Projekt 13897/01

Entwicklung und Erprobung einer neuartigen solarthermischen Anlage zur Stromerzeugung – erste Phase: Entwicklung des Energiewandlers

Projektträger

Meta Motoren- und Energietechnik GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath
Telefon: 02407/9554-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer neuartigen solarthermischen Anlage als wirtschaftlich günstige Alternative zu bekannten Hochtemperaturanlagen. Folgende Ziele stehen im Vordergrund:
· Niedrige Anlagekosten durch geringe Komplexität und Verzicht auf teure Übertragungsmedien
· Anlagezielkosten von 1.280,- bis 2.556,- € /kWP
· Hinreichend hohe Wirkungsgrade schon bei mittleren Einstrahlleistungen zur effektiven Nutzung der Sonnenenergie in mittleren Breitengraden
· Flexibilität in der Nutzung (Stromerzeugung, Erzeugung mechanischer Energie)
· Einfach herstellbare und robuste Komponenten
· Darstellung kleiner, modular aufbaubarer Anlagen ab 1 kW
Der Schwerpunkt der Phase 1 war die Entwicklung von Energiewandler und Absorber-Wärmetauscher. 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 Heißluftmotors erreicht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenSolarthermische Anlage 1
1.1 Konzeption und Konstruktion
1.1.1 konstruktive Grundauslegung
1.1.2 Simulation
1.1.3 Dimensionierung der Motorkomponenten
1.1.4 Spülung und Ladungswechsel
1.1.5 Konzeption und Konstruktion des Receiver/ Wärmetauschers
1.1.6 Künstliche Sonne
1.1.7 Konzept eines Solarkonzentrators für Außenversuche
1.1.8 Erstellung von Fertigungsunterlagen
1.1.9 Fertigung und Beschaffung von Prototypkomponenten
1.2.0 Versuch
1.2.1 Laboruntersuchung am Receiver/ Wärmetauscher
1.2.2 Grundsatzuntersuchung am Heißluftmotor
- Reibung
- Betriebsuntersuchungen
1.2.3 Analyse und Optimierung
Solarthermische Anlage 2
2.1. Motivation Konzeptwechsel
2.2.1 Simulation
2.2.2 Konzept und Konstruktion
- konstruktive Grundauslegung
2.2.3 Ladungswechsel
2.2.4 Künstliche Sonne
2.2.5 Konstruktionsstand/ Fertigungsstand
2.3 Fazit


Ergebnisse und Diskussion

Solarthermische Anlage 1:
Das zunächst verfolgte Wandlerkonzept beruhte auf prinzipiellen Voruntersuchungen und basiert auf ei-nem einfachen, offenen 2-Takt-Prozess mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium und einem einteiligen Receiver/ Wärmetauscher. Die messtechnischen Untersuchungen am solarthermischen Wandler (Anlage 1) zeigten einen deutlich geringeren Wärmeübergang vom Receiver an das Arbeitsgas als in den theoretischen Modellierungen prognostiziert wurde. Die Modellbildung musste daher für weitere Entwick-lungsschritte deutlich überarbeitet und optimiert werden. Ebenso musste die konstruktive Ausführung der Anlage neu überdacht werden, um eine erhebliche Steigerung des Wärmeübergangs und damit des Anlagenwirkungsgrades zu erreichen. Zur Steigerung des Wärmetransportes sind die physikalischen Zusammenhänge analysiert und bewertet worden. Maßgeblichen Einfluss auf den Wärmetransport besitzt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in OT-Nähe, die Größe der Tauscherfläche, sowie die Verweilzeit der Luft im Receiver. Eine mögliche Optimierung der solarthermischen Anlage 1 führt in Richtung auf eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums zu prozessrelevanten Zeiten. Diese wäre durch eine Änderung der Receiver- und Kolbenbodengeometrie zu ermöglichen. Eine nennenswerte Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Kolbenbewegung hervorgerufen, kann durch Quetschkanten oder Quetschflächen erreicht werden. Mit solchen arbeitsraumseitigen Konfigurationen sind Strömungsüberhöhungen gemeint, die durch Verdrängungsströmungen in OT Nähe einsetzen. Konstruktive Studien zeigten jedoch, dass hierdurch im Receiver selbst keine nennenswerten Erhöhungen der Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden können. Eine Steigerung der Tauscherfläche könnte z. B. durch größere Receiver und durch Einsatz von Metallschäumen als Receivermaterial erreicht werden. Hier sind jedoch schnell die Grenzen des thermodynamisch Sinnvollen erreicht, da mit größeren Receivern auch das Verdichtungsverhältnis verringert wird, was den Wirkungsgrad der Anlage ungünstig beeinflusst. Eine Verlängerung der Verweilzeit der Luft im Receiver versprach die bei weitem größte Verbesserung der Wärmeübertragung. Es wurde daher ein neuartiges Ladungswechselkonzept erarbeitet und umgesetzt.
Solarthermische Anlage 2:
Durch eine Trennung längs der Mittelebene wurde der Receiver/Wärmetauscher in zwei physikalisch getrennte Kammern unterteilt. Außerdem wird das neue Konzept im 4-Takt-Verfahren mit Zwangssteuerung des Gaswechsels durch Ventile betrieben. Der Wechsel vom 2-Takt zum 4-Takt-Verfahren ermöglicht eine vielfach verlängerte 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) erhöht werden. Die solarthermische Anlage 2 ist in der Phase 1 des Projektes bis hin zur Fertigungsableitung der Konstruktion geführt wurden. Ebenso wurden umfangreiche Simulationsrechnungen mit speziell entwickelten Programmen durchgeführt, um die erreichbaren Anlagenwirkungsgrade zunächst 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 Kostengründen nicht erfolgen. Die Fortsetzung der Entwicklung erscheint aus Sicht von Meta jedoch sinnvoll, wobei insbesondere folgende Aspekte untersucht werden müssen:
- Verifikation der technischen Eigenschaften durch messtechnische Untersuchungen an einem Prototypen
- Minimierung der Herstellkosten des Wandlers durch Optimierung der konstruktiven Ausführung, Werkstoffwahl, Herstellverfahren etc.
- Aktualisierte Marktanalyse im Bereich regenerativer Stromerzeugung mit kleinen Anlagen.


