung effektiver Eigenschaften offen-poriger Materialien in thermisch hochbelasteten Komponenten 2011

  • Zusammenfassung - Hochtemperaturkomponente Luftreceiver - Vermessung von Luftreceivern am DLR - Modellierung von Absorbern - Beschreibung komplexer Strukturen anhand effektiver

    Eigenschaften - CT-Abbildung zur numerischen Charakterisierung

    - METREC - metallische Folienstruktur im Receivermastab - INDUSOL industrielle Fertigung feiner Wabenstrukturen

    > Sonnenkolloquium 2012 > Stefan Brendelberger > 12.06.2012 www.DLR.de Folie 18

    Ausblick

    Herausforderungen bei der Auslegung und Charakterisierung von innovativen Hochtemperatur - KomponentenSonnenkolloquium 2012, KlnStefan Brendelberger, Thomas Fend, Peter SchwarzbzlInhaltMotivation Komponenten fr hohe TemperaturenTurmsystemeReceivertypenHiTRec - TechnologieAbsorberstrukturenLuftreceiver TeststandMesswerte ParallelkanalstrukturAnforderungen an idealen ReceiverReceiver OptimierungModell fr keramische ParallelkanalstrukturModellierung komplexer StrukturenVolumenmittelungFoliennummer 15Bestimmung effektiver Eigenschaften MultiskalenansatzBestimmung effektiver Eigenschaften MultiskalenansatzZusammenfassung

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