Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Institut für Solartechnik SPF ist das schweizerische Kompetenzzentrum für Nieder-temperatursolarthermie mit weltweiter Anerkennung. Ziel dieses Projektes ist es, die Kompetenzen des SPF auf den Bereich der konzentrierenden Kollektoren und der solar-thermischen Prozesswärmenutzung sowie anderer Anwendungen zu übertragen bzw. zu erweitern, um insbesondere auf dem Gebiet der „Concentrating Solar Thermal Energy“ (CST) international eine zentrale Rolle einzunehmen. Zur Erreichung dieses Zieles sollen in unterschiedlichen CST Bereichen spezifische Aktivitäten durchgeführt werden, welche gezielt auf dem am SPF vorhandenen Know-how auf dem Gebiet der Niedertemperatur-solarthermie aufbauen: – Ausbau der Spektroskopie zur optischen Charakterisierung von Absorberrohren, Hüllrohren und Spiegeln sowie Alterungsuntersuchungen an Solarabsorberschichten für den Einsatz in Prozesswärmekollektoren im Bereich „Komponenten“, – Leistungsmessungen an Prozesswärmekollektoren (insbes. konzentrierenden) im Bereich „Kollektoren“, sowie – Messtechnische Erfassung und Analyse von solarthermischen Prozesswärmesystemen im Betrieb im Bereich „Systeme“.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The Institute for Solar Technology SPF is the Swiss competence centre for low-temperature solar thermal energy with worldwide recognition. The aim of this project is to transfer or expand the competences of the SPF to the field of concentrating collectors and solar thermal process heat utilisation as well as other applications, in order to assume a central role internationally, particularly in the field of "Concentrating Solar Thermal Energy" (CST). To achieve this goal, specific activities are to be carried out in various CST areas, which build specifically on the know-how available at the SPF in the field of low-temperature solar thermal energy: - Expansion of spectroscopy for the optical characterisation of absorber tubes, cladding tubes and mirrors as well as ageing tests on solar absorber layers for use in process heat collectors in the "Components" area, - Performance measurements on process heat collectors (especially concentrating ones) in the "Collectors" area. concentrating) in the "Collectors" area, as well as - Metrological recording and analysis of solar thermal process heat systems in operation in the "Systems" area.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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L'Institut für Solartechnik SPF est le centre de compétence suisse pour le solaire thermique à basse température, reconnu dans le monde entier. L'objectif de ce projet est de transférer ou d'étendre les compétences du SPF au domaine des capteurs à concentration et de l'utilisation de la chaleur solaire de processus ainsi qu'à d'autres applications, afin de jouer un rôle central au niveau international, notamment dans le domaine de la "Concentrating Solar Thermal Energy" (CST). Pour atteindre cet objectif, des activités spécifiques doivent être menées dans différents domaines de la CST, en s'appuyant de manière ciblée sur le savoir-faire existant au SPF dans le domaine de l'énergie solaire thermique à basse température : - développement de la spectroscopie pour la caractérisation optique des tubes absorbeurs, des gaines et des miroirs, ainsi que des études de vieillissement sur les couches d'absorption solaire utilisées dans les collecteurs de chaleur industrielle dans le domaine "Composants", - mesures de performance sur les collecteurs de chaleur industrielle (en particulier les collecteurs concentrés) dans le domaine "Composants". Mesure et analyse de systèmes de chaleur industrielle solaires thermiques en fonctionnement dans le domaine "Systèmes".
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Ziel des „Concentrating Solar Thermal Energy“ (CST) Projektes, war es die Kompetenzen des SPF auf den Bereichen der konzentrierenden Kollektoren und der solarthermischen Prozesswärmenutzung sowie anderer Anwendung zu erweitern. Dafür wurden in den folgenden unterschiedlichen CST Bereichen spezifische Aktivitäten durchgeführt.
