Virtual Solar Field (VSF)
Virtual Solar Field (VSF) ist eine vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelte Software zur Simulation von Parabolrinnen-Solarfeldern. Mit Hilfe der Software lassen sich Parabolrinnenfelder zeitlich und räumlich hoch aufgelöst berechnen, mit dem Ziel, Regelungskonzepte zu entwickeln und zu testen.
In Parabolrinnen-Kraftwerken bündeln Hunderte Parabolspiegelreihen (sogenannte Kollektoren) das Sonnenlicht und konzentrieren es auf ein Wärmeträgermedium, wodurch Temperaturen von bis zu 550 Grad Celsius erreicht werden.
Verbesserungen der Solarfeldsteuerung und der Betriebsstrategien können die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen weiter erhöhen. Dies ist zum Beispiel möglich durch die Reduzierung von Defokussierungsereignissen (wenn die Solarstrahlung nicht präzise ausgerichtet ist) und damit durch eine Erhöhung des Anteils der gesammelten Solarenergie. Darüber hinaus spielen Temperaturabfälle und Druckschwankungen im Rohrnetz und in den Antrieben eine entscheidende Rolle.
Optimierung von Solarfeldern als Schlüssel zur Ertragssteigerung
Um die Vorteile solcher Verbesserungen zu entwickeln und zu bewerten, ist eine präzise Abbildung des Solarfeldverhaltens unter realistischen Bedingungen erforderlich. Dies kann entweder durch Tests an bestehenden Kraftwerken oder durch detaillierte Modellierungen und Simulationen erreicht werden. Die Betreiber kommerzieller Kraftwerke zögern oft, neue Strategien während des normalen Betriebs zu testen, um die geplante Leistungsabgabe und den Energieertrag der Anlage nicht zu beeinträchtigen. In diesen Fällen bietet das Virtuelle Solarfeld (VSF) gute Möglichkeiten, neue Verfahren zur Verbesserung des Anlagenertrags zu prüfen, bevor sie in kommerziellen Kraftwerken eingesetzt werden.
Die VSF-Simulationssoftware kann große Solarfeldsysteme mit mehr als 1.000 Kollektoren simulieren. Sie modelliert die Mehrfachleitungen und Kollektoren separat. Die Software berechnet zeitabhängige Massen- und Energiebilanzen für jedes Strömungselement und ein hydraulischer Systemlöser kalkuliert die individuelle Massenstromverteilung in den parallelen Kreisläufen.
Virtuelles Solarfeld für die Abbildung realistischer Solarbedingungen
Das virtuelle Solarfeld ist in der Lage, sowohl räumliche als auch zeitliche Variationen der Sonneneinstrahlungsdaten zu berücksichtigen. Es liefert eine genaue Darstellung des Solarfeldverhaltens, zum Beispiel der Austrittstemperaturen der Wärmeträgerflüssigkeit aus den einzelnen Kollektoren unter solchen Bedingungen. Mit der Software testen Forschende Regelungs- und Betriebskonzepte und beobachten die Anlage unter realistischen Solarbedingungen virtuell. Eine Kopplung des virtuellen Solarfeldmodells mit einer Feldsteuerungssoftware zum Testen von Steuerungsstrategien ist über eine TCP/IP-Verbindung möglich.
Die wichtigsten Merkmale des Modells als virtuelle Testplattform
Umfang des Modells:
- Darstellung eines gesamten Solarfeldes mit einer beliebigen Anzahl von Kollektorloops
- Flexible Anordnung der Loops zur Abbildung asymmetrischer Kollektorfelder
- Detaillierte Modellierung der Verteiler- und Sammlersysteme
- Anwendbar auf einphasige Wärmeträgerflüssigkeiten
- Kollektorleistungsdaten können zeitlich und räumlich variieren
Physikalische Modellierungsprinzipien:
- Instationäre Massen- und Energiebilanz für Fluidvolumen in allen Rohrleitungsabschnitten (eindimensionale axiale Diskretisierung)
- Energiebilanz für die Absorberrohrwände
- Berechnung der Druckverluste in allen Rohrleitungsabschnitten und Einbauten
- Berechnung der Massenstromverteilung im hydraulischen Netz in Abhängigkeit vom thermischen Ist-Zustand der Kollektorkreisläufe und Sammler sowie von den Ventilstellungen
- Optische und thermische Bilanzierung an den Sammlern und isolierten Sammelleitungen
- Räumlich diskretisierte Direktstrahlung über das gesamte Feld entsprechend der benutzerdefinierten Auflösung der Eingabedaten
Steuerungsoptionen:
- Individuelle Sonnennachführsignale mit benutzerdefinierten Eigenschaften für jede Kollektorbaugruppe
- Ventilhub/Klappenstellung zur Durchflussregelung in den Teilfeldern
- Ventilhub am Eingang für jeden Kreislauf (entweder statisch oder gesteuert)
- Druckverstärkung über Solarfeldpumpen
- TCP/IP-Schnittstellen mit externen Simulationsmanagement-Tools
Fakten zur Software:
- Simulationsprogramm in C++
- Bildet mehrere hundert Solarkollektoren in individuell modellierten Abschnitten ab
- Gekoppelter hydraulischer und thermischer Gleichungslöser
- Mehrere räumlich diskretisierte Elemente für jeden Kollektor
- Berechnungsgeschwindigkeit bis zu 100-mal schneller als in Echtzeit
- Kann mit verschiedenen anderen Programmen verbunden werden
Mögliche Anwendungen:
- Untersuchung des Verhaltens größerer Kollektorfelder im Zeitverlauf
- Analyse der Auswirkungen von Wolkenbewegungen auf den Anlagenbetrieb
- Entwicklung von Regelungs- und Betriebsführungskonzepten
- Erprobung von Solarfeldregelungen
- Konfiguration von Regelparametern und Komponenten vor der Inbetriebnahme
- Simulation in der Anlagenüberwachung
Der Partner RenoGreen Energy vertreibt die Software Virtual Solar Field. Das Institut für Solarforschung nutzt die Software für eigene Forschungsprojekte zusammen mit Industriepartnern.