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Pinpoint accurate adaptive structures for heliostats made from high performance concrete for central tower power plants

Subject Area Structural Engineering, Building Informatics and Construction Operation
Term from 2017 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 389020360
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Im Erkenntnistransferprojekt wurden Tragkonstruktionen von punktfokussierenden Solarkollektoren, sogenannten Heliostaten, aus Hochleistungsbeton entwickelt. Diese wurden als modulartige Strebentragwerke konzeptioniert. Dadurch können die Vorteile einer seriellen Fertigung genutzt werden, und zwar eine Vorfertigung mit hoher geometrischer Präzision und kumulierte Materialeinsparungen durch einen materialminimierten Entwurf. Zur Veranschaulichung wurde ein realmaßstäblicher Prototyp umgesetzt. Die Arbeiten erfolgten interaktiv mittels analytischem sowie numerischem Entwurf und der experimentellen Umsetzung in enger Kooperation zwischen den Universitäten und ihren Projektpartnern. Für den Entwurf wurden die wesentlichen geometrischen und herstellungsbedingten Randbedingungen sowie spezifische Beanspruchungen für Betonheliostate bestimmt und darauf basierend ein Wirksamkeitskriterium hergeleitet. Der numerische Strukturentwurf erfolgte mehrstufig: Mittels analytischen Symmetriereduktionsmethoden - indem der Heliostat als kreisförmige Platte idealisiert wurde – wurden rotationssymmetrische Module als „Tortenstücke“ hergleitet. Diese genügen den Genauigkeitsanforderungen von Heliostaten und wurden anschließend in steifigkeitsäquivalente Radialstreben überführt. Ergänzende Sekundärstreben resultieren aus der Topologieoptimierung, welche für unterschiedliche Strukturgrößen und aus der externen Vorspannung als maßgebender Lastfall entwickelt wurden. Die Methodik wurde genutzt, um den Strukturentwurf eines Großdemonstrators herzuleiten und zu dimensionieren. Dieser besteht aus 4 Modulen mit einer Spiegelfläche von ca. 8 m². Die Betonstruktur hat ein Gewicht von ca. 344 kg, was einer effektiven verschmierten Dicke von nur 1,8 cm entspricht. Die experimentellen Untersuchungen umfassten die Analyse von Adaptivität und die Herstellung serieller Betonmodule. Für eine erhöhte Präzision der Oberfläche wurden zudem Untersuchungen zur Genauigkeitssteigerung von Nanodurbetonoberflächen mittels Fräsen durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die mechanische Abrasion keinen nachweislichen Einfluss auf die Betonfestigkeiten besitzt, und zwar unabhängig von der Art der untersuchten Gesteinskörnungen. Zur Herstellung eines realmaßstäblichen Heliostaten wurde eine ebenfalls modulare Schalung entwickelt, die ein einfaches Entschalen der geometrisch komplexen Strebenstruktur einzelner Module ermöglicht. Die Schalung besteht aus Polystyrol, welches mit Epoxidharz beschichtet ist, um den Haftverbund zwischen Beton und Schalung zu minimieren. Der Prototyp wurde auf einem bereits bestehende Pylon im Solarfeld Jülich der DLR errichtet. Hierfür musste eine zentrale Lagerung entwickelt werden, an die die einzelnen Betonmodule angeschlossen wurden, um einen möglichst direkten Lastabtrag zu gewährleisten. Eine zusätzlich dimensionierte Aufhängung, die an den bestehenden Pylon angeschlossen wurde, war nötig, um so mittels Linearantrieben eine Nachführung ohne Kollisionen zu ermöglichen. Der voll funktionsfähige Heliostat wurde auf der Testplattform des Solarturms Jülich errichtet und mittels Photogrammetrie in unterschiedlichen Auslenkungen vermessen. Die Wirksamkeitsanalyse zeigt hohe Abweichungen von ca. +/- 10 mm und daraus für eine tatsächliche Anwendung nicht geeignete Steigungsfehler der Spiegelfläche von +/- 15 mrad. Die Formstabilität der Tragstruktur konnte jedoch anhand von geringen Relativverformungen von ca. +/-2 mm, welche zudem nur für lokale Bereiche der Spiegel auftreten, nachgewiesen werden. Es lässt sich schlussfolgern, dass die Betonstruktur per se eine hohe Steifigkeit besitzt. Maßgebende Abweichung resultieren aus dem noch nicht ausgereiften Verspiegelungs- bzw. Befestigungskonzept, welches zukünftig verbessert werden muss. Dennoch konnte eine filigrane, modulare Betonstruktur mit hoher Eigensteifigkeit entwickelt werden, welche sich für eine serielle Produktion eignet.

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