Der Hochflussdichte-Sonnenofen und der Xenon-Hochleistungsstrahler dienen der Erforschung und Erprobung neuer Technologien mit konzentriertem Sonnen- und Kunstlicht, wobei Bestrahlungsstärken von bis zu 5 MW/m² und Temperaturen von über 2000 °C möglich sind.

 

 Edelstahlplatte, in 40 Sekunden perforiert
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 Flussdichteverteilung im Fokus
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Der Begriff Sonnenofen bezeichnet eine Anlage, die konzentrierte Solarstrahlung bereit stellt. Die Energie des konzentrierten Sonnenlichts kann genutzt werden, um an damit bestrahlten Materialien thermische oder photonische Effekte hervorzurufen. Ebenso kann der Xenon-Hochleistungsstrahler als Sonnensimulator betrachtet werden, der die strahlungsphysikalischen Verhältnisse am Sonnenofen annähernd erzeugt und ergänzend zum Sonnenofen betrieben wird.
 Sonnenofen-Laborgebäude am DLR in Köln
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 DLR Sonnenofen: Konzentrator
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 DLR Hochleistungsstrahler: Xenon-Kurzbogenlampen
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Seit der Inbetriebnahme des Hochflussdichte-Sonnenofens im Jahre 1994 konnten bis heute rund 160 verschiedene Experimente durchgeführt werden. Sie reichen von der Wasserstofferzeugung bis hin zu Weltraumexperimenten.

Einsatzbereiche

Der Sonnenofen und der Hochleistungsstrahler des DLR bieten Forschern und Anwendern aus Wissenschaft und Industrie vielfältige Möglichkeiten zur experimentellen Entwicklung und Qualifizierung nachhaltiger Verfahren, in denen konzentrierte Solarstrahlung der technischen Nutzung zugeführt wird. Diese Verfahren zielen vor allem ab auf die chemische Speicherung von Sonnenenergie sowie auf ihre Anwendung in chemisch-technischen und metallurgischen Hochtemperaturprozessen. Ein weiteres Einsatzgebiet betrifft Bestrahlungstests unterschiedlichster Materialien unter zum Teil extremen Randbedingungen, wie z.B. Hochvakuum bis 10-5 mbar.

Aufbau des Sonnenofens

Das Sonnenlicht wird von einem ebenen Spiegel (Heliostat) auf einen Konzentrator reflektiert. Dieser bündelt die Strahlung so, dass der Fokus außerhalb der Achse des einfallenden Lichts in einem Laborgebäude liegt, wo die Experimente installiert werden. Durch eine Blende (Shutter) kann die einfallende konzentrierte Strahlung reguliert werden. Diese Anordnung wird als Off-Axis-Geometrie bezeichnet und bietet die Vorteile, dass der Fokus nicht mit dem Sonnenstand wandert und die Versuchsaufbauten die einfallende Strahlung nicht teilweise abschatten. Die untenstehende Bildfolge zeigt die Anordnung der Komponenten und den Strahlengang.

 Aufbau des DLR Sonnenofens: Optischer Verlauf des Lichtwegs
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Heliostat:

 Sonnenofen-Heliostat am DLR in Köln
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Der Heliostat ist ein Planspiegel mit 57 m² Fläche, der ursprünglich als einer von 30 Testserienheliostaten in einem Solarturmkraftwerk (GAST) in Almeria, Spanien eingesetzt war. Er wurde für den DLR-Sonnenofen modifiziert, wird nun kontinuierlich dem Sonnenstand nachgeführt und reflektiert so die einfallende Sonnenstrahlung auf den Konzentrator.
Die Spiegel bestehen aus Floatglas, dessen Reflexionsschicht aus Silber wegen der unvermeidbaren Witterungseinflüsse auf der Rückseite angebracht ist. Zusätzlich ist die Vorderseite mit Titanoxid beschichtet um die Übertragung des UV-Spektrums der Solarstrahlung zu gewährleisten.


Konzentrator:

 DLR Sonnenofen: Konzentrator
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Eine Fresnel-Anordnung aus 159 hexagonalen Hohlspiegelelementen konzentriert die Sonnenstrahlung in das Laborgebäude, wo sie auf ein Testobjekt gerichtet werden kann. Die Gesamtfläche des Konzentrators beträgt 42 m², seine mittlere Brennweite 7,3 m und die einzelnen Spiegel haben eine Kantenlänge von 32 cm. Die Konzentratorspiegel sind frontseitig mit Aluminium beschichtet und durch eine aufgedampfte Siliziumoxid-Schicht gegen Witterungseinflüsse geschützt.


