Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer neuartigen solarthermischen Anlage als wirtschaftlich g\u00fcnstige Alternative zu bekannten Hochtemperaturanlagen. Folgende Ziele stehen im Vordergrund:
\n\u00b7\tNiedrige Anlagekosten durch geringe Komplexit\u00e4t und Verzicht auf teure \u00dcbertragungsmedien
\n\u00b7\tAnlagezielkosten von 1.280,- bis 2.556,- \u0080 \/kWP
\n\u00b7\tHinreichend hohe Wirkungsgrade schon bei mittleren Einstrahlleistungen zur effektiven Nutzung der Sonnenenergie in mittleren Breitengraden
\n\u00b7\tFlexibilit\u00e4t in der Nutzung (Stromerzeugung, Erzeugung mechanischer Energie)
\n\u00b7\tEinfach herstellbare und robuste Komponenten
\n\u00b7\tDarstellung kleiner, modular aufbaubarer Anlagen ab 1 kW
\nDer Schwerpunkt der Phase 1 war die Entwicklung von Energiewandler und Absorber-W\u00e4rmetauscher. Ziel war die Inbetriebnahme einer solarthermischen Hochtemperaturanlage mit ca. 1 kW elektrischer Leistung unter Verwendung von konventionellen Lichtsammlern. Dabei sollen ca. 80% des prognostizierten mechanischen Wirkungsgrades des Hei\u00dfluftmotors erreicht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenSolarthermische Anlage 1
\n1.1\tKonzeption und Konstruktion
\n1.1.1\tkonstruktive Grundauslegung
\n1.1.2\tSimulation
\n1.1.3\tDimensionierung der Motorkomponenten
\n1.1.4\tSp\u00fclung und Ladungswechsel
\n1.1.5\tKonzeption und Konstruktion des Receiver\/ W\u00e4rmetauschers
\n1.1.6\tK\u00fcnstliche Sonne
\n1.1.7\tKonzept eines Solarkonzentrators f\u00fcr Au\u00dfenversuche
\n1.1.8\tErstellung von Fertigungsunterlagen
\n1.1.9\tFertigung und Beschaffung von Prototypkomponenten
\n1.2.0\tVersuch
\n1.2.1\tLaboruntersuchung am Receiver\/ W\u00e4rmetauscher
\n1.2.2\tGrundsatzuntersuchung am Hei\u00dfluftmotor
\n–\tReibung
\n–\tBetriebsuntersuchungen
\n1.2.3\tAnalyse und Optimierung
\nSolarthermische Anlage 2
\n2.1.\tMotivation Konzeptwechsel
\n2.2.1\tSimulation
\n2.2.2\tKonzept und Konstruktion
\n–\tkonstruktive Grundauslegung
\n2.2.3\tLadungswechsel
\n2.2.4\tK\u00fcnstliche Sonne
\n2.2.5\tKonstruktionsstand\/ Fertigungsstand
\n2.3\tFazit<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Solarthermische Anlage 1:
\nDas zun\u00e4chst verfolgte Wandlerkonzept beruhte auf prinzipiellen Voruntersuchungen und basiert auf ei-nem einfachen, offenen 2-Takt-Prozess mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium und einem einteiligen Receiver\/ W\u00e4rmetauscher. Die messtechnischen Untersuchungen am solarthermischen Wandler (Anlage 1) zeigten einen deutlich geringeren W\u00e4rme\u00fcbergang vom Receiver an das Arbeitsgas als in den theoretischen Modellierungen prognostiziert wurde. Die Modellbildung musste daher f\u00fcr weitere Entwick-lungsschritte deutlich \u00fcberarbeitet und optimiert werden. Ebenso musste die konstruktive Ausf\u00fchrung der Anlage neu \u00fcberdacht werden, um eine erhebliche Steigerung des W\u00e4rme\u00fcbergangs und damit des Anlagenwirkungsgrades zu erreichen. Zur Steigerung des W\u00e4rmetransportes sind die physikalischen Zusammenh\u00e4nge analysiert und bewertet worden. Ma\u00dfgeblichen Einfluss auf den W\u00e4rmetransport besitzt die