Analysis of parabolic trough concentrator mirror shape accuracy in laboratory and collector

Meiser, Siw; Pitz-Paal, Robert

doi:5002

Analysis of parabolic trough concentrator mirror shape accuracy in laboratory and collector = Analyse der Formgenauigkeit von Parabolrinnenkonzentratorspiegeln im Labor und Kollektor

Meiser, Siw

2014

VerantwortlichkeitsangabeSiw Meiser

ImpressumAachen : Shaker 2014

UmfangXIII, 143 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte aus der Energietechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50028
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229079/files/5002.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Rinnenkollektor (Genormte SW) ; Parabolspiegel (Genormte SW) ; Optische Messung (Genormte SW) ; Deflektometrie (Genormte SW) ; Finite-Elemente-Methode (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Parabolrinnenkollektor (frei) ; Spiegelform (frei) ; Finite Elemente Analyse (frei) ; parabolic trough collector (frei) ; mirror shape (frei) ; optical measurement (frei) ; deflectometry (frei) ; finite element modeling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von verschiedenen Parametern und Messrandbedingungen auf die Formgenauigkeit von Parabolrinnenkonzentratorspiegeln der RP3-Geometrie mittels optischer Messungen und Finiter-Elemente-Methode. Dazu werden deflektometrische Messungen in typischen Labormesslagen durchgeführt: in vertikaler und horizontaler Ausrichtung, sowohl mit als auch ohne Befestigung der Spiegel an einen Halterahmen. Die Ergebnisse dienen zur Validierung finiter Elemente Modelle, mit denen der Unterschied in der Formgenauigkeit sowohl zwischen den einzelnen Messlagen als auch für horizontal auf verschieden biegesteife Halterahmen aufgelegte Spiegel berechnet wird und die Auswirkungen schief auf die Spiegelrückseite aufgeklebter Befestigungselemente bewertet werden. Die durch die Schwerkraft verursachte Verformung der im Kollektor eingebauten Spiegel wird in verschiedenen Betriebspositionen auf zwei exemplarischen Kollektorstrukturen bestimmt. Die Umrechnung von Labormessergebnissen verschiedener Messlagen ineinander und die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die erreichte Formgenauigkeit im Kollektor wird geprüft. Der Formgenauigkeitsunterschied zwischen vertikaler und horizontaler Labormesslage liegt in der Größenordnung der von den Spiegeln typischerweise erreichten Formgenauigkeit: bis zu 0.8 mrad im quadratischen Mittelwert der Steigungsabweichung (SDx) und 3.3 mm im quadratischen Mittelwert der Fokusabweichung (FDx) für RP3-Innenspiegel. Die schwerkraftbedingte Verformung und die daraus resultierende Steigungsabweichung wird auf drei verschiedenen Halterahmen modelliert: einem ideal biegesteifen Halterahmen, einem Labormessrahmen und einem ideal biegesteifen Rahmen mit elastischen Verbindungselementen zum Spiegel. Die Differenz in der Formgenauigkeit von RP3-Innenspiegeln zwischen idealem Rahmen und Rahmen mit elastischen Elementen beträgt 0.5 mrad (SDx) und 1.8 mm (FDx). Bei ideal biegesteifem Halterahmen bewirken im Winkel schräg angebrachte Befestigungselemente zusätzliche lokale Steigungsabweichungen mit gleichem Betrag. Über den Bereich aller Kollektorbetriebspositionen variiert die Formgenauigkeit von RP3-Innenspiegeln auf ideal steifer Trägerstruktur aufgrund der Verformung durch die Schwerkraft um bis zu 1.0 mrad im SDx im Vergleich zur Idealform beziehungsweise um bis zu 1.2 mrad im SDx im Vergleich zur Form in Kollektorzenitstellung. Für RP3-Innenspiegel auf ideal steifer Trägerstruktur mit elastischen Verbindungselementen betragen die entsprechenden Werte 1.6 mrad und 2.1 mrad. Während die entwickelten Modelle der Spiegel auf dem Laborhalterahmen eine Umrechnung und damit einen Vergleich von Messergebnissen in verschiedenen Lagen erlauben, müssen die Modelle der Kollektorträgerstruktur weiter verfeinert werden, um die Umrechnung von Labor- in Kollektormessergebnisse zu ermöglichen. Die Untersuchungen zeigen, dass Messlage, Befestigungsart und eingesetzter Halterahmen für reproduzierbare Messergebnisse dokumentiert werden müssen und als Messrandbedingungen in künftigen Richtlinien für die optische Vermessung von Reflektoren konzentrierender Solarkollektoren definiert werden sollten. Die Überprüfung der Winkelgenauigkeit der Befestigungselemente gehört zur vollständigen Bewertung eines Spiegels. Die Daten standardisierter Formgenauigkeitsmessungen können dann zur aussagekräftigen Ertragsberechnung solarthermischer Kraftwerke dienen und Optimierungsansätze bewerten.

The present thesis examines the influence of measurement parameters and boundary conditions on shape accuracy of parabolic trough concentrator mirrors of RP3 geometry by means of optical measurements and finite element analyses. Deflectometric measurements of mirror panels are performed in common laboratory setups: in vertical and horizontal measurement position, both with and without tightening the mirrors to a support frame with screws. The results serve for validation of finite element models which are applied to calculate the difference in shape accuracy between, firstly, the individual setups and secondly, between mirrors horizontally fixed to differently rigid support frames. The effect of angular deviations of the mounting pads is assessed. Gravity-induced deformation of mirrors mounted to two exemplary collector support structures is determined for the relevant working positions. The transferability of shape accuracy data measured in laboratory to data applying for mirrors mounted to a collector is assessed. For RP3 inner mirror panels a difference of up to 0.8 mrad in root mean square slope deviation (SDx) and 3.3 mm in root mean square focus deviation (FDx) from vertical to horizontal position is measured. Gravity-induced deformation and resulting slope and focus deviation on three different types of horizontally oriented support frames is modeled: an ideally rigid support frame, a laboratory support frame, and an ideal support frame with elastic brackets. A variation of 0.5 mrad (SDx) and 1.8 mm (FDx) is calculated for perfectly shaped RP3 inner mirrors mounted onto an ideally rigid support frame compared to the case when mounted to a support frame with elastic brackets. In case of an angular deviation of the mounting pads mirror panels fixed to an ideally rigid support frame show additional local slope deviation in the magnitude of the angular pad deviation. Due to gravity-induced deformation and slope deviation the shape accuracy of RP3 inner mirrors mounted to an ideally rigid collector support structure varies up to 1.0 mrad in SDx and up to 1.2 mrad in SDx when compared to the ideal shape and the shape in zenith collector angle, respectively. For RP3 inner mirrors mounted to a collector structure with elastic brackets the values are 1.6 mrad and 2.1 mrad. Whereas the models of mirrors mounted to a laboratory support frame allow for a conversion and thus a comparison of results obtained in different setups, the models for the collector support structure need to be refined in order to allow for a conversion from laboratory to collector measurement results. The results demonstrate that measurement position, mounting mode and employed support structure have to be documented in order to obtain reproducible measurement results. They should hence be included as measurement boundary conditions in guidelines for the measurement and assessment of mirror shape accuracy for concentrating solar collectors. The inspection of the angular accuracy of the mounting pads is part of a complete optical mirror assessment. The data of standardized shape accuracy measurement serve for subsequent calculation of intercept factors and annual energy yields as well as for the evaluation of optimization approaches.

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