Simulation and optimization of solar thermal power plants

Richter, Pascal; Frank, Martin (Thesis advisor); Müller, Siegfried (Thesis advisor); Castro Diaz, Manuel J. (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Der Anteil an Erneuerbaren Energien an der globalen Energieerzeugung ist in den letzten Jahrzehnten stark gestiegen. Es haben sich komplett neue Industriezweige entwickelt. Unter den erneuerbaren Energien stellen die solarthermischen Kraftwerke eine vielversprechende Möglichkeit der Stromerzeugung dar. Ihre zugrundeliegende technische Idee ist dabei ziemlich einfach: Große Spiegel konzentrieren Sonnenstrahlen auf einen so genannten Receiver und erhitzen auf diese Weise eine Flüssigkeit. Die Wärmeenergie des Fluides wandelt Wasser in Dampf um, wodurch eine Turbine angetrieben wird, die dadurch Strom erzeugt.Im Rahmen der technischen Entwicklung dieser recht jungen Technologie ergeben sich permanent neue Fragestellungen. Die Angewandte Mathematik und Simulationswissenschaften bieten adäquate Techniken um einige dieser komplexen Fragestellungen zu beantworten. Damit wird ein Beitrag zur Entwicklung von effizienteren und somit wettbewerbsfähigeren solarthermischen Kraftwerken geleistet. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden zwei Problemstellungen aus dem Bereich der Entwicklung und dem Betrieb von Solarthermischen Kraftwerken untersucht und erfolgreich mit Mitteln der Numerik und Optimierung gelöst.Der erste Teil der Arbeit behandelt Solarturmkraftwerke. Diese bestehen aus einem Feld von hunderten oder tausenden von Heliostaten, deren Spiegel die direkte Sonneneinstrahlung auf einen Receiver in der Turmspitze konzentrieren. Die Bestimmung der optimalen Aufstellung der Heliostaten ist nach wie vor ein offenes Problem. Da dieses globale Optimierungsproblem nicht konvexe Nebenbedingungen besitzt, wird eine Heuristik zur Lösung benötigt. Dazu wird ein Vorwärtslöser als deterministischer Raytracer entwickelt, welcher zur Verbesserung der Laufzeit Techniken der Faltungsmethoden verwendet. Die im Vergleich zu anderen Raytracern hohe Simulationsgeschwindigkeit ermöglicht es komplexere Optimierungstechniken zu verwenden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein evolutionärer Algorithmus entwickelt. Um die Konvergenzrate stark zu erhöhen wurden Modifikationen an der Genotyp-Darstellung und den evolutionären Operatoren wie Rekombination und Mutation vorgenommen. Die in dieser Arbeit entwickelte Optimierungsmethode ermöglicht die Entwicklung von effizienteren und damit wettbewerbsfähigeren Heliostatenfeldern und wurde bereits für die Optimierung einer Testanlage in Südafrika eingesetzt.Im zweiten Teil der Arbeit wird ein solarthermisches Kraftwerk mit linearen Fresnel-Kollektoren betrachtet. Parallele Reihen von großen Spiegeln werden verwendet, um Sonnenlicht auf ein Absorberrohr von etwa 1000 m Länge zu konzentrieren. Verschiedene Fluide können als Wärmeübertragung verwendet werden, wie z.B. Thermoöl, Wasser/Dampf oder geschmolzenes Salz. Für eine optimale Steuerung des Kraftwerks sind genaue Kenntnisse über die laufenden Prozesse in den Absorberrohren erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wird Wasser als Wärmeträgermedium in den Absorberrohren betrachtet. Diese Technik wird beispielsweise im Solarkraftwerk PE2 in Spanien verwendet. Bisherigen numerischen Ansätze fehlen notwendige Eigenschaften wie die Hyperbolizität oder aber es werden gewisse thermodynamische Eigenschaften wie Entropie Dissipation nicht verwendet. Mathematisch kann die Zweiphasenströmung durch ein PDE-System vom Baer-Nunziato-Typ beschrieben werden. Das entwickelte Modell erfüllt thermodynamische und mathematische Eigenschaften. Da das zugrundeliegende System nicht-konservativ ist, müssen entsprechende numerische Löser entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden ein neues pfad-konservatives Entropie-erhaltendes Schema und ein Godunov-Löser des Suliciu-relaxierten Modells entwickelt und verglichen.

Einrichtungen

• Lehr- und Forschungsgebiet Computational Statistics [115020]
• Fachgruppe Mathematik [110000]