Messung des thermischen Wirkungsgrades im Solarfeld. N. Janotte, E. Lüpfert, R. Pitz-Paal, K. Pottler, T. März

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1 Messung des thermischen Wirkungsgrades im Solarfeld N. Janotte, E. Lüpfert, R. Pitz-Paal, K. Pottler, T. März

2 Zielsetzung & Motivation Charakterisierung des thermischen Verhaltens von Solarfeldern durch Leistungsmessungen (während des Betriebs) thermische Qualifizierung von Komponenten/Kollektoren thermische Qualifizierung von Loops/Feldern unabhängige Messungen zur Abnahme/ Inbetriebnahme von Solarfeldern Vorhersage jährlicher Energieerzeugung des Solarfeldes unter Berücksichtigung der Messunsicherheit Folie 2

3 Messmethode Nutzenergie (Enthalpieerhöhung) Massenstrom Eintrittstemperatur Austrittstemperatur aus Q& Feld = m& HTF c p ( T ) dt T T ein Ressource + Umgebung Solare Einstrahlung (DNI, GHI, Diffus) Umgebungstemperatur Windgeschwindigkeit T ein m& HTF T out Folie 3

4 Rahmenbedingungen der Betriebsmessungen im Solarfeld individuelles Anlagendesign kurzfristige Messungen kurze Messdauer normaler Betrieb des Solarfeldes kein Zugang zu Sensoren/Datenerfassung hohe Anforderungen an Messgenauigkeit Folie 4

5 Einbaufühler Kriterien zu Sensorauswahl - Anlegefühler Betriebsbeeinträchtigung Montageaufwand Flexibilität Gefahr von Leckagen Genauigkeit Kalibrierung und Nachverfolgung Einbaufühler x x x x Sensor spezifisch schwierig Anlegefühler Sensor spezifisch einfach hoher Aufwand Langzeitmessung + Teststände geringer Aufwand Kurzzeitmessung Mobiles Feldlabor Folie 5

6 Feldlabor: Temperaturmessung verstärkte PT100-Anlegefühler mit beheiztem Wärmeleitblech zur Kompensation von Temperaturgradienten deutliche Verringerung der absoluten Temperaturdifferenz (~1K bei 380 C) Temperaturabhängigkeit der Temperaturdifferenz Messunsicherheit ca. 0,5% von ΔT Messabweichung Anlegefühler δt Tein ohne Schutzblech mit Schutzblech } ΔTaus -ΔTein Taus Temperatur Folie 6

7 Feldlabor: Durchflussmessung Ultraschall-Laufzeitdifferenz-Verfahren Hauptunsicherheitseinflüsse: Wandstärke, Montage, Strömungsprofils, Kalibrierung Abweichung <1% vom Messwert im Test erreicht Kalibrationsstrecke zur Quantifizierung der Messunsicherheit im Aufbau Folie 7

8 Feldlabor: Mobile Meteo-/Einstrahlungs-Station Einstrahlung (DNI, GHI, Diffus) Umgebungstemperatur Windgeschwindigkeit Unsicherheit DNI-Messung bis zu 4% vom Messwert Haupteinflüsse Kalibrationsprozeduren Sensorcharakteristik Ziel Unsicherheit < ± 1% durch direkten Vergleich mit Absolutradiometer Temperaturkompensation gute Sensorchrakterisierung Folie 8

9 Feldlabor: Spiegelsauberkeit & Nachführung Überwachung und Aufzeichnung der Testbedingungen: Spiegelsauberkeit (Verminderung der Leistungsfähigkeit des Konzentrators) portables, spekulares Reflektometer χ = ρ ρ sauber Nachführung (Betriebszustand der Kollektoren) Neigungssensoren Folie 9

10 Feldlabor: Datenerfassung robustes & flexibles Netzwerk verteilter Datenlogger synchronisiert zentrale Ansteuerung, Auslesen und Spannungsversorgung Folie 10

11 Feldlabor: Messunsicherheit Ziel: Messunsicherheit ± 1%Pkt (thermischer Wirkungsgrad) bisherige Maßnahmen erfolgreich weitere Verbesserungen (z.b. Feldkalibration) im Aufbau weitere noch zu berücksichtigen Einflüsse Wärmekapazität Öl Datenerfassung Folie 11

12 Testbedingungen & Auswertung regulärer Solarfeldbetrieb dynamische Auswertung zur optimalen Parameteridentifikation verschiedene mittlere Fluidtemperaturen unterschiedliche Einfallswinkel (Jahreszeiten) verschiedene Einstrahlungsstärken Wärmeträgermassenstrom gemäß Betriebsstrategie Folie 12

13 Calasparra (Murcia) Durchflussmessung Temperaturmessung mobiler Tracker mit Strahlungssensoren Sauberkeitsmessung Umgebungstemperatur -messung Trackingüberwachung Folie 13

14 Typische Messdaten 1000 PE1 8th February PE1 8th February 2009 irradiance in W/m² temperature in C :00 12:00 14:00 16:00 18:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 time time ausgeprägte Dynamik E_b*IAM E_b temperature inlet loop1 C 1 WLA01CT101 temperature oulet loop1 C 8 WLA01CT114 flow inlet loop1 m³/h 0 WLA01CF101 individuelle Anlagen- und Betriebscharakteristika thermischer Wirkungsgrad T aus = C Tracking Optimierung bei niedrigem Sonnenstand temperature inlet loop2 C 4 WLA02CT101 temperature oulet loop2 C 9 WLA02CT114 flow inlet loop2 m³/h 3 WLA02CF101 Folie 14

15 Zusammenfassung & Ausblick Mobiles Feldlabor mit Anlegefühlern verfügbar Messtechnik qualifiziert erste Verbesserungen der Messgenauigkeit umgesetzt erste erfolgreiche Einsätze weitere Verbesserung der Genauigkeit (z.b. Kalibrationen) Automatisierung der Datenanalyse + Auswertung Verwendung der Ergebnisse in der Feldmodellierung Folie 15

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 16