Dynamic wind loads on heliostats

Vasquez Arango, Juan Felipe; Pitz-Paal, Robert; Breuer, Michael

doi:HT019210212

Dynamic wind loads on heliostats = Dynamische Windlasten auf Heliostaten

Vasquez Arango, Juan Felipe

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Juan Felipe Vásquez Arango

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xii, 114 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor) ; Breuer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-122257
DOI: 10.18154/RWTH-2016-12225
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/681121/files/681121.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/681121/files/681121.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dynamic wind loads (frei) ; heliostat (frei) ; solar concentrator (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit beschreibt eine Methodologie zur Bestimmung der dynamischen Windlasten auf solare Konzentratoren den sogenannten Heliostaten. Die Methodologie, die auf numerischen Simulationen basiert, wurde auf ein konventionelles Heliostatdesign angewendet, um die Reaktion der Struktur zu ermitteln, die der atmosphärischen Grenzschicht (AGS) ausgesetzt ist. Large-Eddy Simulationen (LES) wurden an einem vereinfachten Model eines Heliostaten bei verschiedenen Elevationswinkeln durchgeführt, um die zeitabhängigen Windlasten vorherzusagen. Anhand der Winddatenanalyse und Literaturdaten wurde die AGS als Einlassrandbedingung in den Strömungssimulationen über synthetische Turbulenzgenerierung mittels der Vortex Method abgebildet. Ein detailliertes Finite-Elemente (FE) Modell eines 8 m^2 Heliostaten wurde erstellt und mit Messungen mittels Modalanalyse validiert. Mit Hilfe der Ergebnisse aus der Modalanalyse konnten die Moden identifiziert werden die anfällig sind, von fluktuierenden Windlasten angeregt zu werden. Das FE Modell in Kombination mit den experimentell ermittelten Dämpungskoeffizienten wurden verwendet, um ein dynamisches FE Modell des Heliostaten zu entwickeln. Die zeitabhängigen Signale der Drucklasten aus den LES wurden als Randbedingung in den dynamischen FE Simulationen verwendet, um die Antwort der Struktur unter kritischen Windbedingungen zu berechnen. Bei der Analyse der transienten FE Ergebnisse wurde festgestellt, dass der Beitrag der Trägheitskräfte und der Resonanzeffekte zu den Reaktionslasten signifikant ist. Darüber hinaus wurde ein vereinfachtes Verfahren, bekannt als Spektralverfahren, auf den Heliostat angewendet, um die Strukturantwort statistisch abzuschätzen. Das Verfahren arbeitet im Frequenzbereich und verwendet Übertragungsfunktionen, um die spektrale Verteilung und statistischen Werte der Lasten und Verschiebungen zu ermitteln. Unter Verwendung der Lastspektren wurden Zeitsignale mittels inverser Fourier Transformation zurückgewonnen, die wertvolle Information für die Dauerfestigkeitsanalyse liefern. Außerdem wurde das Spektralverfahren in Kombination mit Winddaten benutzt, um den optischen Fehler des Heliostaten, der durch dynamischen Windlasten induziert wird, vorauszuberechnen. Es wurde herausgefunden, dass der jährlich gemittelte optische Fehler für den betrachteten Betriebspunkt im Vergleich zu Referenzwerten aus der Literatur nicht signifikant ist.

This PhD thesis describes a methodology to determine dynamic wind loads on solar concentrators known as Heliostats. The methodology, which relies on numerical simulations, has been applied to a conventional heliostat design to predict the response of the structure subjected to the turbulent atmospheric boundary layer (ABL). Large-eddy simulations (LES) have been performed on a simplified model of a heliostat at different elevation angles to predict the time-dependent wind loads. Based on wind data analysis and information from the literature, the ABL has been reproduced at the inlet boundary of the flow simulations by generating synthetic turbulence via the Vortex Method. A detailed finite-element (FE) model of an 8 m^2 heliostat has been generated and validated with measurements by means of modal analysis. The results from the modal analysis helped to identify the modes most likely to be excited by fluctuating wind loads. The FE model in combination with the damping coefficients determined experimentally have been used to develop a dynamic FE model of the heliostat. The time signals of the pressure loads from the LES have been used as boundary condition in dynamic FE simulations to compute the response of the structure under critical wind conditions. By analyzing the transient FE results, it was found that the contribution of inertial forces and resonance effects is significant in the reaction loads. Moreover, a simplified procedure known as the Admittance Method was applied to the heliostat to estimate statistically the response of the structure. The method works in the frequency domain and uses transfer functions to determine the spectral distribution and statistical values of the loads and displacements. Using the load spectra, time signals have been recovered by inverse Fourier transform that provide valuable information for fatigue analysis. In addition, the admittance method was used in combination with wind data to predict the optical error, known as slope error, of the heliostat induced by the dynamic wind loads. It was found that the yearly average slope error is insignificant for the operating point considered compared to reference values from the literature.

OpenAccess:
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