EBSILON®Professional Online Dokumentation
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Leitungsanschlüsse |
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Link zum Receiver |
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Grenzwert-Eingang |
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Elektrischer Verbrauch |
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Allgemeines Vorgabewerte Verwendete Physik Struktur der Heliostaten-Konfigurationsdatei Bauteilform Beispiel
Mit dem Heliostatenfeld wird die ankommende Sonneneinstrahlung auf der Aperturfläche des Receivers konzentriert. Dies wird mit einer großen Anzahl einzeln nachgeführter Heliostaten erreicht. Das Heliostatenfeld erzeugt eine Flussdichte-Verteilung auf einer festgelegten Aperturfläche. Diese Aperturfläche kann als Schnittstelle zwischen dem optischen Konzentrator und dem Solarreceiver benutzt werden. Jeder Heliostat hat einen eigenen Wirkungsgrad, der als das Verhältnis aus der reflektierten Einstrahlung, die auf den Solarreceiver trifft, zu der Einstrahlung, die die Spiegelfläche des Heliostaten aufnimmt, beschrieben werden kann. Der Standort des Heliostaten innerhalb des Felds bestimmt seinen Kosinuswinkel und den Abstand zur Aperturfläche. Beide Größen bestimmen seinen Wirkungsgrad. Normalerweise werden Raytracing-Programme eingesetzt, um diese Wirkungsgrade in Abhängigkeit vom tatsächlichen Sonnenstand und somit die Gesamtleistung des Solarfelds zu bestimmen.
Die Umsetzung in EBSILON®Professional basiert auf einem solchen integralen Ansatz. Als zweite Vereinfachung nimmt EBSILON®Professional eine homogene Verteilung des Flusses auf der Aperturfläche an, was normalerweise für eine thermodynamische Analyse auf Systemebene ausreicht. Die einfallende Energie auf der Aperturfläche des Solarreceivers wird berechnet als
(1)
mit der durchschnittlichen Feldreflexivität prefl , der Heliostenfeld-Aperturfläche Arefl und dem optischen Wirkungsgrad des Solarfelds ηField, der vom Sonnenazimut γs und der Sonnenelevation αs abhängt. Falls vorhanden, kann der Anwender einen Windkorrekturterm ηWind einfügen.
Die aktuelle Sauberkeit der Heliostaten im Feld wird durch den Parameter REFL berücksichtigt (im Verhältnis zur Auslegungs-Reflektivität, die in der Heliostatenfeldmatrix enthalten ist).
Der Anwender muss die Feldwirkungsgrad-Matrix für die zu simulierende Konfiguration liefern. Jedes Tool zur Auslegung von Heliostatenfeldern wie HFLCAL kann zum Erzeugen der Leistungsdaten des Feldes eingesetzt werden. Ein ASCII-Dateiformat, das alle zur Beschreibung des Heliostatenfelds erforderlichen Werte inklusive der Wirkungsgrad-Matrix enthält, ist definiert.
Es bestehen mehrere Möglichkeiten zur Begrenzung der Energie, die das Heliostatenfeld an den Receiver liefert. Dies kann mit einem Fokusfaktor ЅFocus erreicht werden, der automatisch durch EBSILON reduziert wird, wenn in dem Medium, das den Receiver durchströmt, ein bestimmter Grenzwert überschritten wird. Als Grenzwert kann der Anwender zwischen einem maximalen Austrittszustand des Receivers (Temperatur, Enthalpie, Dampfanteil), einem maximalen Massenstrom, oder einer maximalen Energie wählen. Die Grenzwerte können entweder durch einen Parameter oder durch eine Logikleitung von außerhalb des Heliostatenfeld-Bauteils vorgegeben werden.
Es wird empfohlen, die Daten mit Hilfe einer Datei einzulesen, um Fehler oder fehlerhafte Zusammenstellungen der Effizienzmatrix und den entsprechend mit ihr zusammenhängenden Parametern zu vermeiden. Einige Parameter, die während der Auslegung des Heliostatenfelds gebraucht werden, können von EBSILON als Information für den Anwender gespeichert werden. Diese Werte werden nicht in den Berechnungen genutzt, aber automatisch von EBSILON eingelesen (wenn sie dort spezifiziert sind).
Nur wenige Parameter im Heliostatenfeld-Modell können vom Anwender verändert werden. Es handelt sich um die effektive Reflektivität des Systems und die Festlegung von Strahlung, Sonneneinfallwinkeln und Windparametern. Alle anderen Parameter werden aus der Heliostaten-Konfigurationsdatei gelesen und zur Information im Vorgabe-Tab ausgegeben.
