CH636428A5

CH636428A5 - Verfahren und einrichtung zum erhitzen eines durchsichtigen, gasfoermigen mediums mittels konzentrierter sonnenstrahlung.

Info

Publication number: CH636428A5
Application number: CH477278A
Authority: CH
Inventors: Mario Posnansky; Ruedi Kriesi
Original assignee: Mario Posnansky
Priority date: 1978-05-02
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1983-05-31
Also published as: DE2831023A1; US4421102A; WO1979001021A1; EP0015964A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Unter konzentrierter Sonnenstrahlung versteht man die Erhöhung der Leistung der Sonnenbestrahlung, die pro Flächeneinheit auf einen Gegenstand auftrifft. Die Leistung, die bei normaler Sonnenbestrahlung auf eine Fläche von 1 m2 eingestrahlt wird, beträgt etwa 800 W. Bei einer tausendfach konzentrierten Sonnenstrahlung ist die Leistung, die auf einen m2 eingestrahlt wird, 1000 x 800 W gleich 800 kW. Das Konzentrieren der Sonnenstrahlung kann durch Linsen, Hohlspiegel oder, bei den bekannten Sonnenkraftwerken, durch eine Vielzahl von am Boden angeordneten Spiegeln, die die Sonnenstrahlen auf die Spitze eines zentral angeordneten Turmes reflektieren, erreicht werden. Hinweise auf solche Kraftwerke sind im Bericht «Solar thermal Power Stations» vom internationalen Symposium vom 11.—13. April 1978 in Köln der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR) sowie im Referat «Solar Heated Air-Receivers», das für den internationalen Sonnenenergiekongress und die Ausstellung vom 28. Juli bis 1. August 1975 in Los Angeles USA vorbereitet wurde, beschrieben. Bei diesen bekannten Sonnenkraftwerken oder im allgemeinen bei Einrichtungen, die zur Umsetzung von Sonnenenergie in mechanische Arbeit auf thermischen Wegen dienen, besteht wie bei anderen thermischen Kraftprozessen die Notwendigkeit, möglichst hohe Arbeitstemperaturen zu erreichen, damit ein hoher Wirkungsgrad für die Umsetzung von thermischer Energie in Arbeit resultiert (Carnot vactor).

Normalerweise ergibt sich daraus, dass das Arbeitsmedium bei thermischen Kraftprozessen bei diesen hohen Temperaturen nachBrayton, Otto, Stirlingbei600bis 1000° C gasförmig bzw. nach Rankine dampfförmig ist, beispielsweise überhitzter Dampf von 500 bis 600° C. Die Erhitzung eines gas- oder dampfförmigen Mediums mittels stark konzentrierter Sonnenenergie bietet bei den heute bekannten Ausführungsformen von Sonnenkraftwerken ganz besondere Schwierigkeiten.

Bei der Gestaltung der Strahlungsempfänger, die meist auf einem Turm angeordnet sind, kann beobachtet werden, dass riesige voluminöse Gebilde, sogenannte Kavitätsempfänger, gebaut werden, bei denen die hoch konzentrierte Sonnenstrahlung nach Durchtritt durch eine Eingangsöffnung «defokussiert» wird und im Innern auf Rohre, in denen das zu erhitzende Arbeitsmedium zirkuliert, auftrifft.

Wegen der schlechten Wärmeübergangszahl, mit der die Wärme von einem festen Körper auf ein gasförmiges Medium übertragen wird, sind einerseits bei den bekannten Bauarten und Verfahren zur Erwärmung des Gases grosse Oberflächen notwendig. Daraus ergibt sich das relativ grosse Volumen der Kavität, deren innere Oberfläche wesentlich grösser ist als die Fläche der Öffnung, durch welche die Strahlen eingefangen werden. Andererseits sind sehr hohe Temperaturen für die wärmeübertragenden Rohrwände notwendig, was zur Verwendung von hochwarmfesten Keramikstoffen führt. Diese Zusammenhänge seien im Folgenden anhand einer kurzen Rechnung aufgezeigt:

Die in die Kavität eintretende Strahlungsleistung beträgt Qs tr = FK q worin

Fk = Fläche des Strahlungsbündels am Eingang der Kavität (nr)

q = Strahlungsleistungsdichte (kW/m2), in der Regel 1000 bis 2000 kW/m2.

