© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 1

Simulationen zur Absorption und Wärmeübertragung an Solarturmabsorbern

T. Achenbach1, T. Bosch1, G. Breitbach1 und M. Sauerborn1

1Solar-Institut Jülich (SIJ), Heinrich-Mußmann-Str. 5, D-52428 Jülich

77. Jahrestagung der DPG und DPG-Frühjahrstagung

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 2

konzentrierende Solarthermie

Heliotrough, Andasol Kraftwerk, Spanien Nova-1, PE-1 Kraftwerk, Spanien

Suncatcher, Maricopa Kraftwerk, USAGemasolar Kraftwerk, Spanien

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 3

Solarturmkraftwerk mit offenem volumetrischen Receiver

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 4

Stand der Technik

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 5

Funktionsprinzip offener volumetrischer Receiver

angesaugteUmgebungsluft

angesaugteUmgebungsluft

aufgeheizte Luft

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 6

Stand der Technik, Vor- und Nachteile

• sehr robuste SISIC- Keramik

• Temperatureinsatzbereich bis 1400 °C

• herstellungsbedingt begrenzte minimale Wandstärke

• niedrige Porosität und großer Anteil der Frontfläche verschlossen

• relativ kleine innere wärmeübertragende Fläche

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 7

Neuer Ansatz, Vor- und Nachteile

• Langlebigkeit wird untersucht

• Temperatureinsatzbereich bis 1300 °C (Heizleiterlegierungen)

• Drahtdurchmesser sehr klein wählbar

• hohe Porosität und geringer Anteil der Frontfläche verschlossen

• große innere wärmeübertragende Fläche

DrahtgestrickDrahtgewebe

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 8

Modellierung / Strahlung als Wärmequelle

x / m

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 9

Modellierung / Konvektion

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 10

Modellierung / Temperaturverlauf der Luft

)exp(1)( 0,

peinLL cm

rTT

T

TL,ein

TL,aus

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 11

Modellierung / Temperaturverlauf Absorberstruktur

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 12

Modellierung / Temperaturverlauf Absorberstruktur

x

T

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 13

Forschungsbedarf / Ausblick

• bisher fehlende Langzeittest an metallischen Strukturen

• Formstabilität der Strukturen ist unter den gegebenen Randbedingungen noch nicht ausreichend untersucht worden

• messtechnische Untersuchung des volumetrischen Wärmeübergangskoeffizienten steht noch aus, Validierung der Simulationsmodelle

© SOLAR-INSTITUT JÜLICH | FH AACHEN UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES | HEINRICH-MUSSMANN-STR. 5 | 52428 JÜLICH | WWW.SIJ.FH-AACHEN.DE 11.04.23 | 14

Vielen Dank!