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Zusammenfassung (Deutsch)

Bei der Optimierung von strömungsmechanischen Prozessen an Ingenieurbauwerken ist ein wesentlicher Ansatzpunkt die Veränderung und Anpassung der Struktur an die vorliegenden Gegebenheiten. Hieraus ergibt sich, dass eine isolierte Betrachtung der physikalischen Prozesse des Strömungsmediums und die der Strukturparameter wenig zielführend ist. Ein ganzheitlicher Ansatz ist daher notwendig, wie er in dieser Arbeit anhand eines Aufwindkraftwerks aufgezeigt wird. Das Aufwindkraftwerk ähnelt von seiner Form her Kühltürmen, wie sie im konventionellen Kraftwerksbetrieb zum Zweck der Abkühlung des Prozesswassers genutzt werden. Hiervon abgeleitet ergibt sich die äußere Form eines schlanken, gleichzeitig aber sehr hohen Bauwerks mit hyperbolischem Höhenprofil im unteren Bereich und einer variablen Gestaltung in der oberen Hälfte. Als Teil der erneuerbaren Energien besticht das Aufwindkraftwerk dabei durch seine konstruktive Einfachheit und nutzt den thermischen Auftriebseffekt zur Erzeugung schadstofffreier und CO₂ neutraler elektrischer Energie und ist eine ernstzunehmende Alternative zu den Technologien wie Photovoltaik oder CSPP, aber auch zu weiteren Technologien wie der Windkraft.

Teil I dieser Arbeit fasst die Grundlagen der an der vorgestellten Aufwindkraftwerk Technologie beteiligten physikalischen Prozesse zusammen. Gleichzeitig erfolgt eine Einführung in die Grundlagen der numerischen Strömungsmechanik (CFD). Die Struktur als maßgeblicher Einflussfaktor auf die Entwicklung der Strömung innerhalb des Aufwindkraftwerks wird anhand einer detaillierten Erläuterung der drei wesentlichen Bauteile Kollektordach, Aufwindturm und Turbinen vollzogen und an späterer Stelle in dieser Arbeit im Zuge einer statischen Optimierung noch ausführlicher besprochen.

In Teil II folgt die Entwicklung eines mathematischen Modells des Aufwindkraftwerks anhand dessen der Einfluss der Bodenspeicherfähigkeit auf den Tagesgang der Energieerzeugung untersucht wird. Das 1D Modell beruht dabei auf vereinfachten Annahmen der strömungsmechanischen Vorgänge, woraus sich die Notwendigkeit eines räumlichen Modells ergab. Erste Windkanalversuche an der University of Stellenbosch in Südafrika an einem Maßstabsmodell des Aufwindkraftwerks lieferten mit Hilfe der PIV Messtechnik wichtige Grundlagen zum Verständnis der Strömungssituation innerhalb des untersuchten Objekts. An diesem Modell wurde der Einfluss eines Geschwindigkeitsverhältnisses vwind / vt untersucht. Die Variable vwind stellt dabei die äußere Strömung erzeugt durch Wind, vₜ vereinfacht den thermischen Auftrieb dar. Dabei zeigte sich die große Abhängigkeit der Strömungssituation von diesem Geschwindigkeitsverhältnis, vornehmlich innerhalb des Umlenkungsbereichs zwischen Kollektordach und Aufwindturm im Bereich der Turbinen. Auf Grund der bis dato in vielen Veröffentlichungen getroffenen Annahme der Symmetrie der Strömung wurde ein numerisches Modell des bisher einzigen Prototypen von Manzanares aufbereitet, um die Möglichkeit des Vergleichs zwischen numerischen Ergebnissen und realen Messdaten zu nutzen. Gleichzeitig erfolgte eine Untersuchung des Einflusses einer Umlenkvariante innerhalb des Turmfußes, mit der eine Verbesserung der Strömungsführung erwartet wurde. Die Ergebnisse belegen den überaus positiven Effekt auf den Strömungsverlauf, weshalb ein FE Modell aufgebaut wurde, dass sowohl strukturmechanische, aber auch strömungsmechanische Designaspekte berücksichtigt. Das entwickelte Modell wird im weiteren Verlauf dieser Arbeit genutzt, um anhand eines statisch und strömungsmechanisch sinnvollen Modells die Frage nach dem Einfluss eines Diffusors im oberen Turmbereich zu klären und zudem eine Detailstudie verschiedener Einbau- und Umlenkvarianten im Turmfuß und deren Einfluss auf die Strömung durchzuführen.

