Material- und Kollektorentwicklung

Um einen hohen optischen Wirkungsgrad zu erreichen müssen die Spiegel in einem konzentrierenden Kollektor möglichst präzise der Sonne nachgeführt werden. Auch die flächige Ausleuchtung eines Receivers kann optimiert werden. Das Spektrum der am Fraunhofer ISE dazu angebotenen Leistungen umfasst:

• Algorithmen zur Berechnung der optimalen Ausrichtung unter Berücksichtigung der Kollektorgeometrie, -ausrichtung, des gewünschten Zielpunkts und anderer standortspezifischen Parameter
• Aufbau und Programmierung der Trackingsteuerung
• Entwicklung von Verfahren zur Erfassung und Korrektur von Fehlstrahlung am Receiver im laufenden Betrieb
• Analyse von Einflüssen auf den optischen und thermischen Wirkungsgrad mittels Strahlverfolgungssoftware, z.B. von Trackingintervallen und Trackingungenauigkeit
• Berechnung der zu erwartenden mechanischen Lasten und Auslegung und Auswahl von Trackingkomponenten

Kernkomponente solarthermischer Kraftwerke ist der Receiver mit einem selektiv beschichteten Absorberrohr, auf das die Solarstrahlung fokussiert wird. Am Fraunhofer ISE entwickeln wir Absorberschichtsysteme mittels Magnetron-Sputterprozessen, die den hohen Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit im Kollektor gerecht werden.

So haben wir gemeinsam mit der Firma Schott eine hochselektive Absorberschicht für Vakuum-Receiver in Parabolrinnenkraftwerken entwickelt. Weiterhin konnten wir auch ein an Luft und bis 450°C stabiles Schichtsystem herstellen. Auf unserer produktionsnahen Anlage können wir auch Kleinserien für Kollektorprototypen produzieren. Beispielsweise haben wir so das 100 m lange Absorberrohr des Fresnel-Demonstrationskollektor auf der Plataforma Solar de Almería beschichtet, das seit 2007 den Praxistest durchläuft.

Bei gesputterten selektiven Cermet-Absorberschichten bewirkt ein Metallspiegel eine geringe Emission im Bereich der IR-Strahlung und damit geringe Wärmeverluste des Receivers, während ein Cermet (Keramik-Metall-Verbund) zusammen mit einer Anti-Reflex-Schicht für eine hohe Absorption der Solarstrahlung sorgt.

In optischen Simulationen dieser Dünnschichtsysteme untersuchen wir das Potenzial verschiedener Materialien bezüglich Absorption und Emission. Genauso wichtig ist jedoch die Beständigkeit der einzelnen Schichten bei den hohen Arbeitstemperaturen. Neben Diffusionsprozessen zwischen Substratmaterial und Absorberschichten kann auch die Oxidation einzelner Schichten oder Schichtkomponenten zu einer Degradation des selektiven Absorbers führen.

Mittels Beständigkeitstests und begleitender optischer Messungen können wir Degradationsprozesse sehr gut verfolgen. Näheren Aufschluss über die Art der Degradation geben Oberflächen- und Materialanalysen im REM (Raster-Elektronen-Mikroskop) oder AES (Auger-Elektronen-Spektroskop). Diese Informationen sind wichtig, um die jeweils nächsten Schritte im Entwicklungsprozess ableiten zu können und gegebenenfalls mit zusätzlichen Barriereschichten den Degradationsprozessen entgegenwirken zu können. 

Der Receiver eines Fresnelkollektors besteht neben dem Absorberrohr aus einem Sekundärkonzentrator, der die Strahlen, die nicht direkt auf das Absorberrohr treffen, über eine zusätzliche Reflexion auf das Absorberrohr lenkt. Der Sekundärkonzentrator soll dazu eine möglichst hohe solare Reflexion aufweisen und muss gleichzeitig bei den im Receiver herrschenden hohen Temperaturen von bis zu ca. 300°C formstabil und bezüglich der optischen Eigenschaften beständig sein.

Wir entwickeln hierzu Schichtsysteme, die diesen Anforderungen gerecht werden. Wie bei der Absorberentwicklung geben Beständigkeitstests und begleitende Messungen in AES und REM Aufschluss über Degradationsprozesse und die nächsten Entwicklungsschritte.

Innerhalb der letzten Jahre hat das Fraunhofer ISE eine Methodik zur technisch-wirtschaftlichen Modellierung und Optimierung von Kollektoren für CSP-Kraftwerke entwickelt, die individuell für konkrete Projektfragestellungen angepasst und weiterentwickelt wird. Wesentlicher Ansatzpunkt ist dabei, dass bei Kollektoren eine technische Variation immer auch einen Einfluss auf die Kosten hat.

Energetisch wird dabei der Kollektor mittels Strahlverfolgungssimulationen modelliert. Hierfür verwenden wir das am Fraunhofer ISE entwickelte Simulationstool Raytrace3D. Der optische Wirkungsgrad wird unter Berücksichtigung von Geometrien, gemessenen Materialparametern und optischen Genauigkeiten bzw. Toleranzen sonnenstandsabhängig errechnet. Das Wärmeverlustmodell wird mit CFD-Rechnungen aufgestellt oder aber mittels Messungen bestimmt.

Ausgehend von dem validierten Kollektormodell kann nun für einen bestimmten Standort der energetische Kollektorertrag ermittelt werden. Verknüpft mit einem Kraftwerksmodell kann hier auch der elektrische Energieertrag als Entscheidungskriterium herangezogen werden.

Für die Auslegungsoptimierung ist wichtig, dass mit den Parametervariationen (z.B. Geometrieänderungen) auch ein entsprechender Einfluss auf die Kosten einhergeht. Daher können neben Kriterien wie optischem, thermischem oder elektrischem Wirkungsgrad auch – unter Annahme plausibler Kostenfunktionen – die spezifischen Strom- oder Wärmeerzeugungskosten als Entscheidungskriterium für die Auslegung herangezogen werden.