Enhanced Methods for Performance Evaluation and Fault Detection of Concentrating Solar Process Heat Plants
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau, Institut für Thermische Energietechnik | ger |
| dc.contributor.referee | Vajen, Klaus (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Häberle, Andreas (Prof. Dr.) | |
| dc.date.accessioned | 2024-08-02T09:03:59Z | |
| dc.date.available | 2024-08-02T09:03:59Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-2024071510525 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/15952 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | SPN1 pyranometer | eng |
| dc.subject | capacitive thermal losses | eng |
| dc.subject | algorithm-based fault detection | eng |
| dc.subject | parabolic trough | eng |
| dc.subject | solar process heat plant | eng |
| dc.subject | concentrating solar thermal | eng |
| dc.subject | Direktstrahlungsmessung | ger |
| dc.subject.ddc | 600 | |
| dc.subject.swd | Schweiz | ger |
| dc.subject.swd | Pyranometer | ger |
| dc.subject.swd | Rinnenkollektor | ger |
| dc.subject.swd | Fehlererkennung | ger |
| dc.subject.swd | Prozesswärme | ger |
| dc.subject.swd | Thermische Solaranlage | ger |
| dc.subject.swd | Sonnenstrahlung | ger |
| dc.subject.swd | Messung | ger |
| dc.title | Enhanced Methods for Performance Evaluation and Fault Detection of Concentrating Solar Process Heat Plants | eng |
| dc.title.subtitle | Based on Experimental Analysis of Two Parabolic Trough Plants in Switzerland | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | Accurate measurements of direct irradiance are required for precise performance analysis and fault detection of concentrating solar process heat plants for industrial processes (CSHIP). For this reason, a cost-effective and low-maintenance pyranometer SPN1 has been investigated by comparing four years minute mean direct normal irradiance measurements of a SPN1 to a reference pyrheliometer at the Institute for Solar Technology SPF in Rapperswil (Switzerland). A significant overestimation of the direct normal irradiance which has already been stated in relevant literature could be confirmed. The most promising recalibration method to reduce the systematic and random error was based on a quadratic correction function, which reduced the normalized root mean square error NRMSE from 11.5% to 6.9% and completely eliminated the systematic error of 7.8% (referred to mean direct irradiance of 426W/m²). It was also shown that even recalibrations based on only one month of data already reduced the NRMSE to 6.9 - 7.8% if conducted between April and September. More sophisticated recalibrations considering the influence of radiation intensity and solar elevation did not lead to a significant improvement in accuracy. It was further demonstrated that the recalibration of the SPN1 is essential for CSHIP plant evaluation: An uncalibrated SPN1 pyranometer at a CSHIP plant in Switzerland would underestimate the annual plant effciency by 15% using experimental data of 2014. Since a transfer of the determined correction function onto another device did not lead to a significant reduction in the RMSE, a one month recalibration is recommended for each single device. Furthermore, a simple method for the experimental quantification of capacitive thermal losses has been developed which balances the change in internal energy during heating-up periods and which only requires commonly used measurement equipment for plant control. Integrating this method into the experimental plant performance analysis of two investigated CSHIP plants in Switzerland showed that these losses play an important role for the design and performance analysis of CSHIP plants. For the investigated plants these losses were in the range of 14% to 24% compared to annual useful solar gains and about three times higher compared to thermal pipe losses during operation (5 - 8 %). About half of the capacitive thermal losses of the CSHIP plant using water-glycol as heat transfer medium can be reduced by the implementation of a nightly thermal storage saving the heat contained within the hot fluid over night, so that heating-up periods in the mornings would be reduced from 1-2.5 hours (summer and winter) to less than 20 min on a clear sky day. The quantification of capacitive thermal losses also served for the enhancement of an algorithm based fault detection method which compares the experimental and theoretical daily solar gains. The already existing I/O-Controller by ISFH Hameln has been improved and adapted for the application at CSHIP plants. This was realised by using a more accurate method for the determination of the direct normal irradiance, considering heating-up periods within the analysis and determine the plant specific minimally required daily yield loss by error analysis. In case of the investigated plants, a minimal daily fault-related yield loss of 0.30 - 0.75 kWh/m² is required for a 100% detection rate depending on daily net direct irradiation. | eng |
