Auf Windeinfluss angepasster Heliostat, basierend auf Windfeld-Messungen im Heliostatenfeld und Validierung von Windkanal-Messungen
Das Heliostatenfeld trägt mit einem Anteil von circa 40 Prozent maßgeblich zu den Gesamtinvestitionskosten eines solarthermischen Turmkraftwerkes bei. Bei der Entwicklung und Auslegung von Heliostaten spielen Windlasten eine zentrale Rolle. Je höher die angenommene Spitzenwindbelastung, jener Windlast, der ein Heliostat maximal standhalten muss, desto steifer und damit kostenintensiver muss ein Heliostat dimensioniert werden. Daher ist das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens AdaptedHelio, Kosteneinsparpotenziale auf Basis einer windoptimierten Auslegung von Heliostaten zu identifizieren. Aus den Erkenntnissen von AdaptedHelio geht hervor, wie Forscherinnen und Forscher das Design von Heliostaten abhängig von der Position im Heliostatenfeld anpassen.
Auslegung eines Heliostaten optimieren
Ein bisher wenig ausgenutzter Ansatz zur Reduktion der Kosten ist das Anpassen der Heliostat-Dimensionierung an die lokalen Strömungsbedingungen im Heliostatenfeld. Auf Basis vergangener Windkanalstudien an modellierten Heliostatenfeldern erwarten die Forschenden, dass Heliostaten in Bereichen hoher Felddichte, also im Inneren des Feldes, bis zu 30 Prozent weniger Windlasten ausgesetzt sind als solche am Rande des Feldes. Für Heliostaten im Inneren des Feldes könnten somit etwa Wandstärken der tragenden Stahlstrukturen und damit Materialaufwand reduziert werden.
Windmessungen im Heliostatenfeld
Da bislang nur wenige Messdaten über das Verhalten von Wind im Heliostatenfeld vorhanden sind, führt das Vorhaben AdaptedHelio Langzeit-Windmessungen über einen Zeitraum von circa einem Jahr durch. Dazu wird die Windgeschwindigkeit innerhalb eines realen Heliostatenfeldes mit sogenannten Anemometern des DLR - Institut für Solarforschung und Laserscannern des Fraunhofer Instituts IEE gemessen. Während Anemometer Windverhältnisse an einzelnen Positionen innerhalb eines Heliostatenfeldes zeitlich hochaufgelöst messen, untersuchen räumlich hochauflösende Laserscanner die Strömungsverhältnisse oberhalb des Heliostatenfeldes.
Beides findet auf der Anlage der Plataforma Solar de Almería in Spanien statt, dessen Eigentümer und Betreiber das spanische Forschungszentrum CIEMAT ist.
Windkanalmessungen mit Messungen im realen Maßstab vergleichen
Ein weiterer Ansatz zur Reduktion von Heliostatkosten ist das Überprüfen von Windkanal-Messdaten mit der Realität. Windkanalstudien liefern Kennwerte, welche die Berechnung von Windlasten auf Heliostaten ermöglichen und somit häufig zur Auslegung eines Heliostaten herangezogen werden. In Windkanalstudien werden jedoch kleinskalige Modelle von Heliostaten untersucht, die einem künstlich erzeugten turbulenten Wind ausgesetzt werden. Da sich die Bedingungen im Windkanal von realen Bedingungen unterscheiden können, hat das Vorhaben AdaptedHelio zum Ziel die Windkanal-Messdaten mittels Freiland-Staudruckmessungen an einem Einzel-Heliostat zu vergleichen. So kann überprüft werden wie präzise die Windkanaldaten die Realität widergeben. Abschließend evaluieren Industriepartner die Anpassung der Auslegung feldinnerer Heliostaten.
Optimierung der Kernkomponenten
Die im Projekt erlangten Erkenntnisse über Windverhältnisse im Heliostatenfeld eines solarthermischen Turmkraftwerkes und damit verbundener lokaler Windspitzenlasten zielen darauf ab, eine intelligente Auslegung und Verbesserung der Kraftwerkskernkomponente „Heliostat“ anzustoßen, um einen weiteren Schritt in der Heliostatentwicklung und Kostenreduktion dieser Komponente und damit des Gesamtsystems zu gehen.
Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz