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Simulation and optimization of solar thermal power plants
2017
Dissertation, RWTH Aachen University, 2017
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-03-17
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-05351
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/690762/files/690762.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/690762/files/690762.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
two-phase flow, direct steam generation, solar thermal power plants, non-conservative schemes, heliostat field layout optimization (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 510
Kurzfassung
Der Anteil an Erneuerbaren Energien an der globalen Energieerzeugung ist in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Es haben sich komplett neue Industriezweige entwickelt. Unter den erneuerbaren Energien stellen die solarthermischen Kraftwerke eine vielversprechende Möglichkeit der Stromerzeugung dar. Ihre zugrundeliegende technische Idee ist dabei ziemlich einfach: Große Spiegel konzentrieren Sonnenstrahlen auf einen so genannten Receiver und erhitzen auf diese Weise eine Flüssigkeit. Die Wärmeenergie des Fluides wandelt Wasser in Dampf um, wodurch eine Turbine angetrieben wird, die dadurch Strom erzeugt.Im Rahmen der technischen Entwicklung dieser recht jungen Technologie ergeben sich permanent neue Fragestellungen. Die Angewandte Mathematik und Simulationswissenschaften bieten adäquate Techniken um einige dieser komplexen Fragestellungen zu beantworten. Damit wird ein Beitrag zur Entwicklung von effizienteren und somit wettbewerbsfähigeren solarthermischen Kraftwerken geleistet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden zwei Problemstellungen aus dem Bereich der Entwicklung und dem Betrieb von Solarthermischen Kraftwerken untersucht und erfolgreich mit Mitteln der Numerik und Optimierung gelöst.Der erste Teil der Arbeit behandelt Solarturmkraftwerke. Diese bestehen aus einem Feld von hunderten oder tausenden von Heliostaten, deren Spiegel die direkte Sonneneinstrahlung auf einen Receiver in der Turmspitze konzentrieren. Die Bestimmung der optimalen Aufstellung der Heliostaten ist nach wie vor ein offenes Problem. Da dieses globale Optimierungsproblem nicht konvexe Nebenbedingungen besitzt, wird eine Heuristik zur Lösung benötigt. Dazu wird ein Vorwärtslöser als deterministischer Raytracer entwickelt, welcher zur Verbesserung der Laufzeit Techniken der Faltungsmethoden verwendet. Die im Vergleich zu anderen Raytracern hohe Simulationsgeschwindigkeit ermöglicht es komplexere Optimierungstechniken zu verwenden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein evolutionärer Algorithmus entwickelt. Um die Konvergenzrate stark zu erhöhen wurden Modifikationen an der Genotyp-Darstellung und den evolutionären Operatoren wie Rekombination und Mutation vorgenommen. Die in dieser Arbeit entwickelte Optimierungsmethode ermöglicht die Entwicklung von effizienteren und damit wettbewerbsfähigeren Heliostatenfeldern und wurde bereits für die Optimierung einer Testanlage in Südafrika eingesetzt.Im zweiten Teil der Arbeit wird ein solarthermisches Kraftwerk mit linearen Fresnel-Kollektoren betrachtet. Parallele Reihen von großen Spiegeln werden verwendet, um Sonnenlicht auf ein Absorberrohr von etwa 1000 m Länge zu konzentrieren. Verschiedene Fluide können als Wärmeübertragung verwendet werden, wie z.B. Thermoöl, Wasser/Dampf oder geschmolzenes Salz. Für eine optimale Steuerung des Kraftwerks sind genaue Kenntnisse über die laufenden Prozesse in den Absorberrohren erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wird Wasser als Wärmeträgermedium in den Absorberrohren betrachtet. Diese Technik wird beispielsweise im Solarkraftwerk PE2 in Spanien verwendet. Bisherigen numerischen Ansätze fehlen notwendige Eigenschaften wie die Hyperbolizität oder aber es werden gewisse thermodynamische Eigenschaften wie Entropie Dissipation nicht verwendet. Mathematisch kann die Zweiphasenströmung durch ein PDE-System vom Baer-Nunziato-Typ beschrieben werden. Das entwickelte Modell erfüllt thermodynamische und mathematische Eigenschaften. Da das zugrundeliegende System nicht-konservativ ist, müssen entsprechende numerische Löser entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden ein neues pfad-konservatives Entropie-erhaltendes Schema und ein Godunov-Löser des Suliciu-relaxierten Modells entwickelt und verglichen.The contribution of renewable energies to global energy use has significantly increased over the past decades – completely new industry branches have developed. Among the renewable energy technologies, concentrated solar thermal power plants are a promising option for power generation. Their basic technical idea is quite simple: Large mirrors are used to concentrate rays of sunlight on a receiver for heating up a fluid. The heat of the fluid transfers water into steam, such that the steam powers a turbine to generate electricity.In the course of the technical progress of this young technology, permanently new issues occur. Mathematical methods and simulation sciences offer adequate techniques for understanding some of these complex processes. They can help to develop more efficient and thus more competitive solar power plants. Within this work, two problems out of the construction and operation of solar thermal power plants are regarded and are successfully solved with the help of numerics and optimization.The first part deals with a solar tower power plant which consists of a field of hundreds or thousands of heliostats whose mirrors concentrate the direct solar radiation onto a receiver placed at the top of a tower. An open problem is to find the optimal placement of the heliostats around the tower. Because this global optimization problem has non-convex constraints a heuristic is needed to solve this problem. A forward solver is modeled as a deterministic ray-tracer using ideas from the convolution method. Due to its fast simulation speed compared to state of the art solvers, this model allows for more complex optimization techniques. Within this work, an evolutionary algorithm is developed, where modifications to the genotype representation and the evolutionary operators like recombination and mutation has been made to increase the convergence rate dramatically. Numerical results show the applicability of this approach. The optimization method developed within this work can be used to yield more efficient and thus more competitive heliostat fields. This tool was already used for the optimization of a test facility in South Africa.In the second part, a solar thermal power plant with linear Fresnel collectors is regarded. Parallel rows of large mirrors are used to concentrate rays of sunlight on a long absorber tube of about 1000 m length. Different fluids can be used as heat transfer, e.g. thermal oil, water/steam, or molten salt. For optimal control of the power plant there is need of accurate knowledge about the ongoing processes in the absorber tubes. Here we regard the case of using water in the absorber tubes, like in the PE2 solar power plant in Spain. Current numerical approaches are lacking of necessary mathematical properties such as hyperbolicity or do not use thermodynamic properties like entropy dissipation. Mathematically, two-phase flow of water can be described by a Baer-Nunziato type PDE system. Thus, a two-velocity two-pressure seven-equations model is developed, such that several thermodynamic and mathematical properties are fulfilled. But here the problem occurs, that this system is in non-conservative form, such that appropriate numerical solvers have to be developed.Within this work, a new path-conservative entropy-preserving scheme and a Godunov solver of the Suliciu-relaxated model are developed and compared.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019357985
Interne Identnummern
RWTH-2017-05351
Datensatz-ID: 690762
Beteiligte Länder
Germany
