Auslegungsrechnungen und Simulationsmodell für den POLYPHEM-Prototypen - Digital Twin

Raytrace3D: optische Strahlverfolgungs-Simulation
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Raytrace3D: optische Strahlverfolgungs-Simulation des THEMIS Heliostatenfelds, in welches der POLYPHEM-Prototyp integriert wird.
Strahlungsflusskonzentrations- und Temperaturverteilungen auf dem POLYPHEM-Absorberpaneel
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Strahlungsflusskonzentrations- und Temperaturverteilungen auf dem POLYPHEM-Absorberpaneel, abgeleitet aus Ray Tracing-Simulationen und einem detaillierten thermo-hydraulischen Receivermodell in ColSim CSP.
Übersicht über den modellierten Luftkreislauf (Hochtemperatur-Kreis)
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Übersicht über den modellierten Luftkreislauf (Hochtemperatur-Kreis).

Für die Vorauslegung der Gesamtanlage und deren Einzelkomponenten wurden der Funktionsumfang und die Operationsmodi erarbeitet, festgelegt und parallel mit einem kommerziellen Planungstool entsprechende Wärme- und Massenbilanzen auf statischer Basis erstellt. In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurde das zugehörige Verfahrensfließbild entwickelt.

Für Leistungsvorhersagen des POLYPHEM-Systems auf Grundlage jährlicher Ertragsabschätzungen, aber auch für kurzfristige Prognosen zur Optimierung des Prototypenbetriebs sind geeignete dynamische Simulationsmodelle für die verschiedenen Anlagenkomponenten und für das Gesamtsystem erforderlich. Sie sollten sehr exakt und ausreichend detailliert sein, aber auch schnell genug rechnen, um für Jahressimulationen verwendet werden zu können - ein Digital Twin der realen Anlage.

Am Fraunhofer ISE wurde diese Toolchain an Simulationswerkzeugen auf Basis unserer leistungsfähigen hauseigenen Software erstellt - Raytrace3D für die auf Strahlverfolgung basierende optische Bewertung des Solar Island (Heliostatenfeld und Receiver) und ColSim CSP für die thermo-hydraulischen Systemsimulationen des POLYPHEM-Cycle, einschließlich Receiver, Gasturbine, ORC-Powerblock und Thermokline-Speicher.

Während der ersten Hälfte des Projekts

  • wurde ein Simulationsmodell für die gesamte Anlage entwickelt,
  • wurden für einige Schlüsselkomponenten des POLYPHEM-Systems detaillierte Modelle entwickelt: Luft-Solarreceiver und Gasturbine
  • wurde ein Kontrollansatz, der verschiedene Betriebsarten abdeckt, integriert

Insbesondere die optische Beurteilung auf der Basis von Raytrace3D führte direkt zu wichtigen Erkenntnissen, die sich auf den Entwurfsprozess des Prototypen auswirkten.

Der Verdichter und die Mikrogasturbine (Hochtemperatur-Kreis) sind zwei Schlüsselelemente des Kombikraftwerks, da das Abgas aus der Turbine den Wärmebedarf des Speichers und des ORC-Powerblocks (Niedertemperatur-Kreis) deckt und daher für eine genaue Leistungsvorhersage geeignet modelliert werden muss. Detaillierte dynamische Modelle für den Verdichter und die Mikrogasturbine wurden auf der Grundlage von Leistungskennlinien erstellt. Die Kennlinien werden durch eine angepasste Methodik vor der Systemsimulation erzeugt. 

 

Weitere Informationen zum Projekt »POLYPHEM« und den Arbeitspaketen:

Forschungsprojekt: Polyphem – Entwicklung eines kleinskaligen Solar-Kombikraftwerks (Gasturbine/ORC)

Arbeitspaket: Entwicklung eines kamerabasierten Messsystems für circumsolare Strahlung

Arbeitspaket:Auslegungsrechnungen und Simulationsmodell für den POLYPHEM-Prototypen - Digital Twin

Erstellte Leistungskennlinie der Mikrogasturbine
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Erstellte Leistungskennlinie der Mikrogasturbine bei unterschiedlicher Drehzahl für die jährliche Systemsimulation.