Diese Strahlungsleistung muss über die Rohrwände an das Gas übertragen werden, was nach der folgenden Gleichung geschieht:

Qwan Gas = FR a ATW_M

wobei

Fr die totale Rohroberfläche, die für die Wärmeübertragung zur Verfügung steht,

a die Wärmeübertragungszahl von der Wand zum Medium und

ATw-m die Temperaturdifferenz TWand-Tmedium ist.

Somit ergibt sich die folgende Beziehung

FK-q = Fr cxATw_m

Nimmt man beispielsweise eine zulässige Temperaturdifferenz von 400°C zwischen Wand und Medium an, wenn beispielsweise das Gas auf800°C erhitzt werden soll, so hätte die Wand eine Temperatur von 1200° C, und legt man eine sehr hohe Wärmeübergangszahl a von 0,2 kW/m2°Czugrunde, was nur bei sehr hohem Druck und Gasgeschwindigkeiten erzielbar ist, dann ergibt sich bei einer Strahlungsdichte von 2000 kW/m2 folgendes Flächenverhältnis zwischen totaler Oberfläche der Absorberrohrwände und dem Querschnitt der Kavitätsöffnung

Fr 9 2000 = = = 25

Fk ciZ\T\\'_^j 0.2 * 400

Wollte man diese Oberfläche der Kavität und damit deren Volumen und Gewicht verkleinern, dann bleibt etwas mehr Spielraum für die Steigerung der Temperaturdifferenz zwischen der Wand und dem Medium durch Verwendung von Keramikwerkstoffen oder man ist gezwungen, ein flüssiges Medium zu verwenden. Wasser ist hiefür nicht geeignet, weil bei einer T emperatur von nur 300° C bereits ein sehr hoher Druck entsteht. Es kommen demnach nur flüssige Metalle, beispielsweise flüssiges Natrium in Frage, die wesentlich höhere Temperaturen zulassen, aber andere entscheidende Nachteile besitzen. Ganz sicher ist jedoch, dass jeder Versuch einer Energieübertragung im Bereich der hochkonzentrierten Sonnenstrahlung nach den bisher bekannten Verfahren sehr schwierig und umständlich ist, wobei selbst Keramikmaterialien den dabei auftretenden Temperaturen kaum mehr standhalten. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Übertragung der in der konzentrierten Sonnenstrahlung enthaltenen Energie auf ein durchsichtiges, gasförmiges Medium anzugeben, wobei die Wärmeübertragung direkt im Bereich der grössten Konzentration des Strahlenbündels stattfindet. Ausserdem soll das Volumen der Einrichtung bezogen auf das Volumen der bekannten Einrichtungen reduziert werden und die Möglichkeit geboten werden, dass auf den Einsatz von hochfesten Keramikmaterialien verzichtet werden kann.

Ein weiteres Ziel ist, das Gas, beispielsweise Luft, auf eine Temperatur von wenigstens 600°C zu erhitzen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2.

Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil eines Sonnenkraftwerkes mit einem Turm, auf dessen oberen Bereich die Sonnenstrahlung mittels am Boden angeordneter Spiegel konzentriert wird;

Fig. 2 eine Frontansicht einer im oberen Bereich des Turmes gemäss der Fig. 1 angeordneten erfindungsgemässen Einrichtung

636 428

zum Erhitzen eines gasförmigenMediums mittels konzentrierter Sonnenstrahlung;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III bis III der Fig. 2;

Fig. 4 Ausschnitte aus der Fig. 2ineinem grösseren Massstab, welche Ausschnitte die Halterung von Quarzglasrohren der erfindungsgemässen Einrichtung zeigen;

Fig. 5 Ausschnitte aus der Fig. 2in einem grösseren Massstab, welche Ausschnitte eine andere Form der Halterung von Quarzglasrohren der erfindungsgemässen Einrichtung zeigen;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eines der Quarzglasrohre der Einrichtung gemäss der Fig. 2;

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines der Quarzglasrohre der Einrichtung gemäss der Fig. 2;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines der Quarzglasrohre der Einrichtung gemäss der Fig. 2;