Komponenten
Die am SPF vorhandene Infrastruktur zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von solaren Absorberschichten wurde erfolgreich erweitert. Damit können nun spektrale Reflexionsmessungen mit hoher Genauigkeit nicht mehr nur an flachen Absorbern, sondern auch an Absorberrohren, ab einem Durchmesser von 26 mm, durchgeführt werden. Vergleichsmessungen an flachem und zu Rohren gebogenen Absorbern haben eine sehr gute Übereinstimmung gezeigt. Während eines Zeitraums von 18 Monaten durchgeführte repetitive Messungen an einem Rohr (d = 36 mm) haben eine gute Wiederholbarkeit bestätigt, aber auch verdeutlicht, dass bei der Platzierung der Probe sorgfältig gearbeitet werden muss. Im Rahmen der an zweierlei Absorberschichten durchgeführten beschleunigten Alterungs-untersuchungen wurden Absorberrohre mit insgesamt ca. 14‘000 Stunden auf unterschiedlichen Temperaturniveaus belastet. Die durch die Belastung hervorgerufenen Änderungen der optischen Eigenschaften waren in einem Fall zu klein um überhaupt von einer Degradation sprechen zu können. Im anderen Fall immer noch zu klein um eine Systematik erkennen zu lassen, welche für die Bestimmung der Aktivierungsenergie dienen könnte. Daher war es in beiden Fällen nicht möglich, eine Lebensdauerabschätzung vornehmen zu können.
Kollektoren
Während der Projektphase wurden 2 Teststände für die thermische Vermessung von Kollektoren gebaut. Mit dem HoTT200, welcher mit Heisswasser betrieben, können Kollektorwirkungsgradkennlinien bis 200°C ermittelt werden. Mit dem zweiten Teststand HoTT300, dieser wird mit Thermoöl betrieben, können nur thermische Belastungen bis 300°C durchgeführt werden. Der Kollektor wird dabei mit Thermoöl durchströmt und auf 300°C aufgeheizt und anschliessend wieder abgekühlt. Beide Teststände wurden im Verlauf des Projekts eingesetzt und haben sich soweit bewährt. Ein kommerziell erhältlicher Parabolrinnenkollektor konnte mittels des HoTT200 erfolgreich thermisch vermessen werden. Für die Auswertung der Messungen und deren Verifizierung wurden Werkzeuge in Form von Modellen entwickelt. Mittels eines optischen Modells können longitudinale und transversale IAM – Kurven vorab simuliert oder gemessene Kurven verifiziert werden. Ein thermisches Modell erlaubt uns verschiedene thermische Verbesserungsmöglichkeiten, den Receiver betreffend, anzuschauen. Eine solche Optimierung war die Verwendung einer besseren selektiven Schicht für den Absorber des vermessenen Parabolrinnenkollektor. Die verbesserte Version wurde ebenfalls mit dem HoTT200 vermessen. Aufgrund von Qualitätsmängel bezüglich der neuen Absorberrohre konnte keine wesentliche thermische Leistungssteigerung gemessen werden. Mit dem HoTT300 wurden gegen Ende der Projektlaufzeit zwei Vakuumröhrenkollektoren bezüglich ihres Druckabfalls und thermischer Belastbarkeit mit einem Thermoöl untersucht. Wegen eines Zwischenfalls, bei dem Thermoöl austrat und dem Fehlen eines geeigneten Laborraums, werden Messungen mit dem HoTT300 in nächster der Zeit nicht möglich sein. Mit dem HoTT200 werden wir in Zukunft konzentrierende Kollektoren aber auch kleinere Hochleistungsflach- oder Vakuumröhrenkollektoren vermessen können.
Systeme
Im Rahmen dieses Projektes wurden umfangreiche Untersuchungen anhand der Messdaten von der Anlage in Bever und von der Anlage in Saignelégier vorgenommen. Für die Auswertung der Anlagen wurde ein Auswertungskonzept entwickelt, welches uns ermöglicht die Messdaten auf schnelle und übersichtliche Art zu analysieren. Des Weiteren wurde eine Darstellungsform der Messdaten gewählt, die es erlaubt unterdurchschnittliche Tageserträge direkt zu identifizieren und ihre Ursachen festzustellen. Die Darstellung bietet ein einheitliches Konzept um auch anlagenübergreifende Vergleiche machen zu können. Es wurde ein weiteres Auswertungskonzept erarbeitet um Zeitverläufe von Grössen (z.B. Eintritts- und Austrittstemperatur, Durchfluss im Kollektorkreis, Druck, Einstrahlung) eines beliebigen Tages darzustellen und zu analysieren. Zusätzlich zu der Auswertung der Messdaten wurden dynamischen Simulationen des Kollektorfeldes mit Polysun durchgeführt. Dabei haben die ersten Ergebnisse ergeben, dass Polysun ein geeignetes Tool ist um weitere Fragestellungen zu diesem Thema zu bearbeiten. Aus dem Vergleich zwischen Kollektorfeld und einem getesteten Kollektors wurde deutlich, dass unter den untersuchten Betriebsbedingungen ähnliche Wirkungsgrade erreicht wurden.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The aim of the Concentrating Solar Thermal Energy (CST) project was to expand the competences of the SPF in the areas of concentrating collectors and solar thermal process heat utilisation as well as other applications. To this end, specific activities were carried out in the following different CST areas.
