Sonnenkollektoren

Modellansatz vor 10 Jahren

Modellansatz 072

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Durch Unterstützung von dem Fraunhofer Institut für Solare
Energiesysteme ISE konnte sich Edwin Hernandez mit der
Optimierung von Sonnenkollektoren befassen. Speziell ging es
dabei um Thermische Sonnenkollektoren, bei denen das Sonnenlicht
einen flüssigen Wärmeträger erhitzt. Diese Träger können Wasser,
Salzlösungen oder Öle mit hohen Wärmekapazitäten sein.

Gängige Solarkollektoren verwenden inkompressible Fluide, wie Öle
oder Wasser unter hohem Druck, die ihre Phase während der
Erwärmung und Abkühlung nicht ändern. Die spannende Frage ist
nun, wie sich die Verwendung von kompressiblen Fluiden auswirkt,
beispielsweise bei Fluiden, die- wie Wasser- bei Erhitzung
gasförming werden. Dies hat Edwin Hernandez simuliert.

Die Grundlage für die Simulation ist das lang erprobte PFM (plug
flow model) im ColSim - Collector Simulation Environment des ISE
für inkompressible Fluide, wo vorausgesetzt wird, dass immer die
gleiche Masse ein Rohrstück betritt, wie sie das Stück am anderen
Ende verlässt. Diese Massenbilanz für ein Rohrstück wird bei
kompressiblen Fluiden verletzt, da die gasförmige Phase ein
deutlich höheren Platzbedarf hat.

Im Modell wird das Rohr Im Kollektor sinnvollerweise
eindimensional angesetzt, da die Länge des Rohrs die Dicke bei
weitem überschreitet. Darauf werden die Bilanzgleichungen
formuliert. Die enstehenden Gleichungen werden diskretisiert und
approximativ gelöst. Die Umsetzung eines erweiterten
PFM-Verfahrens (EPFM) und der SIMPLER-Methode erfolgte als neues
Modul im ColSim - Collector Simulation Environment Framework. Die
neue Methode berücksichtigt ein viel umfangreicheres
physikalisches Modell, ist im Gegensatz zu den direkten Lösern
des PFM-Verfahrens nun aber auch nur iterativ und damit hier mit
mehr Rechenaufwand lösbar.

Literatur und Zusatzinformationen

H. Walter: Modellbildung und numerische Simulation von
Naturumlaufdampferzeugern, VDI-Verlag, 2001.

J. F. Feldhoff, T. Hirsch, R. Pitz-Paal, L. Valenzula:
Transient models and characteristics of once-through line focus
systems, SolarPaces, Beijing, China, 2014.

ColSim - Collector Simulation Environment