Fig. 9 einen Querschnitt durch einen länglichen Glaskörper mit einer Vielzahl von parallel verlaufenden Durchtrittskanälen, welche Glaskörper anstelle der Quarzglasrohre in der Einrichtung gemäss der Fig. 2 verwendbar ist;

Fig. 10 die prinzipielle Darstellung der Verwendung der Einrichtung gemäss der Fig. 2 in einer Sonnenkraftwerkanlage;

Fig. 11 die vereinfachte Darstellung eines Sonnenkraftwerkes mit einem Turm, in dessen oberen Bereich Strahlenempfänger angeordnet sind, die von allen Seiten von auf dem Boden angeordneten Spiegeln angestrahlt werden;

Fig. 12 einen Querschnitt durch den oberen Bereich des Turmes des Sonnenkraftwerkes gemäss der Fig. 11, und

Fig. 13 einen Querschnitt durch den oberen Teil des Turmes gemäss der Fig. 11, wobei die Strahlenempfänger anders ausgebildet sind, als jene, die in der Fig.'12 dargestellt sind.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen dargelegt, die sich insbesondere für die Verwendung im Turm eines Sonnenkraftwerkes eignen. Die Fig. 1 zeigt einen Teil eines Sonnenkraftwerkes in stark vereinfachter Darstellung. An der Spitze eines Turmes 1 ist ein sogenannter Strahlenempfänger 2, beispielsweise die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Einrichtung, angeordnet.

Im Innern des rohrförmigen Turmes 1 sind eine nicht dargestellte Zuführleitung für ein zu erhitzendes durchsichtiges gasförmiges Medium, z.B. Luft, und eine nicht gezeichnete Abführleitung für die in der genannten Einrichtung erhitzte Luft angeordnet. Die einfallende Sonnenstrahlung ist durch Pfeile 3 angedeutet und wird durch am Boden 4 angeordnete Spiegel 5 auf die Frontfläche der Einrichtung konzentriert. Die Einrichtung ist so geneigt ausgerichtet, dass die den Mittelpunkt der Frontfläche der Einrichtung senkrecht durchstossende Gerade den Zentrumsbereich des Spiegelfeldes durchstösst. Die auf die Einrichtung auftreffenden reflektierten Sonnenstrahlen sind nicht parallel, sondern können bis zum halben Winkel a gegenüber der genannten Geraden abweichen, welcher Winkel a durch die beiden Randstrahlen 6 und 7 eingeschlossen wird. Die Fig. 2 zeigt die Frontansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung und die Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III bis III der Fig. 2. Zwischen zwei Platten 8 und 9, die über Distanzbolzen 10 auf Abstand gehalten werden, erstreckt sich eine Anzahl Quarzglasrohre 11.

Die Platten 8 bzw. 9 sind mittels Muttern 12 an den Enden der Distanzbolzen 10 befestigt. In den Platten 8 und 9 sind eine entsprechende Anzahl Löcher 13 bzw. 14 vorgesehen, damit Luft den Quarzglasrohren 11 zugeführt, beziehungsweise die erhitzte Luft aus diesen Quarzglasrohren abgeführt werden kann. Unterhalb der Platte 9 befindet sich eine Haube 15, die mit einem Zuführrohr 16 verbunden ist. Der Rand der grossen Öffnung der Haube 15 ist mit der Platte 9 gasdicht verbunden, so dass die über das Zuführrohr 16 zugeführte Luft in die einzelnen Quarzglasrohre 11 eindringt. Oberhalb der Platte 8 befindet sich eine Haube 17, die mit einem Abführrohr 18 verbunden ist. Der Rand der grossen Öffnung der Haube 17 ist mit der Platte 8 gasdicht

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

636 428

verbunden, so dass die aus dem Quarzglasrohr 11 austretende, erhitzte Luft gesammelt und durch das Abführrohr 18 abgeführt werden kann.

Da es nicht vorgesehen ist, die Hauben 15 und 17 und die Platten 8 und 9 der konzentrierten Sonnenbestrahlung auszusetzen, können diese Teile aus Metall bestehen. Das Prinzip der Halterung der einzelnen Quarzglasrohre 11 ist aus den Fig. 4 bzw. 5 ersichtlich, die entsprechende Ausschnitte aus der Fig. 2 in einem grösseren Massstab zeigen.