Anpassungspolynoms (ADAPT) oder Kernelexpression (EADAPT) für ETAMAT
Bei diesem Bauteil besteht auch die Möglichkeit, an Stelle oder ergänzend zur Wirkungsgrad-Matrix ein Anpassungspolynom oder eine Kernelexpression zu verwenden. Im Anpassungspolynom bzw. in der Kernelexpression können folgende Parameter verwendet werden:
Beispieldateien unter Examples\Components :
• Component_121_ADAPT.ebs zeigt die Anwendung eines Anpassungspolynoms mit Verwendung der internen Parameter RSHEIGHT und RSAZIM
• Component_121_ADAPT_IND.ebs zeigt die Anwendung eines Anpassungspolynoms mit Zugriff auf Sonnenhöhe und Azimut über Wertanzeigen auf dem Logikausgang der Sonne und
entsprechende Verweis-Indizes
• Component_121_EADAPT.ebs zeigt die Anwendung einer Kernelexpression mit Verwendung der internen Parameter RSHEIGHT und RSAZIM
| FIELDSET | Typ-Name des Heliostatenfelds |
| AREFL | Gesamte Spiegelfläche des Heliostatenfelds (gesperrter Vorgabewert) |
| NHEL | Gesamtzahl der Heliostaten (gesperrter Vorgabewert) |
| AMIR | Reflektive Oberfläche eines Heliostaten |
| REFL | Effektive Reflektivität des Feldes (einschließlich Verschmutzung) |
| FDETEFF |
Methode zur Berechnung sonstiger Wirkungsgrade
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Verwende MXFIELDEFF (Keine Berechnung der Werte RETACOS, RETABAS, RETAATM, RETAINT (selbst wenn Matrizen =2: Verwende MXFIELDEFF ( RETACOS, RETABAS, RETAATM, RETAINT werden auch berechnet). Bei Inkonsistenz mit der Gesamtmatrix |
| PATRACK | Spezifischer Track-Verbrauch (Zeitmittel für Perioden, in denen das Heliostatenfeld in Betrieb ist) |
| MINTRACK | Mindest-DNI für Aktivierung des Tracking-Systems |
Die Vorgabewerte für die Leistungsbegrenzung werden verwendet, wenn Festlegung durch Vorgabewert in FLIMITS (=0) gewählt ist. Ansonsten (FLIMITS=1) werden die zugehörigen Werte von Leitung "2" gelesen.
| FLIMIT |
Flag zur Vorgabe einer Methode zur Leistungsbegrenzung
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Fokussierungszustand vordefiniert (FOCUS) |
| FLIMITS |
Methode zur Festlegung der Begrenzung
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Vorgabewerte entsprechend der Auswahl bei FLIMIT (FOCUS, M2MAX, QMAX, T2MAX, H2MAX, X2MAX)
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| FOCUS | Fokussierungszustand des Kollektors (0=nicht fokussiert, 1=fokussiert, dazwischen wird linear interpoliert, verwendet wenn FLIMIT=0) |
| M2MAX | Maximaler Massenstrom (verwendet wenn FLIMIT=1) |
| QMAX | Maximale thermische Leistung (verwendet wenn FLIMIT=2) |
| T2MAX | Maximale Austrittstemperatur (verwendet wenn FLIMIT=3 ) |
| H2MAX | Maximale spezifische Austrittsenthalpie (verwendet wenn FLIMIT=4) |
| X2MAX | Maximaler Austrittsdampfgehalt (verwendet wenn FLIMIT=5 ) |
| FWIND |
Methode zur Berechnung des Windeinflusses
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Gegeben durch konstanten Faktor CORWIND |
| CORWIND | Faktor zur Beschreibung des Windeinflusses auf die optische Performance. (Ein Wert ="1" bedeutet es ist gibt keinen Windeinfluss oder der Windeinfluss ist über EWIND definiert) |
| EWIND |
Anpassungsfunktion für Windeinfluss (für FWIND=1): Ergebnis: 0...
