Bachelor- oder Masterand/in (w/m/d) - Abschlussarbeit: Experimentelle Validierung einer modellprädiktiven Regelung am Solarturm Jülich

Der Lehrstuhl für solare Komponenten trägt mit seinem Engagement dazu bei, eine klimaneutrale und umweltfreundliche Energieversorgung auf der Basis von Sonnenenergie zu ermöglichen.

Am Institut entwickeln Wissenschaftler/innen solarthermische Turmkraftwerke. In solchen Kraftwerken wird das Sonnenlicht von einer Vielzahl von zweiachsig nachgeführten Spiegeln (sog. Heliostaten) auf einen Strahlungsempfänger konzentriert. Der Strahlungsempfänger, auch Receiver genannt, ist auf einem Turm angebracht. Der Receiver absorbiert die konzentrierte Solarleistung und gibt diese wiederum an ein Wärmeübertragungsmedium ab. Die im Medium gespeicherte Wärme kann dann einem konventionellen Dampfkreislauf zur Stromerzeugung zur Verfügung gestellt werden. Ein solches Solarturmkraftwerk steht zum Beispiel zu Forschungszwecken in Jülich. Hier besteht der Receiver aus einer porösen Keramikstruktur, durch die Umgebungsluft angesaugt und erhitzt wird. Die Luft gibt anschließend seine Wärme an den Dampfkreislauf oder einen Wärmespeicher ab.

Um den Ausbau von Solarturmkraftwerken wirtschaftlich attraktiver zu machen, ist eine Steigerung des Wirkungsgrads von großer Bedeutung. Hierbei muss jedoch insbesondere ein sicherer Betrieb gewährleistet sein. Eine besonders schwierig zu beherrschende Störgröße sind Wolkendurchzüge, die einen Teil des Heliostatenfeldes verschatten. Während der Wolkendurchzüge sinkt die eingestrahlte Leistung auf dem Receiver und die Ausgangstemperatur des Wärmeübertragungsmediums verringert sich. Eine Verringerung der Austrittstemperatur ist jedoch zu vermeiden, da dies die Effizienz des Kraftwerks herabsenkt und die Lebensdauer reduziert. Das Abfallen der Temperatur kann jedoch durch zwei Stellgrößen beeinflusst werden. Zum einen durch den Massenstrom des Wärmeübertragungsmediums und zum anderen durch das Erhöhen der eingestrahlten Leistung. Die eingestrahlte Leistung kann dabei durch Verschieben der Zielpunkte der Heliostaten geändert werden. In der Literatur werden die Regelung des Massenstroms und der Zielpunkte meist getrennt behandelt. Dies ermöglicht jedoch keine optimale Regelung der Ausgangstemperatur unter Einhaltung der Temperaturgrenzen. Deshalb wurde im Rahmen bisheriger Arbeiten eine modellprädiktive Regelung ausgelegt, die beide Stellgrößen regelt.

Deine Aufgabe ist es, die neue modellprädiktive Regelung am Forschungskraftwerk in Jülich experimentell zu validieren. Im Zuge dessen wirst Du Vorschläge zur Verbesserung des Regelungsalgorithmus erarbeiten, um die Performance zu erhöhen.

Im Verlauf Deiner Arbeit wirst Du Dich in die Themengebiete der modellprädiktiven Regelung, der Zielpunktregelung und der Thermodynamik keramischer Receiver einarbeiten. Darauf aufbauend wirst Du das verwendete Modell und den Optimierer analysieren und gegebenenfalls anpassen, um die Berechnungszeit zu verringern. Anschließend wirst Du die Experimente am Solarturm in Jülich vorbereiten, durchführen und auswerten. Während der Bearbeitung befindest Du Dich im regelmäßigen Austausch mit deinem Betreuer, der Dich bei fachlichen Entscheidungen und Fragen unterstützt.