Strömungsmechanik

In der Strömungsmechanik liegt der Fokus am Fraunhofer ISE in der Fluiddynamik, bestehend aus der Aerodynamik welche sich mit bewegten Gasen und der Hydromechanik welche sich mit bewegten Flüssigkeiten befasst. Im Zentrum der Fluiddynamik stehen die Kontinuitäts- und die Navier-Stokes Gleichungen, welche mit Hilfe von numerischen Verfahren gelöst werden können. Die sogenannte numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ermöglicht das Lösen dieser nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen zweiter Ordnung, sodass auch turbulente Strömungen zuverlässig errechnet werden können. 

Dem Fraunhofer ISE stehen hierfür die Software Comsol und Openfoam basierend auf der Finite-Elemente-Methode und Ansys Fluent CFX mit der Finite-Volumen-Methode zur Verfügung. Leistungsfähige Workstations, sowie ein breites Kompatibilitätsspektrum mit Konstruktionsprogrammen (imports) ergänzen unser Know-how in der individuellen 2D und 3D Geometrieerstellung (meshing).

FuE-Leistungen für Strömungsmechanik

Im Geschäftsfeldthema Silicium-Photovoltaik und Photovoltaische Module und Kraftwerke bieten wir folgende Serviceleistungen im Bereich der Strömungsmechanik an.

• Verfahrenstechnische Anlagen- und Reaktorauslegung unter Einbezug des Stofftransports und Wärmeverteilung
• Oberflächenbehandlung von Solarzellen
• Druckverlustoptimierung von Rohrleitungssystemen
• Durchströmungen von Katalysatoren
• Thermomanagement im Automobil
• Poröse Medien, wie z.B. Filter, Membranen
• Windlasten auf PV-Modulen

Simulation eines Reinigungsbeckens

In einem Batch-Verfahren werden Kernprozesse wie die chemische Reinigung und die texturierende Oberflächenbehandlung in unterschiedlichen Reaktionsbädern realisiert um vorteilhafte Oberflächenstrukturen für die späteren Solarzellen zu schaffen. Dabei werden in einem Prozessbad mehrere tausend Wafer prozessiert. Um die Prozessqualität zu erhöhen ist die Erkenntnis über die Anströmung der Wafer wichtig, die insbesondere durch die Konstruktion verschiedener Einbauten beeinflusst wird. Mittels numerischer Simulation wird die Strömung nachgebildet, experimentell validiert und optimiert. Die im Prozessbad vorherrschenden feinen Strukturen, sowie Dimensionen des Beckens, ergeben eine kompliziert zu vernetzende Geometrie. Da die Rechenzeit stark nichtlinear mit der Anzahl der Netzelemente steigt, ist es ein bestreben feine Strukturen zu vereinfachen, um so die Zahl der Freiheitsgrade für ein Modell zu reduzieren. Die Einbauten als auch das gesamte Becken konnte so detailliert untersucht und die signifikantesten Strömungsstörer identifiziert und eliminiert werden.

Simulation der Windlast auf 2-Achsen Tracker

Das Windverhalten eines PV-Systems wird üblicherweise in Windtunneln überprüft. Solche Messungen sind aber sehr aufwändig und teuer und bilden zudem nur einzelne Zustände ab. Daher untersuchen wir Windlasten mittels numerischer Strömungsmechanik (engl. Computational Fluid Dynamics, CFD). Diese ermöglicht es, verschiedenste Zustände in kurzer Zeit zu untersuchen und somit das System in Hinblick auf hohe Windgeschwindigkeiten zu optimieren. Dabei können reale Wetterdaten zum Einsatz kommen, um bspw. die Auswirkung eines bestimmten Sturmereignis zu untersuchen.

Die CFD-Simulation koppeln wir dabei mit weiteren FEM-Modellen, bspw. mit einer mechanischen Simulation um aus der ermittelten Windlast die Deformation und mechanische Spannung im Modul detailliert zu untersuchen. Oder mit thermischen Simulationen zur Abbildung von Konvektionseffekten und damit der ortsaufgelösten Modultemperatur.

Stürme mit hohen Windgeschwindigkeiten sind eine der Auswirkungen des Klimawandels. Daher wird es immer relevanter, Solarparks nach solchen Gesichtspunkten auszulegen. Im Gegensatz zur in der IEC 61215 vorgeschriebenen homogenen mechanischen Last, sind Windlasten, insbesondere von schweren Stürmen, höchst inhomogen. Zudem haben zahlreiche Faktoren Einfluss auf den Windstrom und damit auf die resultierende Last, z.B. der Anstellwinkel der PV-Module, die Unterkonstruktion und die Windrichtung.

2-Achsen Tracker bieten eine große Angriffsfläche für Wind. Dies kann insbesondere bei hohen Windgeschwindigkeiten zu kritischen Lasten bis hin zu Versagen von PV-Modulen führen. Um die Auswirkung eines realen Sturms auf einen 2-Achsen Tracker zu untersuchen, wurden die Wetterdaten dieses Sturms ausgewertet und dienten der CFD-Simulation als Eingabewerte. Die resultierende Windlast wurde für verschiedene Anstellwinkel des Trackers simuliert.