Influences of Mirror Shape Accuracy on Performance Prediction for Parabolic Trough Concentrating Solar Power Systems

Schneider, Simon; Behr, Marek; Pitz-Paal, Robert

doi:HT019560927

Influences of Mirror Shape Accuracy on Performance Prediction for Parabolic Trough Concentrating Solar Power Systems = Einflüsse der Spiegelformgenauigkeit auf die Leistungsvorhersage für Parabolspiegel\\in der konzentrierenden Solartechnik

Schneider, Simon^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Simon Schneider

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (VII, 174 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitz-Paal, Robert (Thesis advisor) ; Behr, Marek (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-10874
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/711531/files/711531.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CSP (frei) ; FEM (frei) ; mirror shape (frei) ; parabolic trough (frei) ; solar energy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Solarthermische Kraftwerke nutzen die Energie der Sonne zur Bereitstellung von elektrischem Strom. Auch wenn jene kostenfrei zur Verfügung steht, so muss das Kraftwerk doch wirtschaftlich sein um mit konventioneller Kohle-, Gas-, und Kernenergie konkurrieren zu können. Ein Weg zur Ertragsmaximierung stellt hierbei die Optimierung der verwendeten Komponenten dar. Hierzu ist die Minimierung von thermischen und optischen Verlusten essentiell. Verschiedene Lasten und Randbedingungen haben zum Teil einen wesentlichen Einfluss auf die Formgenauigkeit von Parabolrinnenspiegeln. Diese hängt im Allgemeinen signifikant von der Spiegelunterstruktur ab, welche sich in standardisierten Labormessungen generell deutlich von der Aufhängung im Kollektor unterscheidet. Ziele dieser Arbeit sind die Untersuchung von Einflüssen auf die Spiegelform im Kollektor, die Bereitstellung entsprechender Finite-Elemente Modelle und Programme, sowie die Evaluation der Vorhersagbarkeit der Spiegelform im Kollektor basierend auf Labormessungen. Die optische Leistungsfähigkeit der Spiegel sowie der Einfluss auf den Jahresertrag werden quantifiziert.Als Ergebnis dieser Arbeit werden Schnittstellen zu den im DLR entwickelten Programmen SPRAY und Greenius erstellt sowie umfassende Arbeitsabläufe in Form von Matlab Programmen bereitgestellt. Im Labor und im Kollektor-Teststand werden optische Messungen der Spiegelform und der Unterstruktur sowie auftretender Dehnungen an den Halteklammern der Spiegel durchgeführt und mit den FE-Modellen nachgebildet. Ein Optimierungsalgorithmus wird zur Unterstützung der Auswertungen implementiert. Die Untersuchungen werden anhand der EuroTrough-Geometrie unter Verwendung von Spiegeln der RP 3 Geometrie durchgeführt.Im Folgenden werden wichtige Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst:Der Einfluss weiterer Teile der Unterstruktur unterhalb der L- und Z-förmigen Halteklammern hat im Falle von Eigenlastanalysen keinen signifikanten zusätzlichen Einfluss. Simulationen zeigen, welchen Einfluss insbesondere geometrische Abweichungen der Unterstruktur auf die Spiegelform haben. Die resultierende optische Leistungsfähigkeit sowie der Einfluss auf den Jahresertrag für die untersuchten Lastfälle werden ausgewertet. Montageungenauigkeiten der Spiegelhalteelemente können bereits im Falle von wenigen mrad oder mm Abweichung für signifikant abweichende Spiegelformen sorgen, die sich in der optischen Leistungsfähigkeit, aber auch im Jahresertrag wiederfinden. Das Ableiten von Toleranzen, aber auch die Optimierung der Geometrie wird ermöglicht, da mit den Fortschritten in dieser Arbeit optische, thermische und finanzielle Verluste quantifiziert werden können. Die Vorhersagbarkeit der Spie\-gel\-form im Kollektor ist begrenzt gegeben und wird diskutiert, da die genannten geometrischen Abweichungen der Unterstruktur nicht allgemeingültig bekannt oder vorhersagbar sind.

Solar thermal power plants employ sunlight directly to generate electricity. Although the solar energy is free of charge, the plant needs to operate cost-efficiently in order to compete with conventional coal-, gas-, and nuclear energy. One possibility is the optimization of the components used. Therefore, minimizing thermal and optical losses is essential. Different loads and boundary conditions have a significant influence on shape accuracy of parabolic solar mirrors. In general, it depends substantially on the support structure which usually differs from those used in standardized laboratory measurements. The aim of this work is to characterize influences on the shape accuracy in collector, the preparation of appropriate models and programs, as well as the evaluation of how well mirror shape in collector can be predicted based on laboratory results. The optical performance of the mirrors as well as the annual yield are quantified.As a result of this work, interfaces to the DLR internally developed tools SPRAY and Greenius are created and comprehensive workflows employing Matlab tools provided. In laboratory and collector test benches optical measurements of the mirror shape, the support structure and occurring strains at the glass brackets holding the mirrors are carried out and reproduced with FE-models. An optimization workflow is implemented to support the evaluations. The investigations were carried out with the EuroTrough-geometry by using mirrors of RP 3 geometry.In the following, important results of this work are summarized: As an important finding, the consideration of further parts of the support structure than the glass brackets does not significantly influence dead load results. However, and as presented in exemplary simulations, geometrical deviations of the mounting elements of the support structure can have a significant effect on the shape accuracy. The resulting optical performance as well as the influence on the annual yield for the investigated load cases is evaluated. Mounting inaccuracies of the mirror mounting elements can induce significant shape deformations even in case of only a few mrad or mm deviation - and also affect the optical performance and the annual yield of the plant. Deriving technical specifications, but also the optimization of the geometries is made possible, since optical, thermal, and economical losses can be quantified due to the progress within this work. The predictability of mirror shape in collector is limited, and will be discussed, since the aforementioned geometrical deviations of the support structure are not universally known or predictable.

OpenAccess:
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