Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2008

Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2009

Techn. University, Diss., 2000--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Darmstadt.

Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

Um die zuverlässige Integration von Solarthermieanwendungen (ST), z.B. konzentrierte Solarenergie (concentrating solar power, CSP) bei steigendem Energiebedarf und trotz des fluktuierenden Charakters von ST zu ermöglichen, werden thermische Energiespeichertechnologien (TES) als attraktive Lösungen eingesetzt, um ST-basierte Systeme auf dem Energiemarkt wettbewerbsfähiger zu machen. Darüber hinaus werden Feststoff-TES-Systeme als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Flüssigkeitsspeicherlösungen betrachtet, um die Investitionskosten für die TES-Einheit weiter zu senken. Sowohl aus technischer als auch aus kommerzieller Sicht können sie vorteilhaft mittels der Komponentenfertigung bis hin zum kompletten modularen Aufbau ausgelegt werden, um die vorgesehene Beladungsmenge für verschiedene Leistungsbereiche von CSP-Anlagen abzudecken. Die erfolgreiche Integration von feststoffbasierten, sensiblen Wärmespeichern (SWS) in Parabolrinnen-Kraftwerken hat sich in den letzten zehn Jahren bewährt. Gegenwärtig gewinnt die TES-Technologie für niedrige Temperaturen neben Hochtemperaturanwendungen zur Stromerzeugung zunehmend an Bedeutung. Dies bietet die Möglichkeit, neue gemischte Feststoff-Flüssigkeits-Speichermaterialien zu entwickeln, um die Wärmespeicherdichte zu erhöhen, wie hier am Beispiel eines neuartigen, wassergesättigten zementartigen Materials demonstriert wird, das im Rahmen eines nationalen Projekts zur Speicherung von mit Solarkollektoren gewonnener Energie (IGLU-Projekt) entwickelt wurde. Wegen typischer Eigenschaften der Feststoffe müssen jedoch wichtige spezifische Probleme gelöst werden, um die Leistungsfähigkeit und Stabilität von festen TES-Systemen über einen langen Zeitraum zu gewährleisten. Die gegenwärtigen Bemühungen von Wissenschaft und Industrie konzentrieren sich auf thermische Aspekte als zentrales Hauptanliegen. Feststoffbasierte TES sind jedoch multiphysikalischen Prozessen unterworfen, d.h. das thermische Verhalten ist ein Produkt der gegenseitigen Wechselwirkung mehrerer beteiligter physikalischer Felder und beeinflusst selbst wiederum diese Felder. Das damit verbundene mechanische Verhalten der Wärmespeicherkomponenten hat einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Systems sowie die thermische Leistung, da mögliche Strukturschäden den Wärmetransport durch die TES-Struktur erheblich beeinflussen und die Integrität der Struktur selbst gefährden können. Die Motivation dieses Beitrags liegt in der Entwicklung eines innovativen feststoffbasierten TES-Moduls (IGLU TES) für das oben genannte IGLU-Projekt. Ziel dieses Beitrags ist es, die Leistungsfähigkeit und Integrität von feststoffbasierten TES mit Röhrenwärmetauschern unter multiphysikalischen Bedingungen zu untersuchen, um insbesondere die Möglichkeiten und Folgen eines Versagens durch mechanische Schädigung oder thermische Degradation zu identifizieren. Die Arbeit geht von einer verallgemeinerten thermo-hydro-mechanischen (THM) Analyse des IGLU TES aus, um einen ersten Einblick in die Kopplungseffekte zwischen den verschiedenen physikalischen Feldern und deren relative Bedeutung zu gewinnen. Kritische Bereiche in den Zonen um den Röhrenwärmetauscher werden dann anhand der sich einstellenden Spannungsfelder als kritisch identifiziert, da sie die strukturelle Integrität des Speichermoduls beeinträchtigen können, indem in diesen Zonen die Festigkeit charakterisierende oder bruchmechanische Kriterien überschritten werden. Die so ermittelten kritischen Bereiche erlauben eine vertiefte, strukturspezifische Analyse eines feststoffbasierten TES mit eingebetteten Röhrenwärmetauschern. Insbesondere wird ein analytischer Ansatz vorgeschlagen, indem geeignete Vereinfachungen auf der Grundlage der vorangegangenen numerischen Analysen vorgenommen werden, um eine robuste Analyse derjenigen materialspezifischen und geometrischen Größen durchzuführen, die den größten Einfluss auf die strukturelle Zuverlässigkeit des Speichermoduls ausüben. Die abgeleitete analytische Lösung kann zur Quantifizierung der Abhängigkeit kritischer Spannungen von mehreren Systemparametern, Materialkennwerten und Geometriegrößen herangezogen werden, um unter gewählten Gesichtspunkten eine Systemoptimierung mit großer Designflexibilität für die Speicherkonfiguration durchzuführen. Der analytische Ansatz erfordert nur minimalen Aufwand und eignet sich für frühe Designphasen. Dabei zeigte sich, dass das Risiko von Material- und Strukturversagen auch bei optimaler Auslegung nicht beliebig reduziert werden kann. Daher wird ein Phasenfeld-Ansatz zur Modellierung von Risswachstumsprozessen entwickelt, um wahrscheinliche Schädigungsmuster zu erfassen, die durch die Nichtübereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Systemkomponenten verursacht werden, und den Einfluss der resultierenden Risstopologien auf das thermische Verhalten eines festen TES-Systems zu quantifizieren. Der vorgeschlagene Phasenfeldansatz, formuliert innerhalb eines gekoppelten thermomechanischen Ansatzes, wird auf zwei repräsentative feste SWS-Konfigurationen angewendet, die sich sowohl hinsichtlich des Speichermediums als auch der Speichertemperatur unterscheiden. Innerhalb des Festkörpers wird ein Bruchvorgang beobachtet und die daraus resultierende thermische Leistungsabnahme durch eine Wärmetransportbehinderung in Abhängigkeit des eingeschlossenen flüssigen Mediums mit potentiell niedriger Wärmeleitfähigkeit untersucht, was zu erheblichen Schwankungen der Heizleistung in einem laufenden System führen kann.

