Adaptive Präzisionsstrukturen von Heliostaten aus Hochleistungsbeton für punktfokussierende Solarkraftwerke

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Mark; Professor Dr.-Ing. Jürgen Schnell
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389020360

Im SPP 1542 wird von den Antragstellern das Projekt "Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke" bearbeitet. Die bisher erbrachten Entwicklungen zeigen, wie aussichtsreich die Verwendung von Hochleistungsbeton für hochpräzise und formstabile Bauteile ist.Im Projekt wurden dazu spezifische Beanspruchungen abgeleitet bzw. experimentell im Windkanal ermittelt und ein integrales Genauigkeitskriterium für Solarkollektoren hergeleitet. Außerdem wurden modulare FE-Modelle aufgebaut, effektive Steifigkeitskennwerte für komplexe Strukturen, u.a. mit Hohlkörpern, in Abstimmung mit korrespondierenden experimentellen Untersuchungen entwickelt sowie eine Multilevel-Optimierung mit vorgeschalteter varianzbasierter Sensitivitätsanalyse hergeleitet. Eine Betontechnologie mit dem Anspruch hoher Formbeständigkeit und Zugfestigkeit wurde identifiziert und ein Demonstrator (3,2 x 2,2 m Apertur) errichtet. Die gewonnenen Erkenntnisse und die Nachfrage aus der Solartechnik ermutigen zur Übertragung auf verwandte Anwendungsgebiete, nämlich Heliostate, unter der Leitidee einer weitgehend industrialisierten Präzisionsfertigung. Ziel ist es, Genauigkeiten und prozessorientierte Fertigungstiefe deutlich zu steigern und Adaptivität in den Formen einzuführen. Konventionelle Bewehrungsmengen sollen durch Vorspannung auf nahe Null reduziert werden. Es entsteht so eine kostengünstige Herstellungsweise mit großem Anwendungspotential.Heliostate sind biaxial der Sonne nachgeführte Kollektoren, die die Solarstrahlung punktuell auf einen Receiver im Solarturm bündeln. Im Vergleich zu Parabolrinnen bedeutet dies eine bis zu 10fach erhöhte Genauigkeit der Spiegelfläche. Dabei besitzen Heliostate in Abhängigkeit des Abstands zum Receiver eine sich aufweitende Geometrie der paraboloiden Oberflächen, sodass ein adaptiver Herstellprozess gefordert wird. Angestrebt werden kreisförmige Schalen mit Versteifungen, zusammengesetzt aus gleichen Teilsegmenten. Dazu gilt es die theoretischen wie fertigungstechnischen Voraussetzungen zu schaffen, um letztendlich mit den Industriepartnern eine voll verspiegelte Schale als Demonstrator im Originalmaßstab umzusetzen und mit Präzisionsvermessung zu prüfen. Wesentlich ist die größenübergreifende, optimierungsgestützte Strukturentwicklung und zwar robust gegenüber Unschärfen aus Geometrie wie Material in Bezug auf Genauigkeit und Tragfähigkeit. Geometrische Variationen sind aus wenigen Steuerparametern zu identifizieren und in eine adaptierbare, gleichzeitig kostengünstige Präzisionsschalung umzusetzen mit Nachbearbeitbarkeit an den Innenflächen. Der Demonstrator ist mit Ringvorspannung, Verspiegelung, Anschluss zur Unterkonstruktion und Konstruktion zur Vermessung zu erstellen. Erwartet werden effektive Schalendicken (gemittelt aus Schale und Steifen) um 2-3 cm und Oberflächenpräzisionen bis in den Submillimeterbereich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Almeco GmbH; Innogration GmbH; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR); Institut für Solarforschung; durcrete GmbH
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Christian Glock