Entwurf einer vielzelligen, dünnwandigen Hohlkörperstruktur aus

Entwurf einer vielzelligen, dünnwandigen Hohlkörperstruktur aus hochfestem
Beton für großformatige Parabolrinnenkollektoren
Christoph Kämper
Der Trend im Bereich von linienfokusierenden Systemen für solarthermische Kraftwerke führt zu Kollektor-Modulen mit größerer Spiegelfläche und folglich größeren
Aperturen. Derzeitige Kollektoren wie z.B. der „SkyTrough“ und der „Ultimate Trough“
mit Aperturweiten von 6 m und 7,5 m folgen dieser Tendenz (Bild 1). Durch eine optimierte Stahlfachwerkkonstruktion sowie Weiterentwicklungen der Spiegel wurde mit
dem „SpaceTube“ bereits ein Prototyp mit einer Aperturweite von 8 m realisiert.
Generell können bei einer Vergrößerung der Spiegelfläche die Herstellungs- und
Installationskosten für das Solarfeld eines Solarkraftwerks gesenkt werden, wobei
zusätzlich höhere Betriebstemperaturen aufgrund des größeren Konzentrationsgrads
C = w/d (w = Aperturweite, d = Absorberrohrdurchmesser) erreicht werden können.
Bild 1: Kollektor-Modul „SkyTrough“ (SkyFuel, 2011) sowie „Ultimate Trough“ (Schlaich, Bergermann und Partner, 2014)
Bereits der in der ersten Förderperiode des DFG geförderten Schwerpunktprogramms
SPP 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ entwickelte kleinformatige Demonstrator zeigte,
dass eine alternative Tragstruktur zum herkömmlichen, räumlichen Stahlfachwerk
als einfach gekrümmte, parabelförmige Schale aus hochfestem Feinkornbeton realisierbar ist. Die in dem Zuge entwickelten Entwurfsgrundlagen werden nun vereinfachend auf großformatige Kollektor-Module übertragen. Dabei wird die hohe geforderte Struktursteifigkeit in Querrichtung zur Einhaltung der hohen Genauigkeitsanforderungen für eine ausreichende optische Wirksamkeit η durch einen steifigkeitsorientierten Verlauf der äußeren Querschnittskontur und somit durch eine ortsveränderliche
statische Konstruktionshöhe erreicht. Für große Aperturweiten ist es demnach
zweckmäßig, den bisher homogenen Querschnitt in eine Hohlstruktur aufzulösen, um
einerseits Material einzusparen, aber simultan die notwendige Struktursteifigkeit zu
gewährleisten. Dünne Wandstärken von wenigen Zentimetern können dabei realisiert
werden. Als weitere Randbedingungen gelten ferner die Einhaltung der Zugfestigkeit
des Betons sowie herstellungsbedingte Restriktionen. Unter Verwendung von Formund Topologie-Optimierungsalgorithmen entsteht somit ein ganzheitlich optimierter
Hohlquerschnitt.
Bild 2: Konzept und Dimensionen des großformatigen Kollektors aus hochfestem Beton
Bild 2 zeigt ein erstes Konzept eines großformatigen Kollektor-Moduls mit vereinfachtem Hohlquerschnitt und einer Aperturweite von 10 m, einer Gesamtlänge von 42 m
und einer Konstruktionshöhe im Scheitel von 0,5 m. Die Lagerung und Sonnennachführung erfolgt, wie beim Demonstrator, mit Hilfe von Kipplagern. Der Querschnitt
bleibt dabei über die Gesamtlänge konstant. Erste Ermittlung der optischen Wirksamkeit η unter vereinfachten Annahmen für Eigengewicht, Wind und Temperatur zeigt
Bild 3. Dabei weißt der Vollquerschnitt durch Winkelfehler < 10 mrad volle optische
Wirksamkeit auf. Für den Hohlquerschnitt, bei dem eine Gewichtsreduktion von 80%
angesetzt wurde, ergibt sich eine nahezu volle optische Wirksamkeit (η ≈ 1), da die
Winkelabweichungen zwischen der idealen Parabelform und der deformierten Struktur in Teilbereichen ˃ 10 mrad sind. Großformatige Kollektor-Module aus Beton folgen somit dem momentanen Entwicklungsprozess von linienfokusierenden Systemen
mit Stahlfachwerken als Stützkonstruktion, bieten im Vergleich allerdings hinsichtlich
Herstellungs- und Installationskosten größere Einsparpotentiale. Durch den Hohlquerschnitt entsteht zudem eine gewichts- und steifigkeitsoptimierte Tragstruktur.
Bild 3: Wirksamkeitsanalyse für einen Vollquerschnitt (links) und einen Hohlquerschnitt (rechts)
nach dem Modell aus Bild 1