In dieser Dissertation wird eine neue Methode vorgestellt, welche die Untersuchung der Wechselwirkung von Atomen und Molekülen mit Oberflächen mit Ausdehnungen <10^-8 cm^2 gestattet. Die hochauflösende Massenspektrometrie an Nanopartikeln wird mit laserinduzierter thermischer Desorption kombiniert. Zur kontrollierten Variation der Temperatur der unter UHV-Bedingungen gespeicherten Siliziumdioxidpartikel wird ein IR-Laser verwendet. Die im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Apparatur beinhaltet die Kombination des IR-Lasers mit dem elektrodynamischen Partikelspeicher als auch den Aufbau eines externen optischen Streulichtnachweises mit einem Ar^+-Laser. Unter Berücksichtigung wirksamer Kühlmechanismen wird ein Zusammenhang zwischen Teilchentemperatur und erforderlicher IR-Bestrahlungsintensität hergestellt. Ein kinetisches Modell verknüpft die im Experiment als Funktion der Zeit gemessene Partikelmasse mit den grundlegenden physikalischen Größen zur Beschreibung von Adsorptions- und Desorptionsprozessen. Die vorgestellte neue experimentelle Methode wird exemplarisch anhand von Messungen wie zyklische Adsorptions- und Desorptionsmessungen bei Partialdrücken adsorbierender Moleküle von 10^-10-10^-11 mbar, Physisorption von Wasser und Charakterisierung der Oberfläche gespeicherter Partikel mittels thermischer Desorption bei Temperaturen bis 560 K demonstriert. Ein weiteres Beispiel beschreibt die Bestimmung der Aktivierungsenergie für die Desorption von Fullerenmolekülen, mit denen die Partikeloberfläche zuvor durch Bedampfung präpariert wurde. Die Bedampfung wird als zeitaufgelöster Adsorptionsvorgang gemessen. Abschließend wird die Entladung der Partikel beschrieben, die bei Temperaturen >550 K beobachtet wird. Die Entladung zeigt ein Schwellenverhalten und hängt offenbar von der Ladung der Partikel ab. Verschiedene Erklärungsmöglichkeiten werden diskutiert.