Standardmäßig voreingestellt ist 0. |
| VMAX | Maximal zulässige Windgeschwindigkeit |
| FATM |
Methode zur Berechnung der Korrektur für die atmosphärische Lichtschwächung
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Gegeben durch konstanten Faktor CORATM |
| CORATM | Korrektur für die atmosphärische Lichtschwächung, Standardwert ="1" |
| EATM | Anpassungsfunktion für die atmosphärische Lichtschwächung , Standardwert ="1" |
| FSDNI |
Definition der Direkt-Normalstrahlung
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Gegeben durch Vorgabewert DNI |
| DNI | Direkt-Normalstrahlung auf Receiveroberfläche |
| FSSUN |
Definition der Sonnenposition
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Gegeben durch Parameter |
| SHEIGHT | Sonnenhöhenwinkel (Winkel zwischen Sonnenmittelpunkt und Horizont) |
| SAZIM | Sonnenazimutwinkel (Nord=0°, Positiv in Ost-Richtung) |
| FSWIND |
Definition von Windgeschwindigkeit und Windrichtung
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =0: Gegeben durch Parameter VWIND und AWIND |
| VWIND | Windgeschwindigkeit (>0, dieser Wert wird verwendet falls FSWIND=0) |
| AWIND | Windrichtung (von Süd nach Nord=0°, positiv in Ostrichtung, Werte im Bereich von 0..360°, dieser Wert wird verwendet wenn FSWIND=0) |
FADAPT |
Schalter für die Verwendung des Anpassungspolynoms ADAPT / der Anpassungsfunktion EADAPT Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Nicht verwendet und nicht ausgewertet
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| EADAPT | Anpassungsfunktion ETAMAT (Eingabe) |
| ISUN | Index des Referenz-Solardatenbauteils |
Diese Parameter werden aus der Heliostaten-Konfigurationsdatei gelesen und in der Heliostatenfeld-Komponente gespeichert. Durch die logische Verbindung zwischen den Komponenten 120 und 121 werden diese Daten im Solarturm-Receiver (120) verfügbar.
Der Anwender kann diese Daten nicht in EBSILON ändern, da eine gegebene Heliostatenfeld-Wirkungsgradmatrix nur für die zu Grunde liegende Geometrie gültig ist. Gleichwohl kann der Anwender die Heliostaten-Konfigurationsdatei manuell ändern und in die modifizierte Version ins EBSILON laden.
| AREC | Aperturfläche des Receivers (durch Heliostatfeld-Matrix bestimmt) |
| QINCDES | Auslegungs-Interceptleistung (von Heliostatenfeld übernommen) |
| RECELEV | Höhe des Receivers über dem Erdboden (benötigt für benutzerspezifisch definierte Modellierung) |
| FRECFORM |
Form des Receivers (vorgesehen für benutzerspezifisch definierte Modellierung)
Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) =1: Kreisförmig |
| RECDIAM |
Receiverdurchmesser (vorgesehen für benutzerspezifisch definierte Modellierung)
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| RECHEI |
Receiverhöhe (vorgesehen für benutzerspezifisch definierte Modellierung)
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| RECTILT |
Neigungswinkel des Receivers (vorgesehen für benutzerspezifisch definierte Modellierung)
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| RECVIEW |
Sichtwinkel des Receivers (vorgesehen für benutzerspezifisch definierte Modellierung)
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Diese Werte werden als Information ausgegeben und haben keinerlei Einfluss auf die Berechnung in EBSILON.
| HELBEAM | Strahlqualität EXPLAIN |
| HELFOC | Brennweite (-1: individueller Neigungsbereich) |
| HELDENS | Felddichte (Spiegelfläche AREFL / Landfläche) |
| HELMUL | Multiaiming (T=mit / F= ohne) |
| LATIDES | Breitengrad (des in der Auslegung verwendeten Ortes) |
| HEIGDES | Höhe über Meeresspiegel |
| DATETIMEDES | Auslegungspunkt Datum DD.MM[.YYYY], Jahr ist optional |
| DNIDES | Auslegungs-DNI |
| REFLDES | Auslegungs-Spiegelreflexivität |
Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.
Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte
Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen
| QSOLAR | Nutzbare solare Einstrahlung = DNI*AREFL |
| RQINC | Berechnete eingestrahlte Leistung auf Receiver AREC |
| ETAFIELD | Effektiver Feldwirkungsgrad = ETAMAT*REFL*RFOCUS*ETAWIND |
| ETAMAT | Wirkungsgrad des komplett nachgeführten und sauberen Feldes, aus Matrix MXFIELDEFF ermittelt |
| RSHEIGHT | In der Berechnung verwendeter Winkel für Sonnenhöhe (Winkel zwischen Sonnenmitte und Horizont) |
| RSAZIM | In der Berechnung verwendeter Winkel für Sonnenazimut (Norden=0°, positive Drehrichtung nach Osten) |
| RDNI | In der Berechnung verwendeter DNI |
| RVWIND | In der Berechnung verwendete Windgeschwindigkeit |
| RAWIND | In der Berechnung verwendete Windrichtung |
| ETAWIND | Faktor für Windeinfluss |
| RCORATM | Korrekturterm für atmosphärische Lichtschwächung bezogen auf Auslegungspunkt |
| RETACOS | Cosinus- Wirkungsgrad (wenn die Matrix MATCOS verfügbar ist) |
| RETABAS | Blockierungs- und Verschattungs-Wirkungsgrad (wenn die Matrix MATBAS verfügbar ist) |
| RETAATM | Atmosphärischer Wirkungsgrad (wenn die Matrix MATATM verfügbar ist) |
| RETAINT | Intercept Wirkungsgrad (wenn die Matrix MATINT verfügbar ist) |
| RFOCUS | Verwendeter Wert für FOCUS |
| RADAPT | Ergebnis für ADAPT / EADAPT |
Die nutzbare Solarenergie wird berechnet aus:
| QSOLAR = AREFL * RDNI |
Auf Grund optischer Verluste kann nur ein Teil dieser Energie im Receiver verwendet werden.
| QINC = QSOLAR * RFOCUS * REFL * ETAMAT * ETAWIND = QSOLAR * ETAFIELD |
Der Heliostatenfeld-Wirkungsgrad ETAMAT des voll nachgeführten (RFOCUS=1) und sauberen (REFL=1) Feldes hängt von der zweidimensionalen Feld-Wirkungsgradmatrix MXFIELDEFF bei linearer Interpolation zwischen den Stützstellen ab. Die Stützstellen sind
Bitte beachten Sie, dass die Interpolationsroutine im Fall von Extrapolation konstante Werte verwendet. Zur Vermeidung unphysikalischer Wirkungsgradwerte bitte sicherstellen, dass die Matrixwerte durch Nullen beschränkt sind.
Auf Grund der starken Schwankungen der solaren Einstrahlung im Tages- und Jahresverlauf werden Solarfelder überdimensioniert. Daher ist das Solarfeld in Teilen des Jahres in der Lage mehr Wärme aufzunehmen, als vom Speicher und Dampferzeuger benötigt wird. In diesem Fall wird ein Teil des Heliostatenfeldes defokussiert, um die Einstrahlungsleistung zu reduzieren. Für die Leistungsbegrenzung werden die Werte in der angeschlossenen Receiverkomponente ausgewertet. Der Anwender hat mittels des Schalters FLIMIT verschiedene Möglichkeiten, diesen Effekt zu beeinflussen.
Die begrenzenden Werte FOCUS (benutzt als Leitungsenthalpie), T2MAX, H2MAX, X2MAX, M2MAX, und QMAX können durch die Vorgabewerte (FLIMITS=0) oder mittels Logik-Leitung "2" vorgegeben werden.
Unter Windlasten werden die Heliostaten verformt, wodurch der optische Wirkungsgrad abgesenkt wird. Dieser Effekt wird durch den Faktor ETAWIND dargestellt. Es gibt bislang kein Modell und keine Standardformel, welche den Windeffekt berücksichtigen würde, da es zu diesem Effekt nur wenige Daten gibt. Der Anwender hat zwei Möglichkeiten:
In beiden Fällen kann eine für den Betrieb maximal zulässige Windgeschwindigkeit definiert werden. Diese wird definiert über VMAX. Wenn RVWIND>VMAX ist, dann wird ETAWIND gleich 0 und dadurch das gesamte Feld defokussiert.
Für die Nachführung der Heliostaten wird elektrische Energie benötigt. Über den Parameter PATRACK kann der Anwender einen durchschnittlichen Wert für den spezifischen Verbrauch vorgeben. Dieser Wert wird mit der Spiegelfläche AREFL multipliziert, und es ergibt sich der elektrische Verbrauch. Im Falle einer solaren Einstrahlung unter 100 W/m² wird der Wert zu null gesetzt da sich das Feld nicht mehr im Betrieb befindet.
