Institut für Energietechnik und Thermodynamik
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1. Einleitung

Seit Sommer 2007 entwickelt die Technische Universität Wien am Institut für Energietechnik und Thermodynamik (kurz: IET) gemeinsam mit der Firma HELIOVIS AG einen neuartigen Solarkonzentrator zur wirtschaftlichen Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie. Durch den Einsatz von kostengünstigen aufblasbaren Kunstofffolien können kostenintensive Materialien wie Glas und Stahl drastisch eingespart werden. Diese Materialeinsparung führt zu einer Kostensenkung um 70% der Investitionskosten bei ähnlich hohem Ertrag verglichen mit herkömmlichen Solarkonzentratoren, wie zum Beispiel der Parabolrinne.

Der neuartige Solarkonzentrator (kurz: HELIOtube) besteht aus drei Polymerfolien. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau eines PPC.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau eines HELIOtubes

2. Forschungsarbeiten

Die Forschungsarbeiten für den HELIOtube am IET umfassen sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen.

Die Grundlagen über das mechanische und optische Verhalten des HELIOtubes wurden mit selbstentwickelten numerischen Rechenmodellen erarbeitet. Damit ist es möglich, die optimalen Betriebsdrücke sowie die optimalen Bogenlängen der drei Polymerfolien ohne Einfluss externer Lasten zu ermitteln um den höchsten Konzentrationsfaktor zu erreichen. Abbildung 2 zeigt die resultierende Geometrie eines HELIOtubes für einen geometrischen Konzentrationsfaktor von 59.

Abbildung 2: Resultierende Geometrie des HELIOtubes für einen Konzentrationsfaktor von 59

Für das endgültige Design ist es notwendig lokale Störstellen an den Auflagern des Nachführsystems zu untersuchen. Dazu sind räumliche Berechnungen erforderlich. Eine geeignete Methode ist die nichtlineare Finite-Elemente Methode. Damit ist es möglich die verformte Geometrie im Membranspannungszustand zu berechnen und mittels geometrischem Raytracing die optische Effizienz zu ermitteln. Abbildung 3 zeigt einen Ausschnitt eines HELIOtubes im verformten Zustand unter Windlast.

Abbildung 3: Verformter Zustand eines HELIOtubes unter Windlast

Für die experimentellen Untersuchungen wurden insgesamt drei Prototypen und eine Demonstrationsanlage installiert und betrieben.

Die beiden ersten Prototypen wurden errichtet um fertigungstechnische und materialwissenschaftliche Fragen zu beantworten. Mit dem dritten Prototyp wurden die ersten Leistungsmessungen durchgeführt.

Abbildung 5 zeigt den dritten Prototyp. Der dritte Prototyp wurde mit Thermoöl als drucklosem Wärmeträger betrieben. Die thermische Energie wurde über einen Luftkühler an die Umgebung abgeführt.

 Abbildung 5: Dritter Prototyp

Die Demonstrationsanlage wird gemeinsam mit EVN als Direktverdampfer betrieben. Dabei wird aufbereitetes Wasser direkt verdampft und anschließend in einem Kondensator wieder verflüssigt. In der Industrieanwendung kann man später direkt eine Dampfturbine betreiben, um Solarenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Demonstrationsanlage hat eine thermische Nennleitung von 20 kW. Hydraulisch wird die Demonstrationsanlage im Zwangumlauf betrieben. Dadurch ist ein besonders robuster Betrieb bei veränderlicher Solarstrahlung möglich. Dies ist insbesondere bei direktverdampfenden Systemen essentiell, um während des gesamten Betriebs eine ausreichende Kühlung der thermischen Absorberrohre zu gewährleisten. Abbildung 6 zeigt den schematischen Aufbau der Demonstrationsanlage.

Abbildung 6: Aufbau der Demonstrationsanlage mit einer thermischen Leistung von 20 kW