Das wissenschaftliche Ziel der Arbeit ist die Untersuchung von optischen und chemischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Teilchen im besonderen Fullerene bei hohen Temperaturen. Die Arbeit behandelt im Detail den Aufbau und die Charakterisierung einer Messapparatur zur Untersuchung von Fulleren-Kationen. Nach einer kurzen Einführung zum Thema und einer Beschreibung des Aufbaus der Arbeit beginnt diese mit der Charakterisierung der Apparatur als Ganzes und ihrer Elemente. Dazu gehört die weiterentwickelte Sublimationsionenquelle, der Quadrupolspeicher und der Ionendetektor. Es werden eingehende Messungen zur Speicherung und zum Nachweis der absoluten Zahl von gespeicherten Ionen vorgestellt. Weiterhin wird das optische Nachweissystem bezüglich der Sammelleistung und des Empfindlichkeit eingehend untersucht. Nach der Einführung in die Apparatur wird die Verteilung der Ionen im Speicher näher beleuchtet und gezeigt, dass ein optischer Nachweis der Zahl gespeicherter Ionen möglich ist. Außerdem wird gezeigt, dass es gelingt die kinetische Temperatur der Ionen im Speicher, durch die geometrische Vermessung der Ionenverteilung zu bestimmen. Im weiteren wird auf die thermische Emission heißer C60+ näher eingegangen. Dazu wird ein klassisches dielektrisches Modell zur thermischen Emission vorgestellt. Es werden Messprinzipien zur Temperaturbestimmung der lasergeheizten Ionen erörtert und Messungen zur Temperatur des Ionenensembles präsentiert. Weiterhin werden Messungen zum C2-Verlust von C60+ als Funktion der Temperatur vorgestellt. Die experimentell ermittelte Aktivierungsenergie der C2-Verlustreaktion mit Ea = 2,3...5,4eV zeigt deutliche Abweichungen zu bekannten Literaturwerten. Die Ergebnisse dieser Messung werden mit einer nummerischen Simulation zur Energieverteilung im Ionenensemble diskutiert. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf weitere experimentelle Möglichkeiten der Messmethode. Ersetzt durch neues Dokument, wegen URL auf Titelseite. / The scientific goal of this work is the study of optical and chemical properties of carbon containing particles especially fullerenes at high temperatures. This work covered the construction and characterization of the measuring apparatus for the investigation of fullerene cations. It follows a characterization of the apparatus and its elements after a short introduction and a description of the structure of this work. This involved the further developed sublimation ion source, the quadrupole trap and the ion detections system. Extensive measurements of the ion trapping and the proof of the absolute number of trapped ions are presented. Further on the optical detections system is characterized in depth regarding the collection efficiency and sensitivity. After the introduction in the apparatus the distribution of the ions inside the trap is closer examined. The possibility of the optical detections of the number of trapped ions is shown. Additionally it is pointed out that the kinetic temperature of the ions can be extracted by geometrical measurement of the ion distribution. Further on it is enlarged on the thermal emission of hot C60. For this a classical dielectric model for the thermal emission is presented. Measuring principals of the temperature determination of laser heated ions are discussed and temperature measurements of the ion ensemble are presented. Measurements of the C2-loss as function of the temperature are presented. The results of the extracted activation energy of Ea = 2.3...5.4eV for the C2-loss reaction of C60+ shows a discrepancy to literature results. The results of this measurements are discussed with help of an numerical simulation of the internal energy distribution of the ion ensemble. This work closes with a summery and an outlook of further experimental potentialities of the measuring method. Replaced by new document, because of URL on the title page.