Acceptance test for heliostats to quantify wind-induced tracking deviations

Blume, Kristina Beverley Janine; Schlaich, Mike; Pitz-Paal, Robert

doi:42201

Acceptance test for heliostats to quantify wind-induced tracking deviations = Abnahmeverfahren für Heliostaten zur Quantifizierung von wind-induzierten Nachführfehlern

Blume, Kristina Beverley Janine^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kristina Beverley Janine Blume

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak04

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-10-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-04841
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/957568/files/957568.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solartechnik (DLR) (412910)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
analytical model (frei) ; concentrated solar power (frei) ; heliostat (frei) ; tracking error (frei) ; wind load (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklung von Leistungsstandards für Heliostaten hat das Ziel die Qualität der Solarturmtechnologie zu maximieren. Während bekannt ist, dass Windlasten die Nachführgenauigkeit von Heliostaten beeinflussen, musste ein Abnahmeverfahren noch entwickelt und in die SolarPACES Heliostat-Leistungsrichtlinie integriert werden. In dieser Arbeit wird ein praktisches und zeitsparendes Abnahmeverfahren entwickelt, welches auf dem Konzept beruht die aerodynamischen Lasten und induzierten Nachführfehler analytisch durch wenige effektive Parameter zu beschreiben, die wiederum experimentell am realen Heliostaten bestimmt werden können. Dazu wird ein analytisches Modell entwickelt sowie geeignete Leistungsindikatoren abgeleitet, die das finale Ergebnis des Verfahrens darstellen und die windinduzierten Nachführfehler widerspiegeln. Außerdem wird ein leicht anwendbarer experimenteller Test, der so genannte Zugversuch entwickelt und getestet, um notwendige effektive Parameter für das analytische Modell bereitzustellen. Zusätzliche vom Modell erforderte Parameter werden prinzipiell durch das Abnahmeverfahren vorgegeben. Das entwickelte Abnahmeverfahren wird anhand von Messdaten einer neuartigen Feldstudie validiert und diskutiert. Die Feldstudie umfasst eine umfangreiche Messkampagne an zwei realen Heliostaten, während derer die folgenden drei Komponenten simultan gemessen werden: die Windanströmung mittels Ultraschallanemometern; die induzierte aerodynamische Last mit einem neu entwickelten Druckmesssystem; und der windinduzierte Nachführfehler mittels eines dynamischen Photogrammetriesystems. Die Daten der Feldstudie und die Ergebnisse des neuen Zugversuches werden dem analytischen Modell zugeführt, dessen Anwendbarkeit verifiziert werden kann, teilweise gegen bestehende Windkanal-Ergebnisse. Außerdem stimmen die modellierten und gemessenen windinduzierten Nachführfehler gut überein und validieren den Modellierungsprozess. Die Unsicherheit der modellierten Nachführfehler liegt zwischen 6 % und 8 %, basierend auf der Anwendung echter Messdaten auf das analytische Modell. Im Rahmen des Abnahmeverfahrens müssen gemessene Parameter zum Teil durch modellierte Parameter ersetzt werden, was zu systematischen Abweichungen führt und die Genauigkeit der finalen Leistungsindikatoren beeinträchtigt. Zudem können im derzeitigen Entwicklungsstadium benötigte Momentbeiwerten noch nicht vollständig durch das Abnahmeverfahren vorgegeben werden, sondern müssen teilweise vom Benutzer bereitgestellt werden. Dadurch kann die Vergleichbarkeit zwischen den Leistungsindikatoren noch beeinträchtigt sein. In Zukunft können diese Effekte vermieden werden, sodass sich das Abnahmeverfahren als einfache und effiziente Methode erweist, um windinduzierte Nachführfehler von Heliostaten vorherzusagen und zu vergleichen.

The development of performance standards for heliostats aims at maximizing the quality of the solar tower technology. While wind loads are known to affect a heliostat’s tracking performance, an acceptance test was yet to be developed and provided to the SolarPACES heliostat performance guideline. In this thesis, a practical and time-efficient acceptance test is developed which is based on the concept to analytically describe the aerodynamic loads and induced tracking deviations through only few effective parameters which can then be determined experimentally at the real-scale heliostat. Therefore, an analytical model is developed and suitable performance indicators are derived which are the final result of the acceptance test and reflect a heliostat’s tracking performance under wind load. Furthermore, an easy-to-perform experimental procedure, termed pulling test, is developed and tested in order to provide the necessary effective parameters to the analytical model. Additional mandatory parameters to be provided to the analytical model are, in principle, prescribed by the acceptance test. The developed acceptance test is validated and discussed based on measurement data of a novel field study. The field study comprises a comprehensive measurement campaign at two real-scale heliostats during which the following three components are measured simultaneously: the approaching wind through ultrasonic anemometers; the induced aerodynamic load through a newly developed, innovative pressure measurement system; and the heliostat’s wind-induced tracking deviation through a dynamic photogrammetry system. The field study data, together with the results of the new pulling test, are applied to the analytical model and its applicability is verified, partly against existing results of wind tunnel studies. Moreover, the modeled and measured wind-induced tracking deviations agree well and validate the modeling process. The uncertainty of modeled tracking deviations is found to be in the range of 6 % to 8 %, based on the application of true, measured data to the analytical model. In the framework of the acceptance test, measured parameters have to be partly exchanged by modeled parameters. Due to that, systematic deviations are found to occur and reduce the accuracy of the final performance indicators. In addition, at the current stage of development, moment coefficients cannot be fully prescribed by the acceptance test but may be provided by the user. Due to that, the comparability between performance indicators can be affected. In future, these effects can be avoided and the acceptance test is concluded to be an easy and efficient method to predict and compare wind-induced tracking deviations of heliostats.

OpenAccess:
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