Gemäss der Fig. 4 ist der Durchmesser der Löcher 13 in der oberen Platte 8 grösser als der Durchmesser der Quarzglasrohre 11. Auf der Oberseite der Platte 8 sind Rohrstücke 19 befestigt. Jedes Quarzglasrohr 11 erstreckt sich durch eines der Löcher 13 durch das entsprechende Rohrstück 19 hindurch. Auf der Innenseite der Rohrstücke 19 sind Nuten 20 eingelassen, in denen Dichtungsringe 21 angeordnet sind. Diese Dichtungsringe können von gleicher Art sein wie die Kolbenringe eines Verbrennungsmotors. Die Dichtungsringe 21 verhindern, dass Luft aus der Einrichtung austritt und ermöglichen aber das durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingte relative Verschieben zwischen dem Quarzglasrohr 11 und der Platte 8.

Der Durchmesser der Löcher 14 in der unteren Platte 9 ist kleiner als der Innendurchmesser der Quarzglasrohre 11. Konzentrisch zu jedem der Löcher 14 ist je ein Rohrstück 22 auf der Oberseite der Platte 9 befestigt. Durch jedes Rohrstück 22 erstreckt sich eines der Quarzglasrohre 11, so dass dessen Stirnfläche auf der Platte 9 aufliegt. Auf der Innenseite der Rohrstücke 22 sind ebenfalls Nuten 20 vorgesehen, in welchen sich Dichtungsringe 21 befinden, um das Austreten von Luft aus der Einrichtung zu verhindern.

Innerhalb jenes Quarzglasrohres 11 sind eine Anzahl Glasstreifen 23 angeordnet, wie dies mit Bezug auf die Fig. 6 weiter unten näher beschrieben ist. Teile der unteren Stirnflächen der Glasstreifen 23 liegen auf dem Randbereich der Löcher 14 in der unteren Platte 9 auf. Sie können somit nicht aus den Quarzglasrohren 11 herausfallen.

Die Fig. 5 zeigt eine andere Art der Halterung der Quarzglasrohre 11. Der Durchmesser der Löcher 14 in der unteren Platte 9 ist kleiner als der Innendurchmesser des Quarzglasrohres 11. Konzentrisch zu den Löchern 14 sind Rohrstücke 24 an der Platte 9 angeschweisst. Der Innendurchmesser der Rohrstücke 24 ist grösser als der Aussendurchmesser der Quarzglasrohre, so dass die Quarzglasrohre mit Hilfe eines hitzebeständigen Bindemittels 25 in den Rohrstücken 24 gehalten werden, wobei die so hergestellte Verbindung auch gasdicht ist. In die Löcher 13 der oberen Platte 8 sind Rohrstücke 26 eingeschweisst, die den gleichen Aussendurchmesser wie die Quarzglasrohre 11 aufweisen . Das eine Ende der Muffe 27 ist über das Quarzglasrohr 11 und das andere Ende ist über den nach unten über die Platte 8 vorstehenden Teil des Rohrstückes 26 gestülpt. Mittels Spannringen 28 werden die Enden der Muffe 27 an dem von ihr umgebenen Rohrstück 26 bzw. Quarzglasrohr 11 gehalten. Die Muffe27 bildet eine gasdichte Verbindung zwischen dem Quarzglasrohr 11 und dem Innenraum der oberen Haube 17. Die Muffe 27 kompensiert ausserdem die von der Temperatur abhängigen unterschiedlichen Längenausdehnungen des Quarzglasrohres 11 und des Abstandes zwischen den Platten 8 und 9. Aus Sicherheitsgründen kann unterhalb der Muffe 27 eine mit Löchern 29 versehene Führungsplatte 30 angeordnet sein, die ein Umkippen der Quarzglasrohre 11 verhindert.