Fazit

Ergebnisse und Diskussion

Solarthermische Anlage 1:
Das zunächst verfolgte Wandlerkonzept beruhte auf prinzipiellen Voruntersuchungen und basiert auf ei-nem einfachen, offenen 2-Takt-Prozess mit Umgebungsluft als Arbeitsmedium und einem einteiligen Receiver/ Wärmetauscher. Die messtechnischen Untersuchungen am solarthermischen Wandler (Anlage 1) zeigten einen deutlich geringeren Wärmeübergang vom Receiver an das Arbeitsgas als in den theoretischen Modellierungen prognostiziert wurde. Die Modellbildung musste daher für weitere Entwick-lungsschritte deutlich überarbeitet und optimiert werden. Ebenso musste die konstruktive Ausführung der Anlage neu überdacht werden, um eine erhebliche Steigerung des Wärmeübergangs und damit des Anlagenwirkungsgrades zu erreichen. Zur Steigerung des Wärmetransportes sind die physikalischen Zusammenhänge analysiert und bewertet worden. Maßgeblichen Einfluss auf den Wärmetransport besitzt die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in OT-Nähe, die Größe der Tauscherfläche, sowie die Verweilzeit der Luft im Receiver. Eine mögliche Optimierung der solarthermischen Anlage 1 führt in Richtung auf eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums zu prozessrelevanten Zeiten. Diese wäre durch eine Änderung der Receiver- und Kolbenbodengeometrie zu ermöglichen. Eine nennenswerte Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch die Kolbenbewegung hervorgerufen, kann durch Quetschkanten oder Quetschflächen erreicht werden. Mit solchen arbeitsraumseitigen Konfigurationen sind Strömungsüberhöhungen gemeint, die durch Verdrängungsströmungen in OT Nähe einsetzen. Konstruktive Studien zeigten jedoch, dass hierdurch im Receiver selbst keine nennenswerten Erhöhungen der Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden können. Eine Steigerung der Tauscherfläche könnte z. B. durch größere Receiver und durch Einsatz von Metallschäumen als Receivermaterial erreicht werden. Hier sind jedoch schnell die Grenzen des thermodynamisch Sinnvollen erreicht, da mit größeren Receivern auch das Verdichtungsverhältnis verringert wird, was den Wirkungsgrad der Anlage ungünstig beeinflusst. Eine Verlängerung der Verweilzeit der Luft im Receiver versprach die bei weitem größte Verbesserung der Wärmeübertragung. Es wurde daher ein neuartiges Ladungswechselkonzept erarbeitet und umgesetzt.
Solarthermische Anlage 2:
Durch eine Trennung längs der Mittelebene wurde der Receiver/Wärmetauscher in zwei physikalisch getrennte Kammern unterteilt. Außerdem wird das neue Konzept im 4-Takt-Verfahren mit Zwangssteuerung des Gaswechsels durch Ventile betrieben. Der Wechsel vom 2-Takt zum 4-Takt-Verfahren ermöglicht eine vielfach verlängerte 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) erhöht werden. Die solarthermische Anlage 2 ist in der Phase 1 des Projektes bis hin zur Fertigungsableitung der Konstruktion geführt wurden. Ebenso wurden umfangreiche Simulationsrechnungen mit speziell entwickelten Programmen durchgeführt, um die erreichbaren Anlagenwirkungsgrade zunächst 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 Kostengründen nicht erfolgen. Die Fortsetzung der Entwicklung erscheint aus Sicht von Meta jedoch sinnvoll, wobei insbesondere folgende Aspekte untersucht werden müssen:
- Verifikation der technischen Eigenschaften durch messtechnische Untersuchungen an einem Prototypen
- Minimierung der Herstellkosten des Wandlers durch Optimierung der konstruktiven Ausführung, Werkstoffwahl, Herstellverfahren etc.
- Aktualisierte Marktanalyse im Bereich regenerativer Stromerzeugung mit kleinen Anlagen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation


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