Shutter:

 DLR Sonnenofen: Shutter
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Eine Blende am Eintritt in das Laborgebäude dient der Regulierung der konzentrierten Solarstrahlung. Innerhalb von 0,02 s kann die einfallende Strahlung von 0 auf 100 % variiert werden. Trotz der Position des Shutters ca. 1 m vor dem Brennpunkt ist er einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt. Die Bestrahlungsstärke beträgt hier schon etwa das 55-fache der einfachen Sonnenstrahlung. Die Shutterfrontflächen erreichen im Betrieb Temperaturen bis zu 300°C und sind daher mit einem hitzebeständigen Lack beschichtet.



Aufbau des Xenon-Hochleistungsstrahlers

Ein Kunstlicht-Hochleistungsstrahler auf Basis von elliptischen Reflektoren mit Xenon-Kurzbogenlampen ergänzt den Sonnenofen in Zeiten winterlicher Strahlungszurückhaltung und für Langzeitexperimente. Die von den Reflektoren abgestrahlte kurzwellige Strahlung mit einer Leistung von etwa 25 kW wird auf einem Zielbereich im Abstand von 3 m als konzentrierte Energie mit einer Leistungsdichte größer 4,5 MW/m² auf einer 100 cm² großen Fläche für unterschiedlichste Anwendungen zur Verfügung gestellt.
Über die Möglichkeiten des Sonnenofens hinaus gibt es die Möglichkeit mehrtägige Dauerversuche unter sehr stabilen Strahlungsbedingungen sowie Komponententests auf Zertifizierungsniveau durchzuführen.

 Hochleistungsstrahler: Bestrahlung eines Absorberbetts
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Infrastruktur

Das Laborgebäude des Sonnenofens umfasst einen Testraum zur Durchführung der Experimente, einen Messraum zur Steuerung und Überwachung des Experimentbetriebs und eine Werkstatt für vorbereitende und begleitende Arbeiten an den Versuchsaufbauten. Daneben stehen den Experimentatoren Chemie- und Werkstofflabore zur Verfügung.

Die Versuchsaufbauten werden im Testraum auf einem Positioniertisch installiert, um sie im Fokus der konzentrierten Solarstrahlung platzieren zu können. Hier ermöglicht eine umfangreiche Datenerfassung die Kontrolle und Auswertung der Experimente, indem z.B. Temperaturen, Spannungen, Kühlwasserdurchfluss und weitere Signale visualisiert und aufgezeichnet werden.
Zur berührungslosen Messung hoher Temperaturen dienen Pyrometer und eine Infrarot-Kamera. Darüber hinaus geben unterschiedliche Leistungs- und Strahlungsflussdichte-Messsysteme Aufschluss über die eingestrahlte Leistung, der ein Experiment ausgesetzt wird. Zusätzlich stehen den Experimentatoren verschiedene Vakuumteststände zur Verfügung, in denen unter Weltraum ähnlichen Bedingungen geforscht und getestet werden kann (siehe Link rechte Spalte).


Schwerpunkt Solare Chemie

Ziel der Arbeiten auf dem Gebiet der Solaren Chemie ist es, technisch sinnvolle Lösungen für die Anwendung der Sonnenstrahlung bei der Bearbeitung und Produktion von Chemikalien sowie bei der Entgiftung gefährlicher Stoffe aufzuzeigen und zu qualifizieren:

  • Substitution fossiler Energieträger
  • Chemische Speicherung von Sonnenenergie
  • Ermittlung neuer solarspezifischer Reaktionswege bei der Produktion von Chemikalien sowie bei der Behandlung und Entgiftung von Abfallstoffen

Anwendungsbeispiele

  • Solare Wasserstofferzeugung
  • Thermochemische Umwandlung fester und/oder nachwachsender Rohstoffe unter Einsatz von Sonnenenergie
  • Einsatz hochkonzentrierter Solarstrahlung zur Behandlung von Abfallstoffen
  • Aufbereitung und Spaltung von Abfallschwefelsäure
  • Solare Photochemische Synthesen von Feinchemikalien

Schwerpunkt Solare Materialforschung

Der Einsatz eines Sonnenofens für die Materialforschung bietet sowohl gegenüber der Verwendung herkömmlicher widerstandsbeheizter oder induktiv betriebener Öfen als auch gegenüber der Anwendung von Lasern zur Materialprüfung deutliche Vorteile, die es zu nutzen gilt. Man rechnet bei hohen Temperaturen und oxidierenden Umgebungen mit einer Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und -oberflächen und einer Vereinfachung von Werkstoffprüfungen und schnellen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten:

