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    Der kathodische Plasma-Jet

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    Als kathodischen Plasma-Jet bezeichnet man die Überschall-Plasmaströmung, die von Kathodenflecken in Vakuum- und Niederdruckbogen ausgeht und sich aus Elektronen, Neutralteilchen sowie Ionen verschiedener Ladungsstufen zusammensetzt. Trotz der vielfaltigen Bedeutung dieses Phänomens gibt es selbst für Plasma-Jets mit nur einer Ionensorte bisher nur einige Lösungsansätze und qualitative Erklärungen, aber noch keine systematische Behandlung. Eine Beschreibung des Aufbaus und der Wechselwirkung mehrerer Ionenkomponenten steht noch völlig aus. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Analyse der Ausbildung und des weiteren Verlaufs eines solchen Jets aus einem quasistationären Kathodenfleck im Vakuumbogen in konsistenter Form und unter Einschluss von Effekten, die durch dieses Auftreten verschiedener Ionensorten bedingt sind. Wegen der Stossbestimmtheit des Kathodenfleckplasmas gehen wir von einer makroskopischen Vielflüssigkeitsbeschreibung aus, wobei wir das Problem quasieindimensional in der 5-Momenten-Näherung formulieren. Eine Analyse des resultierenden Differentialgleichungssystems im einfachsten Fall mit nur einer Ionensorte ergibt einen Sattelpunkt bei der Ionenschallgeschwindigkeit. Bei mehreren Ionensorten finden wir so viel singuläre Punkte wie wir Ionenkomponenten berücksichtigen. Eine detaillierte Untersuchung zeigt, dass eine stationäre Beschleunigung des Plasmas ausgehend von kleinen Geschwindigkeiten nahe vor der Kathode nur für ganz bestimmte (Eigen-)Werte der Anfangsgeschwindigkeiten erfolgen kann. Diese Behandlung gilt generell für quasieindimensionale stationäre Plasmaströmungen, also zum Beispiel auch für die Vorschicht vor negativen Wänden oder die Expansion von Sonnen- und Polarwind. Für unsere Anwendung auf den kathodischen Plasma-Jet gelingt uns die Formulierung von zwei geeigneten Spezialfällen, die trotz der Singularitäten eine numerische Losung mit vertretbarem Aufwand erlauben. Es stellt sich heraus, dass für den kathodischen Plasma-Jet die Joule'sche Heizung aufgrund der Elektronen-Ionen-Stösse der zentrale Effekt ist, der ein Oberschreiten der Ionenschallgeschwindigkeit ermöglicht. Die Joule'sche Heizung ist auch für das Entstehen der hohen Plasma-Jet-Energien verantwortlich, denn sie bewirkt die hohe Elektronentemperatur, die zusammen mit dem starken Dichteabfall zu einer sehr effektiven Beschleunigungswirkung der Druckgradienten führt. Dabei zeigen unsere Lösungen wie auch die Diskussion der zugrunde liegenden Gleichungen, dass der Elektronendruckgradient auf die Ionen im Wesentlichen durch die Elektronen-Ionen-Stossreibung und nur in geringem Masse durch ein schwach ausgeprägtes Potentialmaximum wirkt. Dieser Potentialberg wird nur wenig durch die Ionisationsprozesse beeinflusst und liegt typisch einen Fleckradius von der Kathode entfernt etwa dort, wo die Ionen ihre Schallgeschwindigkeit überwinden. In diesem Bereich findet nur noch ein kleiner Teil der Ionisationsprozesse statt und schon etwas weiter ausserhalb wird der Ionisationszustand wegen der stark abfallenden Dichte "eingefroren". Bei unseren Auswertungen diskutieren wir zunächst im Detail die Lösungsprofile für ein typisches Beispiel, das die qualitative Übereinstimmung unserer Resultate mit den Beobachtungen demonstriert. (Mehr ist wegen des Mangels an vollständigen experimentellen Vergleichsdaten nicht möglich.) Sodann präsentieren wir die Variation einiger zentraler Kenngrössen (insbesondere der Höhe des Potentialmaximums, der Jet-Energie und der mittleren Ionenladung weit draussen) in Abhängigkeit der relevanten Parameter, allen voran der Stromdichte im Kathodenfleck. Auf diese Weise kommen wir zu dem Ergebnis, dass ein Plasma-Jet, wie er experimentell beobachtet wird, für Stromdichten in der Grössenordnung 10 hoch 6 A/cm2 zu erwarten ist. Die häufig diskutierten hohen Stromdichten im Bereich van 10 hoch 8 A/cm2 sind hingegen nur für Kathodenflecken mit sehr kleinen Strömen (< 1A, etwa Fragmente von Typ - I - Flecken nach Rakhovsky) mit der experimentellen Erfahrung vereinbar.It was demonstrated in many experiments, that the expansion of the dense plasma of a vacuum arc spot goes along with an acceleration of multiply charged ions in the direction of the anode. The resulting plasma jet is analysed in a stationary and quasi-onedimensional model, that accounts for virtually all existing explanations. The corresponding system of multifluid equations includes singular points. The model is evaluated for two versions, that are suited to describe the cathodic jet and for which the singular points can be treated. The agreement with the experimental results is satisfactory. It turns out, that the acceleration of the ions is mainly due to the electron-ion friction. The results indicate, that the study of the plasma jet is a suitable tool to get a more detailed knowledge of the cathode spot