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Einrichtung nach der Fig. 2 entlang der Linie III bis III. Dementsprechend sind im wesentlichen nur die Quarzrohre 11, die untere Platte 9 und die untere Haube 15 mit dem nach hinten gerichteten Zuführrohr 16 sichtbar. Die Quarzglasrohre 11 sind in 2 Reihen angeordnet, wobei die Quarzglasrohre der hinteren Reihe gegenüber den vorderen Quarzglasrohren versetzt sind. Der Hauptteil der konzentrierten Sonnenstrahlung fällt in Richtung des Pfeiles 31 in die Einrichtung gemäss der Fig. 3 ein. Durch die versetzte Anordnung der Quarzglasrohre 11 werden auch jene Strahlen erfasst, die zwischen den vorderen Quarzglasrohren hindurchtreten. Obwohl in der Fig. 3 nur 2 Reihen von Quarzglasrohren 11 gezeichnet sind, können Ausführungen mit drei oder mehr Reihen vorgesehen werden.

Die für die Erfindung sehr wesentlichen Glaskörper bzw. Glasstreifen 23, die innerhalb der Quarzglasrohre 11 angeordnet sind, wurden in der Fig. 3 nicht eingezeichnet.

Wenn nur eine oder zwei Reihen von Quarzglasrohren 11 vorgesehen sind, so ist es vorteilhaft, hinter diesen Quarzglasrohren einen Reflektor 31 anzuordnen, welcher den allfällig aus den Quarzglasrohren nach hinten austretenden Strahlenanteil wieder zurück in die Quarzglasrohre reflektiert.

Aus der Fig. 6 ist eine erste mögliche Anordnung der Glasstreifen 23 innerhalb des Quarzglasrohres 11 dargesellt. Die einzelnen Glasstreifen 23 werden durch Abstandhalter 32 aus Glas auf Abstand gehalten. Diese Abstandhalter 32 erstrecken sich nicht über die gesamte Länge der Glasstreifen, sondern sie sind quadratische oder runde Scheiben, deren Dicke den Abstand zwischen den benachbarten Glasstreifen 23 bestimmt. Die Abstandhalter 32 sind gleichmässig auf die ganze Länge der Glasstreifen 23 verteilt angeordnet und mit einem der beiden benachbarten Glasstreifen beispielsweise durch Anschmelzen fest verbunden.

In der Querrichtung sind die Glasstreifen 23 in den Quarzglasrohren 11 so ausgerichtet, dass sie mit der durch den Pfeil 31' in der Fig. 3 angedeuteten Richtung einen spitzen Winkel von 20 bis 70° einschliessen. Die Glasstreifen 23 sind leicht gefärbt und absorbieren die Energie der durch sie hindurchtretenden Sonnenstrahlung nur teilweise.

Mit Bezug auf die Fig. 6 ist nachstehend die Arbeitsweise der Einrichtung nach der Fig. 2 beschrieben. Ein Strahlenbündel trifft von aussen auf das Quarzglasrohr 11 auf. Ein verschwindend kleiner Anteil des Strahlenbündels 33 wird an der Aussen-fläche des Quarzglasrohres reflektiert, was durch einen Pfeil 34 angedeutet ist. Der Hauptanteil des Strahlenbündels 33 wird durch die Wandung des Quarzglasrohres 11 gebrochen und an der Innenfläche des Quarzglasrohres findet nochmals eine Brechung statt, bevor das Lichtbündel in das Innere des Quarzglasrohres 11 eintritt. Das Quarzglas, aus dem die Quarzglasrohre 11 bestehen, absorbiert so wenig Wärmeenergie wie möglich, damit praktisch alle Energie des Lichtbündels in das Innere des Quarzglasrohres 11 gelangt. Danach trifft das Lichtbündel auf einen der Glasstreifen 23 auf, ein Teil des auf dem Glasstreifen 23' auftreffenden Lichtbündels wird von diesem reflektiert und der andere Teil durchdringt den Glasstreifen 23'. Weil die Glasstreifen 23 leicht gefärbt sind, wird ein Anteil der Energie, beispielsweise 5 bis 15 % des den Glasstreifen 23' durchdringenden Lichtbündels, im Glasstreifen 23' absorbiert. Der Anteil des Strahlenbündels, welcher aus dem Glasstreifen 23' austritt, trifft auf den nächsten Glasstreifen auf, wobei wiederm ein T eil reflektiert, ein Anteil der Energie absorbiert und ein Teil des Lichtbündels wieder aus diesem nächsten Glasstreifen austritt. Das aus diesem Glasstreifen austretende restliche Lichtbündel trifft wiederum auf einen der Glasstreifen 23 auf, wobei sich der oben beschriebene Vorgang immer wieder wiederholt. Der vom Glasstreifen 23" reflektierte Teil des Lichtbündels trifft wieder auf den Glasstreifen 23' auf, wobei sich der oben beschriebene Vorgang ebenfalls wiederholt.

