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Alumni-Preis 2020

Moritz Bitterling für seine Masterarbeit: "Messung des räumlich aufgelösten Reflexionsgrades von Strahlungsempfängern in Solarturmkraftwerken"

Alumni-Preis 2020

Moritz Bitterling

Betreuer: Prof. Dr. Stefan Glunz (Fraunhofer ISE)

 

Kurzzusammenfassung der Arbeit (deutsch):

In der Masterarbeit wurde der Reflexionsgrad von stark absorbierenden Strahlungsempfängern untersucht. Die gefundenen Erkenntnisse erlauben ein besseres Verständnis des Strahlungstransports in solarthermischen Kraftwerken, was Optimierungspotentiale in den Kraftwerken sowie Verbesserungen und neue Möglichkeiten in ihrer Betriebsführung eröffnet.

Die Arbeit besteht aus drei Teilen, die aufeinander aufbauen:

  • Die Reflexionseigenschaften einer Absorberschicht wurden im Labor experimentell analysiert
  • Für die theoretische Beschreibung des gemessenen richtungsabhängigen Reflexionsgrades wurden geeignete physikalische Modelle identifiziert und ihre Modellparameter angepasst
  • Es wurde eine neue, kamerabasierte Methode entwickelt und validiert, mit der die Messung statt im Labor an Strahlungsempfängern von Solarturmkraftwerken durchgeführt werden kann


Für die experimentelle Charakterisierung einer exemplarischen Absorberschicht wurden Bleche mit einem allgemein verwendeten Absorberlack beschichtet. Die Messung der Reflexionseigenschaften erfolgte im Labor mit einem 3D-Photogoniometer, mit dem für verschiedene Einfallswinkel die richtungsabhängige Intensität der reflektierten Strahlung gemessen werden kann. Die Messergebnisse sind wertvoll für kamerabasierte Messungen in Kraftwerken, zum Beispiel zur Bestimmung der Verteilung der Strahlungsflussdichte am Absorber.

Zur Modellierung der Messdaten werden das geometrische Cook-Torrance-Modell und das wellenoptische He-Torrance-Modell verwendet. Beide Modelle sind zur Beschreibung der Messdaten geeignet. Das Cook-Torrance-Modell hat eine relativ einfache Struktur, allerdings muss eine empirische Modifikation des Modells durchgeführt werden, um die Abnahme der effektiven Oberflächenrauheit bei flachen Einfallswinkeln zu beschreiben. Das He-Torrance-Modell ist mathematisch aufwändiger, liefert aber mit sechs physikalisch bedeutsamen Parametern eine Beschreibung der Reflexionseigenschaften der Oberfläche. Auch hier wird eine Modifikation des Modells vorgestellt, die zu einer besseren Beschreibung der Absorberschicht führt. Die Kenntnis von physikalischen Modellen für den winkelabhängigen Reflexionsgrad von Absorberschichten erlaubt eine stichhaltige und physikalisch fundierte Interpolation von Messdaten. Dies ermöglicht die Beschleunigung zeitaufwendiger Reflexionsmessungen.

Die neu entwickelte Methode zur Messung des Reflexionsgrades von Strahlungsempfängern beruht auf der Analyse von zwei Bildsequenzen: Sie werden mit einer Kamera aufgenommen, während sich eine Lichtverteilung in zwei unterschiedlichen Richtungen über den Strahlungsempfänger bewegt. Aus den beiden Sequenzen wird anschließend mit einem Optimierungsalgorithmus der räumlich aufgelöste relative Reflexionsgrad des Strahlungsempfängers berechnet. In den durchgeführten Experimenten wurde eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse der neuen Methode mit den Messdaten vom Photogoniometer beobachtet.

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