Die Feldwirkungsgrad-Matrix für die zu simulierende Konfiguration kann nicht von EBSILON berechnet werden, sondern muss vom Anwender vorgegeben werden. Zum Erzeugen der Leistungsdaten des Feldes kann ein Tool zur Auslegung von Heliostatenfeldern eingesetzt werden. Getestet wurde dies mit dem vom DLR entwickelten Programm HFLCAL. Nähere Informationen sind erhältlich bei
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Solarforschung
Abteilung Punktfokussierende Systeme
Herr Peter Schwarzbözl
Linder Höhe
D-51147 Köln
E-Mail: peter.schwarzboezl@dlr.de
Die Struktur der Heliostaten-Konfigurationsdatei basiert auf der Struktur von typischen Windows init-files. Jede Zeile beginnt mit einem vordefinierten Bezeichner SCHLÜSSELWORT (es sind keine Leerzeichen erlaubt), gefolgt von einem "=", und dem Wert, der gelesen werden soll. Das Schlüsselwort wird in Großbuchstaben geschrieben und ist identisch mit dem Variablennamen in der EBSILON Heliostatenfeld-Komponente. Die Werte werden als String gelesen, wobei der String nach dem "=" beginnt und vor dem Semikolon oder dem Zeilenumbruch endet. Leerzeichen am Anfang und am Ende des Strings werden beim Lesen ignoriert. Der gesamte Text hinter dem Semikolon wird als Kommentar behandelt und ebenfalls nicht gelesen. Die Werte müssen in den vordefinierten Einheiten geliefert werden.
; Individueller Kommentar vom / übers erzeugende Tool
AREFL=120000 ; Heliostaten Spiegelfläche AREC=155.3 ; Receiveroberfläche ; Weiterer Kommentar
QINCDES=12000000; Auslegungs-Einstrahlungsleistung auf den Receiver
....
Die Reihenfolge der Eingabe ist willkürlich. Die einzige Ausnahme ist die Definition der Wirkungsgradmatrix welche mit dem Schlüsselwort MATEFF startet und sich mit den Werten der Matrix von der folgenden Zeile an fortsetzt. Die erste Zeile der Matrix enthält den Sonnenazimut-Winkel (deg). Die erste Spalte enthält die Sonnenhöhe (deg). Die Werte werden durch Kommas getrennt, Zeilen durch einen Zeilenumbruch beendet. Die Syntax sieht also wie folgt aus:
MATEFF=(8,8) ; Zeilen (Höhenstand in deg) und Spalten (Azimut in deg) der Wirkungsgradmatrix , -165 , -135 , -105 , -75 , -45 , -15 , 15 , 45 line break
5 , 0.2229 , 0.2303 , 0.2485 , 0.2691 , 0.2913 , 0.3063 , 0.3053 , 0.2925 line break
15 , 0.3459 , 0.3612 , 0.3982 , 0.4377 , 0.4743 , 0.4965 , 0.4963 , 0.4757 line break
25 , 0.4167 , 0.4344 , 0.4742 , 0.5206 , 0.5591 , 0.5830 , 0.5831 , 0.5606 line break
35 , 0.4694 , 0.4865 , 0.5227 , 0.5642 , 0.5989 , 0.6209 , 0.6212 , 0.6000 line break
45 , 0.5072 , 0.5226 , 0.5529 , 0.5878 , 0.6182 , 0.6359 , 0.6363 , 0.6190 line break
60 , 0.5535 , 0.5645 , 0.5856 , 0.6097 , 0.6311 , 0.6431 , 0.6433 , 0.6314 line break
75 , 0.5936 , 0.5996 , 0.6100 , 0.6222 , 0.6328 , 0.6390 , 0.6388 , 0.6330 line break
90 , 0.6223 , 0.6223 , 0.6223 , 0.6223 , 0.6223 , 0.6223 , 0.6223 , 0.6223 line break
Die Wirkungsgradmatrix wird für die Leistungsberechnung benötigt. Darüber hinaus können weitere Matrizen zur Beschreibung von Wirkungsgraden für verschiedene optische Effekte in EBSILON gelesen und interpoliert werden. Das Format ist in der gleichen Weise definiert mit folgenden Schlüsselwörtern:
Die einzelnen Wirkungsgrade werden nur berechnet, wenn entsprechende Matrizen zugrundegelegt worden sind. Sie werden in den Ergebniswerten RETACOS, RETABAS, RETAATM und RETAINT ausgegeben. Der Gesamtwirkungsgrad ist dann das Produkt der vier Einzelwirkungsgrade
ETAMAT = RETACOS * RETABAS * RETAATM * RETAINT
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Form 1 |
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