Components
The infrastructure available at SPF for determining the optical properties of solar absorber layers was successfully expanded. This means that spectral reflectance measurements can now be carried out with high accuracy not only on flat absorbers, but also on absorber tubes, from a diameter of 26 mm. Comparative measurements on flat absorbers and absorbers bent into tubes have shown very good agreement. Repetitive measurements carried out on a tube (d = 36 mm) over a period of 18 months confirmed good repeatability, but also made it clear that care must be taken when placing the sample. Within the framework of the accelerated ageing investigations carried out on two different absorber layers, absorber pipes were loaded at different temperature levels for a total of approx. 14,000 hours. The changes in the optical properties caused by the load were in one case too small to be able to speak of degradation at all. In the other case, they were still too small to reveal a system that could be used to determine the activation energy. Therefore, in both cases it was not possible to make a lifetime estimate.
Collectors
During the project phase, 2 test stands were built for the thermal measurement of collectors. With the HoTT200, which is operated with hot water, collector efficiency curves up to 200°C can be determined. With the second test stand HoTT300, which is operated with thermal oil, only thermal loads up to 300°C can be carried out. Thermal oil flows through the collector, which is heated up to 300°C and then cooled down again. Both test stands were used in the course of the project and have proven themselves so far. A commercially available parabolic trough collector was successfully thermally measured using the HoTT200. Tools in the form of models were developed for the evaluation of the measurements and their verification. Using an optical model, longitudinal and transverse IAM curves can be simulated in advance or measured curves can be verified. A thermal model allows us to look at different thermal improvement possibilities concerning the receiver. One such optimisation was the use of a better selective layer for the absorber of the measured parabolic trough collector. The improved version was also measured with the HoTT200. Due to quality deficiencies regarding the new absorber tubes, no significant thermal performance increase could be measured. With the HoTT300, two evacuated tube collectors were examined towards the end of the project term with regard to their pressure drop and thermal load capacity with a thermal oil. Due to an incident in which thermal oil leaked and the lack of a suitable laboratory space, measurements with the HoTT300 will not be possible in the near future. In the future, we will be able to measure concentrating collectors as well as smaller high-performance flat-plate or vacuum tube collectors with the HoTT200.
Systems
Within the framework of this project, extensive investigations were carried out using the measurement data from the system in Bever and the system in Saignelégier. For the evaluation of the systems, an evaluation concept was developed that allows us to analyse the measurement data in a quick and clear manner. Furthermore, a form of presentation of the measurement data was chosen that allows us to directly identify below-average daily yields and determine their causes. The presentation offers a uniform concept so that comparisons can also be made across plants. A further evaluation concept was developed to display and analyse time curves of variables (e.g. inlet and outlet temperature, flow rate in the collector circuit, pressure, irradiation) of any given day. In addition to the evaluation of the measured data, dynamic simulations of the collector field were carried out with Polysun. The first results showed that Polysun is a suitable tool to work on further questions on this topic. From the comparison between the collector field and a tested collector, it became clear that similar efficiencies were achieved under the operating conditions investigated.
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Schlussbericht
(Französisch)
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L'objectif du projet "Concentrating Solar Thermal Energy" (CST) était d'élargir les compétences du SPF dans les domaines des capteurs à concentration et de l'utilisation de la chaleur solaire industrielle ainsi que d'autres applications. Pour ce faire, des activités spécifiques ont été menées dans les différents domaines CST suivants.