Teil III stellt die experimentelle und numerische Untersuchung an dem vorab numerisch entwickelten und vor dem Gedanken der Optimierung entworfenen Turmmodell vor. Der Einfluss eines Turmdiffusors auf die Strömung, der Einbau verschiedener Umlenkvarianten und ein erzeugter Versperrungseffekt am Einlass des Kollektordachs werden mit Hilfe von Druckmessungen und der CTA Messtechnik aufgezeichnet. Der ganzheitliche Ansatz hat sich in den vorliegenden Untersuchungen als zielführend erwiesen. Eine deutliche Verbesserung der Strömungsführung und damit einhergehend eine Effizienzsteigerung des gesamten Aufwindkraftwerks kann mit Hilfe der Einbauten erreicht werden. Ergebnisse zum Einfluss aus Wind und Kollektorversperrung belegen ebenfalls, dass die bisherige Annahme der Symmetrie überholt ist und verworfen werden muss, mit dem Ziel einer realistischeren Einschätzung der Strömungssituation innerhalb des Aufwindkraftwerks. Die vorliegende Untersuchung hilft dabei, die hier gewonnenen Erkenntnisse bei zukünftigen Projekten rund um das Thema Aufwindkraftwerk umzusetzen und die Technologie damit konkurrenzfähig zu bisherigen erneuerbaren Energien zu machen.

Zusammenfassung (Englisch)

The process of optimization for engineering structures under fluid loads requires an adaptation of the structure itself. An isolated treatment of the physical processes involved is therefore not productive. A holistic approach is required which will be explained in the course of this work for a Solar Chimney Power Plant (SCPP). The outer shape of the Solar Chimney (SCH) looks like a Cooling Tower (CT), which is utilized in conventional power plants to emit superfluous heat from the process of energy production. Deduced from CTs, the SCH exhibits a high and slender structure with a hyperbolic shape in its lower part and variable in the upper part. The SCPP belongs to the renewable energies and impresses with its structural simplicity. Utilizing the buoyancy effect, green energy with no emission of CO₂ can be produced in form of electrical energy. This power plant is a good alternative to other technology like photovoltaic or Concentrated Solar Power Plant (CSPP) or even wind power.

Part I of this work summarizes the basics of the physical processes involved in the SCPP technology. Additionally, an introduction in the numerical analysis of fluid mechanic problems (Computational Fluid Dynamics (CFD)) is given. The three structural components, namely the Solar Collector (SC), the SCH and the turbines, as the major impact factor on the development of the flow field within the SCPP will be explained in detail at a later stage of this work for the process of a structural optimization.

In part II a mathematical 1D model is developed to investigate the influence of the heat storage effect of soil underneath the SC on the diurnal cycle of energy production. Due to simplifications in structure and fluid flow a spatial model had to be set up to rule out modelling errors. A first wind tunnel study at the University of Stellenbosch in South Africa on a scaled model of the SCPP provided essential results for further investigations. By the help of Particle Image Velocimetry (PIV) measurements of the flow situation inside the SCPP has been illustrated for different vwind / vₜ ratios, expressing the ambient wind vwind and the internal flow stream vₜ, representing the buoyancy effect in a simplifed manner. It has been shown that there is a strong influence of this velocity ratio on the flow field, especially inside the transition section. Due to the hitherto assumption of symmetry for the flow field a numerical model of the only prototype plant from Manzanares has been set up to compare real data with results obtained from numerical analysis. The same model has been used to show the influence of a redirecting variant inside the chimney base on the flow stream as it had been implemented in the Manzanares plant. Results underline the improving character due to the guidance effect of the installation why a Finite Element (FE) model has been built which includes both structural and fluid mechanic design aspects. Based on this model the influence of a diffuser chimney and the implementation of different variants of guidance inside the transition section will be clarified within the following course of this work.

Part III shows the investigation on the designed chimney model and for different influence factors gathered with pressure and Constant Temperature Anemometry (CTA) measurements at the wind tunnel in Bochum. The intended holistic approach has proven its applicability. A distinct improvement of the flow situation has been achieved with the implementation of redirecting variants and a diffuser for the upper part of the SCH which will lead to an increase in efficiency of the whole SCPP. Results show that the former assumption of symmetric inflow conditions shall be discarded with the aim of a more representative estimation of the real flow situation. The implementation of the new findings in future projects will help the SCPP technology to be competitive with other renewable technologies.

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