Der besseren Übersicht wegen sind in der Fig. 6 nur einige wenige Reflektionsstellen und Durchtrittsstellen des Lichtbündels dargestellt. Eine Erwärmung der Glasstreifen 23 erfolgt nur an den Durchtrittsstellen, wobei diese durch die vielen Reflektionsstellen auf den ganzen Volumenbereich der Glasstreifen 23 verteilt sind. Aus diesem Grunde werden die Glasstreifen 23 gleichmässig an allen Stellen erhitzt, aber an keiner Stelle

4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

überhitzt. Die in das Innere des Quarzglasrohres 11 eingestrahlte Energie wird nicht an der ersten, auf einem Körper auftreffenden Stelle voll absorbiert, sondern sukzessive an einer Vielzahl von Stellen verteilt, allmählich absorbiert, wobei die Vielzahl von Stellen nur auf eine Temperatur von beispielsweise 1000°C, aber nicht auf viel höhere Temperatur erhöht wird.

Die von den Glasstreifen 23 aufgenommene Wärme wird von einem Luftstrom, der durch das Quarzglasrohr 11 undzwischen den Glasstreifen 23 hindurch geführt wird, aufgenommen und weggeführt. Bei den bekannten Einrichtungen wird die durch die Sonnenstrahlung erhitzte Wand nur einseitig mit Luft in Berührung gebracht. Bei der oben beschriebenen Einrichtung werden die Glasstreifen 23 auf beiden Seiten mit der Luftströmung in Berührung gebracht, wodurch sich eine wesentlich bessere Wärmeübertragung von den Glasstreifen auf die Luft ergibt.

In der Fig. 6 sind der Einfachheit wegen nur einige wenige Glasstreifen 23 dargestellt. In Wirklichkeit werden bei einer Einrichtung, die eine Strahlungsenergie von 5 MW verarbeiten kann, zehn Quarzglasrohre 11 mit einem Aussendurchmesser von 25 cm, einer Wandstärke von 5 mm und einer wirksamen Länge von 2,5 m in der vorderen Reihe vorgesehen. In der zweiten Reihe sind dementsprechend neun Quarzglasrohre mit denselben Abmessungen angeordnet. Derartige Quarzglasrohre halten einen Innendruck von 690 kPa bei einer Arbeitstemperatur von 1000°C ohne weiteres aus.

Innerhalb eines Quarzglasrohres 11 sind beispielsweise fünfundzwanzig Glasstreifen 23 mit einer Dicke von 5 mm angeordnet, wobei zwischen benachbarten Glasstreifen 23 ein Abstand von 5 mm vorhanden ist. Die durchschnittliche Gesamtoberfläche pro Glasstreifen 23 beträgt somit 0,24 m x 2,5 m x y 2 X2 = 0,78 m2. Die gesamte Oberfläche der Glasstreifen 23 pro Quarzglasrohr 11 beträgt 0,78 m2 x 25 = 19,5 m2. Dementsprechend ist die totale Oberfläche der Gesamtheit aller Glasstreifen 19 X 19,5 m2 = 370 m2. Dies stellt die gesamte Kühlfläche der Einrichtung dar, über welche der Wärmeaustausch zwischen den Glasstreifen 23 und der durchströmenden Luft erfolgt.

Im vorliegenden Beispiel müssen pro Quadratmeter der Kühl-oberfläche5000000 W/370 m2 = 13500 W/m2 übertragen werden. Bei einem mässigen Luftstrom kann mit einem Wärmeübergang von 30 W/m2° C gerechnet werden. Wenn also, wie im vorliegenden Beispiel, pro m213 500 W übertragen werden sollen, so ist dazu eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen den Glasstreifen 23 und der zwischen denselben hindurchströmenden Luft von etwa 450° C notwendig. Diese Zahlen zeigen, dass es sehr wohl möglich ist, die Luft auf etwa 600 bis 800° C zu erhitzen, ohne dass dabei die Temperatur an irgend einer Stelle der Einrichtung grösser wird als 1050 bis 1250° C. Diese Werte können dadurch gesenkt werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes etwas erhöht wird. Die gleiche Wirkung ergibt sich auch, wenn die Anzahl Glasstreifen 23 pro Quarzglasrohr 11 erhöht oder die Anzahl der Quarzglasrohre selbst vergrössert wird.