Str\u00f6mungsgeschwindigkeit der Luft in OT-N\u00e4he, die Gr\u00f6\u00dfe der Tauscherfl\u00e4che, sowie die Verweilzeit der Luft im Receiver. Eine m\u00f6gliche Optimierung der solarthermischen Anlage 1 f\u00fchrt in Richtung auf eine Erh\u00f6hung der Str\u00f6mungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums zu prozessrelevanten Zeiten. Diese w\u00e4re durch eine \u00c4nderung der Receiver- und Kolbenbodengeometrie zu erm\u00f6glichen. Eine nennenswerte Erh\u00f6hung der Str\u00f6mungsgeschwindigkeit durch die Kolbenbewegung hervorgerufen, kann durch Quetschkanten oder Quetschfl\u00e4chen erreicht werden. Mit solchen arbeitsraumseitigen Konfigurationen sind Str\u00f6mungs\u00fcberh\u00f6hungen gemeint, die durch Verdr\u00e4ngungsstr\u00f6mungen in OT N\u00e4he einsetzen. Konstruktive Studien zeigten jedoch, dass hierdurch im Receiver selbst keine nennenswerten Erh\u00f6hungen der Str\u00f6mungsgeschwindigkeiten erreicht werden k\u00f6nnen. Eine Steigerung der Tauscherfl\u00e4che k\u00f6nnte z. B. durch gr\u00f6\u00dfere Receiver und durch Einsatz von Metallsch\u00e4umen als Receivermaterial erreicht werden. Hier sind jedoch schnell die Grenzen des thermodynamisch Sinnvollen erreicht, da mit gr\u00f6\u00dferen Receivern auch das Verdichtungsverh\u00e4ltnis verringert wird, was den Wirkungsgrad der Anlage ung\u00fcnstig beeinflusst. Eine Verl\u00e4ngerung der Verweilzeit der Luft im Receiver versprach die bei weitem gr\u00f6\u00dfte Verbesserung der W\u00e4rme\u00fcbertragung. Es wurde daher ein neuartiges Ladungswechselkonzept erarbeitet und umgesetzt.
\nSolarthermische Anlage 2:
\nDurch eine Trennung l\u00e4ngs der Mittelebene wurde der Receiver\/W\u00e4rmetauscher in zwei physikalisch getrennte Kammern unterteilt. Au\u00dferdem wird das neue Konzept im 4-Takt-Verfahren mit Zwangssteuerung des Gaswechsels durch Ventile betrieben. Der Wechsel vom 2-Takt zum 4-Takt-Verfahren erm\u00f6glicht eine vielfach verl\u00e4ngerte Verweilzeit (Kontaktzeit) des Arbeitsmediums im R\/W. Die Kontaktierungszeit des Arbeitsmediums im R\/W konnte durch diese Trennung des R\/W erheblich (ca. Faktor 10) erh\u00f6ht werden. Die solarthermische Anlage 2 ist in der Phase 1 des Projektes bis hin zur Fertigungsableitung der Konstruktion gef\u00fchrt wurden. Ebenso wurden umfangreiche Simulationsrechnungen mit speziell entwickelten Programmen durchgef\u00fchrt, um die erreichbaren Anlagenwirkungsgrade zun\u00e4chst auf theoretischem Wege abzusichern. Diese Simulationen zeigen das deutlich gesteigerte Potential des neuen Konzeptes auf und lassen einen Betrieb dieser Anlage mit gutem Wandlerwirkungsgrad erwarten. Eine Umsetzung der Konstruktion bis zum ersten Prototyp konnte in dieser ersten Phase aus Zeit- und Kostengr\u00fcnden nicht erfolgen. Die Fortsetzung der Entwicklung erscheint aus Sicht von Meta jedoch sinnvoll, wobei insbesondere folgende Aspekte untersucht werden m\u00fcssen:
\n–\tVerifikation der technischen Eigenschaften durch messtechnische Untersuchungen an einem Prototypen
\n–\tMinimierung der Herstellkosten des Wandlers durch Optimierung der konstruktiven Ausf\u00fchrung, Werkstoffwahl, Herstellverfahren etc.
