Entwicklung eines Rohrreceivers für ein solar-hybrides Mikroturbinensystem

Amsbeck, Lars; Pitz-Paal, Robert; Wetzel, Thomas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-094684

Entwicklung eines Rohrreceivers für ein solar-hybrides Mikroturbinensystem = Development of a tube receiver for a solar-hybrid microturbine system

Amsbeck, Lars

2015 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Lars Amsbeck

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (134 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor) ; Wetzel, Thomas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-094684
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/674475/files/674475.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/674475/files/674475.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
solar tower (frei) ; gas turbine (frei) ; receiver (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein metallischer Rohrreceiver mit 800°C Luftaustrittstemperatur für ein solar-hybrides Mikroturbinensystem mit einer Leistung von 100 kWel entwickelt. Dieses Solarturmsystem kann als umweltfreundlicher und gleichwertiger Ersatz für eine teure Stromversorgung mit Dieselgeneratoren in Gebieten ohne Stromanschluss dienen. Die Zufeuerung mit Brennstoffen garantiert dabei Versorgungssicherheit rund um die Uhr unabhängig von der Sonneneinstrahlung. Es zeichnet sich durch einen geringen Wasserbedarf, die zusätzliche Bereitstellung von Prozesswärme und signifikant geringere Sicherheitsanforderungen als bei konkurrierenden Systemen aus, da kein unter Druck stehendes Quarzglasfenster wie in einem volumetrischen Receiver verwendet wird. Es wird allerdings ein druckloses Quarzglasfenster zur Senkung der Verluste durch Konvektion und thermische Abstrahlung verwendet. Nach einer Diskussion der verschiedenen Receiververlustmechanismen wird ein Überblick über den Stand der Technik sowohl bei Receivern für Solarturmkraftwerke mit verschiedenen Wärmeträgern und verschiedenen Wärmeübergangsarten am Absorber gegeben. Für die 3D-Temperaturberechnung eines druckluftgekühlten Rohrreceivers wurde ein Finite-Elemente-Modell erstellt. Basierend auf eigenen Vorüberlegungen und der Analyse bereits gebauter Receiver wurden verschiedene Layouts entwickelt und detailliert untersucht. Mit dem Receiverlayout „Tipi“ wurde eine Konfiguration gefunden, die die Anforderungen Rohrwandtemperatur <900°C bei einem Wirkungsgrad >80% für ein vorgegebenes Heliostatenfeld zu allen Zeitpunkten erfüllte. Dieser Receiver wurde in einem Systemtest mit einer Mikroturbine Turbec T100 auf dem Cesa-1 Turm der Plataforma Solar de Almeria in Spanien getestet und die Ergebnisse mit den Simulationen verglichen. Die Entwicklung des Rohrreceivers war erfolgreich und hat die technische Machbarkeit eines Systems gezeigt, das einen signifikanten Beitrag zur Reduzierung der Energiearmut in der Welt leisten kann. Als nächster Schritt könnte eine kommerzielle Demoanlage an einem netzfernen Standort gebaut werden und das System mit einem Speicher erweitert werden.

In this work a metallic tube receiver with an air outlet temperature of 800°C for a solar-hybrid microturbine system was developed. This solar tower system can displace expensive diesel generators in areas without electricity in an equal and ecological way. The use of additional fuels guarantees availability around the clock independent of the solar insulation. Additional benefits are low water use, the production of process heat and significantly lower safety demands compared to competing systems, as no pressurized quartz window like in a volumetric pressurized receiver is used. However a pressure-less window is deployed to minimize convection and thermal radiation losses. After a discussion of the different receiver loss mechanism an overview of the state of art of solar tower receivers with different heat carriers and different heat transfer types is given. For the calculation of the 3D temperature field of a pressurized air cooled tube receiver a finite-element-model was developed. Based on own preliminary considerations and the analysis of already constructed receiver different layouts were developed and analyzed in detail. With the receiver layout “tipi” a configuration was found, which satisfied the requirements tube temperature <900°C and a receiver efficiency >80% for a given heliostat field at all time points. This receiver was tested in a system with a Turbec T100 microturbine on the Cesa-1 tower of the Plataforma Solar de Almeria in Spain and the results were compared to the results of the simulations. The development of the receiver was successful and showed the technical feasibility of a system, which could accomplish a significant contribution to the reduction of worldwide energy poverty. As a next step a demo system could be built in an off-grid location and a storage system could be added.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)