Die auf die Einrichtung gemäss der Fig. 2 einfallenden konzentrierten Sonnenstrahlen werden auf dem durch die gestrichelte Linie 35 umgrenzten Bereich beschränkt, wobei die Fläche dieses Bereiches 2,5 m x 2,5 m gleich etwa 6 m2 beträgt. Um die oben angeführte Leistung von 5 MW auf die Fläche des Wirkbereiches einzustrahlen, ist eine Leistungsdichte von 836 kW/m2 notwendig, was einer Konzentration der Sonnenstrahlung von etwa 1000 entspricht.

Die Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von Glasstreifen 36, die in einem Quarzglasrohr 11 angeordnet sind. In der Querrichtung erstrecken sich die einzelnen Glasstreifen 36 etwas über die Mitte des Quarzglasrohres 11 hinaus, so dass sich die benachbarten Glasstreifen 36 einige wenige mm überlappen. Im Überlappungsbereich werden die Glasstreifèn 36 durch sich selbst auf Abstand gehalten. Im äusseren Bereich der Glasstreifen 36 sind anstelle der Abstandhalter 33 gemäss der Ausführung

636 428

nach der Fig. 6 Buckel 37 vorgesehen, die dadurch entstanden sind, indem noch im weichen Zustand der Glasstreifen mit einem nicht dargestellten Gegenstand Vertiefungen in die Glasstreifen 36 eingepresst wurden. Einer dieser Buckel 37 ist im Schnitt dargestellt.

Ein auf das Quarzglas auftreffendes Strahlenbündel 38 wird ähnlich wie das Strahlenbündel 33 in der Fig. 6 mehrmals reflektiert und allmählich von den Glasstreifen absorbiert. Der Vorteil dieser Ausführung gegenüber jener der Fig. 6 ist der, dass allfällig parallel zu den Platten gerichtete Strahlenbündel 39 nicht ohne weiteres durch das Quarzglasrohr 11 durchtreten können, sondern von den zueinander versetzten Glasstreifen 36 absorbiert werden.

Die Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform von innerhalb einem Quarzglasrohr 11 angeordneten Glasstreifen 40 und 41. Der Querschnitt der Glasstreifen 40 ist winkelförmig und nur jene Glasstreifen 41, die zum Auffüllen des restlichen Teiles des Querschnittes des Innenraumes des Quarzglasrohres 11 dienen, sind flache Glasstreifen. Der Winkel, den die Glasstreifen 40 einschliessen, ist ein spitzer Winkel, vorzugsweise 60°. Die Glasstreifen 40 und 41 können entweder durch in der Fig. 6 dargestellte Abstandhalter oder durch in der Fig. 7 dargestellte Buckel gegenüber einander auf Abstand gehalten werden. Diese Abstandselemente sind in der Fig. 8 nicht dargestellt. Die flachen Glasstreifen 41 sind an dem der Strahlung ausgesetzten Ende abgeschrägt, damit die von der Schmalseite reflektierten Strahlenanteile in das Innere des Quarzglasrohres 11 gelangen. Die Glasstreifen 41 werden so gerichtet, dass die Spitze des von ihnen eingeschlossenen Winkels in Richtung auf die Strahlenquelle zeigt. Genau auf die Spitze des genannten Winkels eintreffende Strahlenbündel 42 werden der Reihe nach von den Scheitelbereichen der Glasstreifen 40 allmählich absorbiert. Ein dazu parallel verlaufendes versetztes Strahlenbündel 43 wird wie das Strahlenbündel 33 gemäss der Fig. 6 mehrmals reflektiert und ebenfalls allmählich durch die Glasstreifen 40 und 41 absorbiert. Ein schräg einfallendes Strahlenbündel 44 wird wie dargestellt ebenfalls mehrfach reflektiert und allmählich absorbiert.