\n–\tAktualisierte Marktanalyse im Bereich regenerativer Stromerzeugung mit kleinen Anlagen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Solarthermische Anlage 1:
\nDas zun\u00e4chst verfolgte Wandlerkonzept beruhte auf prinzipiellen Voruntersuchungen und basiert auf ei-nem einfachen, offenen 2-Takt-Prozess mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium und einem einteiligen Receiver\/ W\u00e4rmetauscher. Die messtechnischen Untersuchungen am solarthermischen Wandler (Anlage 1) zeigten einen deutlich geringeren W\u00e4rme\u00fcbergang vom Receiver an das Arbeitsgas als in den theoretischen Modellierungen prognostiziert wurde. Die Modellbildung musste daher f\u00fcr weitere Entwick-lungsschritte deutlich \u00fcberarbeitet und optimiert werden. Ebenso musste die konstruktive Ausf\u00fchrung der Anlage neu \u00fcberdacht werden, um eine erhebliche Steigerung des W\u00e4rme\u00fcbergangs und damit des Anlagenwirkungsgrades zu erreichen. Zur Steigerung des W\u00e4rmetransportes sind die physikalischen Zusammenh\u00e4nge analysiert und bewertet worden. Ma\u00dfgeblichen Einfluss auf den W\u00e4rmetransport besitzt die Str\u00f6mungsgeschwindigkeit der Luft in OT-N\u00e4he, die Gr\u00f6\u00dfe der Tauscherfl\u00e4che, sowie die Verweilzeit der Luft im Receiver. Eine m\u00f6gliche Optimierung der solarthermischen Anlage 1 f\u00fchrt in Richtung auf eine Erh\u00f6hung der Str\u00f6mungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums zu prozessrelevanten Zeiten. Diese w\u00e4re durch eine \u00c4nderung der Receiver- und Kolbenbodengeometrie zu erm\u00f6glichen. Eine nennenswerte Erh\u00f6hung der Str\u00f6mungsgeschwindigkeit durch die Kolbenbewegung hervorgerufen, kann durch Quetschkanten oder Quetschfl\u00e4chen erreicht werden. Mit solchen arbeitsraumseitigen Konfigurationen sind Str\u00f6mungs\u00fcberh\u00f6hungen gemeint, die durch Verdr\u00e4ngungsstr\u00f6mungen in OT N\u00e4he einsetzen. Konstruktive Studien zeigten jedoch, dass hierdurch im Receiver selbst keine nennenswerten Erh\u00f6hungen der Str\u00f6mungsgeschwindigkeiten erreicht werden k\u00f6nnen. Eine Steigerung der Tauscherfl\u00e4che k\u00f6nnte z. B. durch gr\u00f6\u00dfere Receiver und durch Einsatz von Metallsch\u00e4umen als Receivermaterial erreicht werden. Hier sind jedoch schnell die Grenzen des thermodynamisch Sinnvollen erreicht, da mit gr\u00f6\u00dferen Receivern auch das Verdichtungsverh\u00e4ltnis verringert wird, was den Wirkungsgrad der Anlage ung\u00fcnstig beeinflusst. Eine Verl\u00e4ngerung der Verweilzeit der Luft im Receiver versprach die bei weitem gr\u00f6\u00dfte Verbesserung der W\u00e4rme\u00fcbertragung. Es wurde daher ein neuartiges Ladungswechselkonzept erarbeitet und umgesetzt.
\nSolarthermische Anlage 2:
\nDurch eine Trennung l\u00e4ngs der Mittelebene wurde der Receiver\/W\u00e4rmetauscher in zwei physikalisch getrennte Kammern unterteilt. Au\u00dferdem wird das neue Konzept im 4-Takt-Verfahren mit Zwangssteuerung des Gaswechsels durch Ventile betrieben. Der Wechsel vom 2-Takt zum 4-Takt-Verfahren erm\u00f6glicht eine vielfach verl\u00e4ngerte Verweilzeit (Kontaktzeit) des Arbeitsmediums im R\/W. Die Kontaktierungszeit des Arbeitsmediums im R\/W konnte durch diese Trennung des R\/W erheblich (ca. Faktor 10) erh\u00f6ht werden. Die solarthermische Anlage 2 ist in der Phase 1 des Projektes bis hin zur Fertigungsableitung der Konstruktion gef\u00fchrt wurden. Ebenso wurden umfangreiche Simulationsrechnungen mit speziell entwickelten Programmen durchgef\u00fchrt, um die erreichbaren Anlagenwirkungsgrade zun\u00e4chst auf theoretischem Wege abzusichern. Diese Simulationen zeigen das deutlich gesteigerte Potential des neuen Konzeptes auf und lassen einen Betrieb dieser Anlage mit gutem Wandlerwirkungsgrad erwarten. Eine Umsetzung der Konstruktion bis zum ersten Prototyp konnte in dieser ersten Phase aus Zeit- und Kostengr\u00fcnden nicht erfolgen. Die Fortsetzung der Entwicklung erscheint aus Sicht von Meta jedoch sinnvoll, wobei insbesondere folgende Aspekte untersucht werden m\u00fcssen:
\n–\tVerifikation der technischen Eigenschaften durch messtechnische Untersuchungen an einem Prototypen
\n–\tMinimierung der Herstellkosten des Wandlers durch Optimierung der konstruktiven Ausf\u00fchrung, Werkstoffwahl, Herstellverfahren etc.
\n–\tAktualisierte Marktanalyse im Bereich regenerativer Stromerzeugung mit kleinen Anlagen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
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