Composants
L'infrastructure disponible au SPF pour déterminer les propriétés optiques des couches d'absorption solaire a été étendue avec succès. Il est désormais possible d'effectuer des mesures de réflexion spectrale de haute précision non seulement sur des absorbeurs plats, mais aussi sur des tubes absorbants, à partir d'un diamètre de 26 mm. Des mesures comparatives sur des absorbeurs plats et des absorbeurs courbés en tubes ont montré une très bonne concordance. Des mesures répétitives effectuées sur un tube (d = 36 mm) pendant une période de 18 mois ont confirmé une bonne répétabilité, mais ont également mis en évidence la nécessité de travailler soigneusement lors du placement de l'échantillon. Dans le cadre des études de vieillissement accéléré réalisées sur deux types de couches absorbantes, les tubes absorbants ont été soumis à des températures différentes pendant environ 14 000 heures au total. Dans un cas, les modifications des propriétés optiques provoquées par la charge étaient trop faibles pour pouvoir parler de dégradation. Dans l'autre cas, elles étaient encore trop faibles pour permettre d'identifier une systématique qui pourrait servir à déterminer l'énergie d'activation. Dans les deux cas, il n'a donc pas été possible de procéder à une estimation de la durée de vie.
Collecteurs
Pendant la phase de projet, deux bancs d'essai ont été construits pour la mesure thermique des capteurs. Le HoTT200, qui fonctionne avec de l'eau chaude, permet de déterminer des courbes d'efficacité des capteurs jusqu'à 200°C. Le deuxième banc d'essai HoTT300, qui fonctionne à l'huile thermique, permet d'effectuer des charges thermiques jusqu'à 300°C uniquement. Le capteur est traversé par de l'huile thermique et chauffé à 300°C, puis refroidi. Les deux bancs d'essai ont été utilisés au cours du projet et ont fait leurs preuves. Un collecteur parabolique disponible dans le commerce a pu être mesuré thermiquement avec succès à l'aide du HoTT200. Des outils sous forme de modèles ont été développés pour l'évaluation des mesures et leur vérification. Un modèle optique permet de simuler au préalable les courbes IAM longitudinales et transversales ou de vérifier les courbes mesurées. Un modèle thermique nous permet d'envisager différentes possibilités d'amélioration thermique du récepteur. L'une de ces optimisations a été l'utilisation d'une meilleure couche sélective pour l'absorbeur du collecteur parabolique mesuré. La version améliorée a également été mesurée avec le HoTT200. En raison de défauts de qualité concernant les nouveaux tubes absorbants, aucune augmentation significative de la performance thermique n'a pu être mesurée. Vers la fin du projet, deux capteurs à tubes sous vide ont été examinés à l'aide du HoTT300 en ce qui concerne leur chute de pression et leur capacité de charge thermique avec une huile thermique. En raison d'un incident de fuite d'huile thermique et de l'absence d'un laboratoire approprié, les mesures avec le HoTT300 ne seront pas possibles dans un avenir proche. Avec le HoTT200, nous pourrons à l'avenir mesurer des capteurs à concentration, mais aussi des capteurs plats ou à tubes sous vide plus petits et à haut rendement.
Systèmes
Dans le cadre de ce projet, des études approfondies ont été menées à partir des données de mesure de l'installation de Bever et de l'installation de Saignelégier. Pour l'évaluation des installations, un concept d'évaluation a été développé, qui nous permet d'analyser les données de mesure de manière rapide et claire. En outre, nous avons choisi une forme de représentation des données de mesure qui permet d'identifier directement les rendements journaliers inférieurs à la moyenne et d'en déterminer les causes. La représentation offre un concept uniforme permettant de faire des comparaisons entre les installations. Un autre concept d'évaluation a été élaboré pour représenter et analyser l'évolution dans le temps des grandeurs (par ex. température d'entrée et de sortie, débit dans le circuit des capteurs, pression, rayonnement) d'un jour quelconque. En plus de l'évaluation des données de mesure, des simulations dynamiques du champ de capteurs ont été réalisées avec Polysun. Les premiers résultats ont montré que Polysun est un outil approprié pour traiter d'autres questions sur ce thème. La comparaison entre le champ de capteurs et un capteur testé a clairement montré que des rendements similaires ont été atteints dans les conditions de fonctionnement étudiées.
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