  • Thermische Komponenten-Belastungstests
  • Hochtemperatur-Werkstoffprüfung
  • Herstellung spezieller Werkstoffe
  • Wärmebehandlung und Oberflächenveredelung von Werkstoffen
  • Hochtemperaturschmelzen

Anwendungsbeispiele

  • Belastungstests von Solarzellen für die Satellitenversorgung
  • Komponententests für Raumfahrtanwendungen
  • Werkstoffprüfung, hohe Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten sowie hohe Temperaturen in oxidierender Atmosphäre, keine Einschränkungen durch Heizelemente oder Ofenwände

Technische Daten

 

 

Technische Daten

 
Sonnenofenanlage  
Konzentration 5.200
Maximale Leistung 22 kW bei 850 W/m² Direktstrahlung
Strahlungsflussdichte 4,5 MW/m² bei 850 W/m² Direktstrahlung
   
Heliostat  
Abmessungen, B x H 8,2 m x 7,4 m
Gewicht 3.000 kg
Spiegelfläche 57 m²
Reflektivität der Spiegel im Neuzustand 87 % bei AM 2
Getriebeuntersetzung 88.000
   
Konzentrator  
Abmessungen, B x H 7,3 m x 6,3 m
Mittlere Brennweite 7.3 m
Gewicht 6.000 kg
Spiegelfläche 42 m²
Reflektivität der Spiegel im Neuzustand 89 % bei AM 2

Temperaturen bis zu 2770 K möglich

Informationen zum Hochleistungsstrahler

 

 

Technische Daten

 
10 Xenon-Kurzbogenlampen mit elliptischen Reflektoren Thorium-dotierte Wolfram Elektroden
Elektrische Leistung pro Lampe 6 kW (U = 37 V; I = 160 A) Lampenbetriebsdruck: 80 bar
Zündspannung Ui = 40 kV Leuchtdichte 10500 cd/m²
Lichtbogenlänge: 9 mm (kalt); 7,5 mm (heiß) magnetisch stabilisierte Lichtbögen
optional: UV-A/B/C Emission Spektrum ähnlich von Sonnenlicht
Konzentration 4.500
Maximale Lichtleistung 20 kW
Strahlungsflussdichte 4,2 MW/m² bei 165 A Nennstrom
Abmessungen, B x H 4,5 m x 3 m
Gewicht 800 kg
Aperturfläche 6 m²
Reflektivität der Spiegel im Neuzustand 89 %

Sonnenofen-Messtechnik und Labormesstechnik

Eine sinnvolle Nutzung des Sonnenofens für wissenschaftliche oder technologische Experimente ist untrennbar verbunden mit einer leistungsfähigen Messtechnik. Einige solar-typische Probleme bei der Messung von Temperaturen oder Bestrahlungsstärken sind nicht mit standardisierten Methoden oder Geräten zu lösen. Auch erfordert es speziell qualifiziertes Personal und besonders entwickelte Techniken.
Um diese Techniken zur genauen Bestimmung der wichtigen Parameter Strahlungsflussdichte-Verteilung und Temperatur zu optimieren, verfügt der Sonnenofen über ein eigenes Optiklabor. Dort werden z.B. die Eigenschaften von Messkameras, abbildenden Systemen und anderer Detektoren geprüft und Probeaufbauten für neue Messmethoden getestet. Nicht zuletzt aufgrund dieser Leistungen in Sachen Messtechnikausstattung und Entwicklung genießt der Sonnenofen des DLR einen exzellenten internationalen Ruf und internationale Anerkennung. Eine detaillierte Auflistung der vorhandenen Messgeräte findet sich im Download-Bereich.

Ausgewählte Kunden

  • ESA
  • EADS Astrium
  • ThalesAlenia Space

Standort

Der Sonnenofen befindet sich auf dem DLR-Gelände in Köln-Porz; Linder Höhe, 51147 Köln.


Kontakt
Dr.-Ing. Hans-Gerd Dibowski
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Solarforschung
, Großanlagen und Solare Materialien
Tel: +49 2203 601-3211

Fax: +49 2203 601-4141

E-Mail: Gerd.Dibowski@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/sf/desktopdefault.aspx/tabid-8558/14717_read-28267/