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May 17, 2023

体積吸収体の革新により、OVR 効率が 90% に達しました

Pubblicato: 15 dicembre 2022 15 dicembre 2022 Ceramica serigrafata d'autore

投稿日:2022 年 12 月 15 日2022 年 12 月 15 日作成者

Exentis Group 製のスクリーン印刷されたセラミック吸収体構造。

ドイツの企業である Kraftanlagen Energies & Services GmbH、Vitesco Emitec、Exentis Group のコンソーシアムがドイツ航空宇宙センターと協力して実施した最近の研究開発プロジェクトでは、容積測定レシーバーの潜在的な効率がアブソーバー構造によって使い果たされるには程遠いことが示されました。現在利用可能。

非常に微細な三次元構造の幾何学形状が、関係企業の製造能力に従って設計されました。 構造設計には、シミュレーションベースの新しい最適化手法が適用され、製造会社の専門家が参加しました。

現在最も導入されている溶融塩レシーバーと同様、オープン容積空気レシーバー (OVR) は、実証済みの効果的かつ拡張可能な貯蔵コンセプトを提供する唯一の高度なレシーバー技術です。

図 1: オープン容積受信機 (OVR) を備えた太陽光発電所の概略図。

さらに、OVR 技術には、溶融塩レシーバーを備えたプラントと比較して、操作の簡素性と堅牢性という点で大きな利点があります。 空気出口温度が 650°C 以上であり、現在利用可能な最高の上部プロセス温度を備えており、最新の高効率 620°C 蒸気プロセスを使用する可能性が開かれています。

OVR 技術は、過去 20 年間にわたって高度に成熟するまで開発され、ドイツ航空宇宙センターが運営する実験用発電所であるドイツ ソーラー タワー ユーリッヒで完全な発電所システムとして実証されています (図 2)。

図 2: 稼働中のソーラータワー・ユーリッヒ実験発電所。

OVR 技術の中核コンポーネントである体積吸収体は多孔質構造で、集中した太陽放射がその体積に深く浸透し、吸収され、大きな内面によって並行するガス流に熱として伝達されます (図 3)。

吸収体として使用される典型的な材料は、耐熱性鋼合金からなる金属線のメッシュ、セラミックから作られた網状発泡構造、または鋼またはセラミックから作られたチャネル状の構造である。

図 3: 容積吸収体の動作原理。

ユーリッヒ太陽塔にも配備されている現在の最先端の吸収体は、セル密度が約 80 cpsi、開気孔率が 50% の炭化ケイ素セラミック製の押出成形ハニカムで構成されています (図 4)。

図 4: セラミックハニカムを備えた最先端の吸収モジュール

ヴィテスコ エミテック高温鋼合金の平面と波形の極薄金属シート (約 50 マイクロメートル) の交互のペアから作られたチャネル構造体を製造しました。 金属シートの長さと向きはさまざまです (図 5)。

図 5: 金属箔チャネル構造を備えた Vitesco Emitec の吸収モジュール。

図 6: セラミックピン前面構造を備えた Exentis グループの吸収モジュール。

エグセンティスグループ革新的な付加製造技術、SiC セラミックを使用したスクリーン印刷を使用してチャネル構造を製造しました。 ハニカムベースの設計は、照射される前面に向かって非常に細いピンで終わるチャネルによって特徴付けられます (図 6)。

2 段階の設計プロセスにより、新しい吸収構造はまず 60mm x 60mm のプローブ サイズで製造およびテストされた後、ソーラー タワー ユーリッヒの受信機と互換性のある 140mm x 140mm のモジュール サイズで製造されました。

両方のサイズのテストは、最先端の吸収体と比較して熱効率を測定するために、DLR の Synlight ® 人工太陽シミュレーターのテストベッドで行われました。 その後、モジュールサイズの新しい吸収体をソーラータワーユーリッヒで集中した太陽放射で数日間動作させ、特に雲による過渡現象のある実際の環境下での安定性を証明しました。

測定結果は、最先端の吸収体と比較して、新しい吸収体構造の熱効率が大幅に優れていることを示しています (図 7)。 650°C の基準温度では、Vitesco Emitec 構造は 91%、Exentis Group 構造は 92% の熱効率を示し、これらは最新技術と比較してそれぞれ +6%+7% ポイントです。

新しい吸収体の照射面の高い開放気孔率により、放射線はその体積の奥まで浸透し、高い内表面積により空気への効果的な熱伝達が保証されます。 Exentis Group のスクリーン印刷された吸収体の前面にあるピンにより、入射放射線の方向に関係なく特に深く浸透することができ、効率がさらに向上します。

図 7: 新しい吸収体構造と最先端の吸収体との熱効率の比較。

研究開発プロジェクトでは、最新の製造技術で作られた高度な吸収構造が 90% 以上の熱効率を達成できることを示し、理論的に予測された OVR 技術の高い可能性を実現しました。 90% を超える効率により、OVR は現在普及している溶融塩レシーバーと同等の性能を発揮します。

吸収装置のコアコンポーネントの効率向上は、プラント全体の収益性に直接影響します。 効率が 8% 高いということは、太陽光発電分野で必要なヘリオスタットが約 8% 少なくなるということを意味します。 想定コスト 100 ユーロ/平方メートルで 600,000 平方メートルのヘリオスタット フィールドでは、この効率向上により 450 万ユーロ以上の投資節約がもたらされます。

スクリーン印刷された吸収体構造の結果は、この積層造形技術の大きな可能性を示しており、より高い適用温度でも高い効率が期待できるものです。 それにもかかわらず、この吸収材の開発は、過酷な環境での長期的な産業上の使用という点ではまだ初期段階にあります。一方、金属箔吸収材は、自動車分野での数十年の開発に依存しており、実質的に大量生産と即時使用の準備が整っています。必要な耐用年数。

了承この研究は、ドイツ連邦議会の決定に基づいて、連邦経済・気候変動省によって支援されました。

参考文献

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