    Durability of solar reflector materials for secondary concentrators used in CSP systems

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    Secondary concentrators are used in solar concentrating systems to redirect solar beams reflected by the primary concentrators to the focal point or line. These components allow to increase the concentrated solar flux desity and hence to lower thermal radiation losses. Solar reflectors for secondary concentrators are permantently exposed to environmental conditions, high radiation fluxes and evelated temperatures that potentially cause stress and degradation throughout the time. Therefore, analyzing solar reflectors of secondary concentrators by simulating these conditions is curcial. No previous research works about the durabiity of solar reflector materials for secondary concentratos have been reported. The present work is focused on studying the degradation of the reflector materials by siumlating accelerated aging, caused by several ambient parameters and the effect of concentrated radiation.Both cooled and uncoooled systems for secondary concentrators are included in this study. According to results obtained, aluminum reflectors and thin silver-glass refelctros glued to an aluminum structure shoed minimum reflectance losses and structural degradation under the operation conditions of cooled 3D secondary concentrators (tower systems). Following critical aspects to avoid reflector degradation were identified: to select a suitable adhesive material to glue the thin silvered-glass reflector to the support aluminum structure, to properly protect reflectors edges, to design a suitable cooling system and to avoid the combination of high radiation fluxes with mechanical stress. In addition, laminated silvered-glass reflectors have shown to be suitable for uncooled 2D secondary concntrators (Fresnel collectors)- Furhtermore, a comparison with naturally aged secondary concentratros using silvered-glass reflectors glued to an aluminum structure revealed that the simulated degradation under accelerated conditions performed i´n this work did reproduce the most frequent degradation patterns suffered in real operating conditions

    Accelerated Ageing of Solar Reflectors for Secondary Concentrators

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    Secondary concentrators are used in solar concentrating systems to redirect solar beams reflected by the primary concentrators to the focal point or line. Secondary concentrators allow smaller receiver apertures (and hence lower reradiation losses) and increase the concentrated solar flux density. Solar mirrors for secondary concentrators are permanently exposed to environmental conditions, a high radiation flux and elevated temperatures that potentially cause stress and degradations throughout the time. For most solar mirrors, exposures to sunlight during service, particulary ultraviolet wavelenghts, temperature, and moisture can lead to loss in reflectance. Insufficient cooling of mirror surfaces may lead to destruction of the mirror e.g. by melting. Therefore, analyzing solar reflectors of secondary concetrators by simulating the previouse conditions is crucial. The present work is focused on studying the degradation of the mirrors by simulating accelerated exposure, caused by several ambient paramenters and the effect of concetrated radiation. It has been done under the framwork of the SFERA project. The tests were performed at two installations. The salt spray tests and weathering tests (constant and cycle temperature, damp heat and humidity) were completed at the Solar Reflectors Durability Laboratory of PSA (Plataforma Solar de Almeria, Spain). The high flux exposure tests of mirrors with their cooling system were performed at the Solar Technology Laboratory (STL) of PSI (Paul Scherrer Institute, Switherland). A total of 9 selected mirror types were exposed to different levels of concentrated radiation and accelerated weathering parameters to simulate and analyze the effects caused by the ambient conditions. According to results obtained, aluminium reflectors and thin-glass silvered reflectors glued to an aluminium structure have demonstrated to be appropriate for cooled 3D secondary concentrators (tower systems). In addition, laminated silvered-glass mirrors have shown to be suitable for non-cooled 2D secondary concentrators (Fresnel and parabolic-trough collectors)

    Co-production of syngas and potassium-based fertilizer by solar-driven thermochemical conversion of crop residues

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    We report on the thermochemical conversion of inedible crop residues using concentrated solar energy as the source of high-temperature process heat. Experiments were performed using a 5 kWth solar packed-bed reactor exposed to radiative fluxes up to 1788 suns. The waste biomass feedstock consisted of unprocessed batches of cotton boll, soybean husk, and black mustard husk and straw, which were pyrolysed and steam-based gasified at nominal temperatures in the range 879–1266 °C, yielding high-quality syngas with molar ratios in the range H2:CO = 1.43–3.25, CO2:CO = 0.28–1.40, and CH4:CO = 0.03–0.28. The solar-to-fuel energy conversion efficiency, defined as the ratio of the heating value of the syngas produced to the solar radiative energy input and the heating value of the feedstock, reached 18%. The heating value of the feedstock was solar-upgraded by 7%, thus outperforming autothermal gasification that typically downgrades by at least 15%. The ash contained 23% potassium. The solar-driven thermochemical process offers a sustainable and efficient path for the conversion of agricultural wastes into valuable fuels and soil fertilizers.ISSN:0378-382
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