| dcterms.abstract | Eine genaue und einfache Direktstrahlungsmessung ist essentiell für eine akkurate Performance Analyse und Fehlerdetektion von konzentrierenden solaren Prozesswärmeanlagen (CSHIP). Aus diesem Grund wurde ein kostengünstiges und wartungsarmes SPN1 Pyranometer hinsichtlich seiner Genauigkeit analysiert: Ein SPN1 Pyranometer wurde über vier Jahre lang gegen ein Pyrheliometer am SPF Institut für Solartechnik in Rapperswil (Schweiz) vermessen und die Minutenmittelwerte miteinander verglichen. Es konnte eine deutliche Überschätzung der Direktnormalstrahlung des SPN1 festgestellt werden und damit einschlägige wissenschaftliche Untersuchungen zu diesem Messgerät bestätigen. Als vielversprechendste Rekalibrierungsmethode zur Minimierung des systematischen und statistischen Fehlers wurde eine quadratische Korrekturfunktion identifiziert, die zu einer Reduktion des "normalized root mean square error" (NRMSE), bezogen auf die mittlere Direktnormahlstrahlungsleistung von 426 W/m2, von urspr ünglich 11,5% auf 6,9% führte und den systematischen Fehler von 7,8% gänzlich eliminierte. Auÿerdem konnte gezeigt werden, dass diese Rekalibrierungsmethode bei der Verwendung von Messdaten lediglich eines Monats zwischen April und September den NRMSE auf maximal 7,8% deutlich reduzierte. Komplexere Rekalibrierungsfunktionen, die auch den Einfluss der Höhe der Direktnormalstrahlungsleistung oder der Solarelevation berücksichtigen, haben zu keinen weiteren signifikanten Verbesserungen hinsichtlich der Genauigkeit des Messgerätes geführt. Des Weiteren wurde ersichtlich, dass die Rekalibrierung des SPN1 essenziell für die Performance Analyse einer CSHIP Anlage ist: Ohne eine Direktststrahlungskorrektur der SPN1 Messdaten bei einer der untersuchten CSHIP Anlagen in der Schweiz würde der jährliche Nutzungsgrad der Anlage im Jahr 2014 um 15% unterschätzt werden. Die Übertragbarkeit einer Rekalibrierungsfunktion auf ein anderes Messgerät konnte nicht bestätigt werden, sodass empfohlen wird, jedes Messgerät einen Monat lang gegen ein Pyrheliometer zu vermessen und mit einer quadratischen Korrekturfunktion zu rekalibrieren. In einem weiteren Schritt wurde eine einfache Methode zur experimentellen Bestimmung von kapazitiven thermischen Verlusten entwickelt, die auf der Bilanzierung der inneren Energie im System während der Aufheizphasen basiert und die nur gängige Messtechnik benötigt, die ohnehin für den Anlagenbetrieb notwendig ist. Die Anwendung dieser Methode auf zwei untersuchte CSHIP Anlagen in der Schweiz hat gezeigt, wie wichtig die Berücksichtigung dieser Verluste bei der Auslegung und Performance Evaluierung dieser Anlagen ist. Die jährlichen kapazitiven Verluste der beiden Anlagen, bezogen auf den nutzbaren Solarertrag, lagen in den untersuchten Jahren zwischen 14% und 24% und waren etwa dreimal so hoch wie die thermischen Verluste des Rohrsystems während des Betriebs (5-8 %). Die kapazitiven thermischen Verluste der CSHIP Anlage, dieWasser-Glykol als Wärmeträgermedium nutzt, könnte durch die Integration eines Nachtspeichers etwa um die Hälfte reduziert werden. Dieser könnte die Wärme im Fluid über Nacht zwischenspeichern und auf diese Weise Aufheizphasen von 1-2,5 Stunden (Sommer/Winter) an einem klaren Tag auf weniger als 20 Minuten reduzieren. Die Quanti zierung der kapazitiven thermischen Verluste führte auch zur Weiterentwicklung einer algorithmusbasierten Fehlerdetektionsmethode, die auf dem Vergleich von experimentellen mit theoretischen täglichen Solarerträgen basiert. Der I/O-Controller des ISFH Hameln wurde verbessert und angepasst für die Verwendung bei CSHIP Anlagen. Dies konnte realisiert werden, indem eine genauere Messmethode der Direktnormalstrahlungsleistung verwendet wurde, Aufheizphasen in der Analyse mitberücksichtigt wurden, sowie die minimal erforderliche Diskrepanz zwischen experimentellen und theoretischen Erträgen für die Fehleranzeige über Fehleranalyse bestimmt wurde. Bei den untersuchten Anlagen konnte somit für eine 100% Fehlerdetektionrate eine minimal erforderliche Abweichung von 0,30-0,75 kWh/m2 (abhängig von der täglichen Nettodirekteinstrahlungssumme) identifiziert werden. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Möllenkamp, Jana | |
| dcterms.dateAccepted | 2024-04-22 | |
| dcterms.extent | VIII, 200 Seiten | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true |