In der Fig. 9 ist ein Glasstab 45 mit rundem Querschnitt dargestellt. Das Glas, aus dem der Glasstab 45 besteht, ist leicht gefärbt, um die in ihn eintretende Sonnenstrahlung allmählich zu absorbieren. Im Innern des Glasstabes 45 erstrecken sich praktisch parallel verlaufende Längskanäle 46 für den Durchtritt der zu erhitzenden Luft. Der Querschnitt dieser Kanäle kann grundsätzlich jede beliebige Form aufweisen, aber vorzugsweise sind diese Querschnitte rhombusförmig. Die der Hauptstrahlungsrichtung zugewendeten spitzen Winkel der rhombusförmigen Kanäle schliessen einen Winkel von 60° ein. Ein Strahlenbündel 47, welches auf den Glasstab 45 auftritt, wird, wie dies in der Fig. 9 sehr vereinfacht dargestellt ist, auf eine vielfältige Weise reflektiert und im Innern des Glasstabes an einer Vielzahl von Stellen allmählich absorbiert. Da alle Längskanäle 46 geschlossen sind, kann im einfachen Fall auf das dem Glasstab umgebende Quarzglasrohr verzichtet werden. In diesem Fall wird der Glasstab 46 ähnlich wie dies in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, in die Einrichtung nach der Fig. 2 eingesetzt.

Die Fig. 10 zeigt das Prinzip eines Sonnenkraftwerkes in stark vereinfachter Form. Der Strahlenempfänger 2 kann eine Einrichtung gemäss der Fig. 2 sein. Mittels eines Kompressors 47 wird durch Pfeile 48 angedeutete Luft angesogen und über ein Zuführrohr 49 einem Verteiler 50 zugeführt, der der unteren Haube 15 der Einrichtung nach der Fig. 2 entspricht. Vom Verteiler 50 gelangt die Luft in die Quarzglasrohre 11 mit gemäss den Fig. 6,7 oder 8 angeordneten Glasstreifen. Anstelle der Quarzglasrohre 11 können auch Glasstäbe 45 nach der Fig. 9 verwendet werden. In dem durch die Pfeile 51 angedeutete Sonnenstrahlung ausgesetzten Quarzglasrohr 11 wird die Luft erhitzt und in einem Sammler 52, der der oberen Haube 17 der Einrichtung gemäss der Fig. 2 entspricht, gesammelt und über ein Abführrohr 53

5

s

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

636 428 6

einer Gasturbine zugeführt. Die Rotoren der Gasturbine 54, des Die Fig. 13 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausfüh-

Kompressors 47 und eines Generators 55 sind auf einer gemein- rungsform des Strahlenempfängers 59, dieser unterscheidet sich samen Welle 56 fest angeordnet, so dass die Gasturbine 54 den gegenüber demjenigen, welcher in der Fig. 12 dargestellt ist,

Kompressor 47 und den Generator 55 antreibt. Die Differenz der lediglich dadurch, dass anstelle der Quarzglasrohre 11 Glaskör-von der Turbine 54 abgegebenen mechanischen Leistung weniger s persegmente 71 verwendet werden. Die Glaskörpersegmente 71

die Antriebsleistung des Kompressors 47 wird im Generator 45 in weisen ähnlich wie der Glasstab 45 gemäss der Fig. 9 Längskanäle elektrische Leistung umgesetzt und einem symbolisch dargestell- 72 auf. Die Längskanäle 72 besitzen einen rhombusförmigen ten Verteilnetz 57 zugeführt. Querschnitt, wobei die längere Diagonale radial gerichtet ist.

Die Fig. 11 zeigt schematisch und in stark vereinfachter Wenn die Mantelfläche des Glasstabes 45 gemäss der Fig. 9

Darstellung ein anderes Sonnenkraftwerk. Auf einem Turm 58 io ebenfalls zur Wärmeübertragung an die Luft herangezogen ist ein zylindrisch ausgebildeter Strahlenempfänger 59 angeord- werden soll, so wird der Glasstab 45 innerhalb eines Quarzglaszy-

net. Am Boden 60 und rund um den Turm 58 herum sind Spiegel linders 72 angeordnet, dessen Innendurchmesser grösser ist als

61 aufgestellt, welche die einfallenden Sonnenstrahlen 62 auf den der Aussendurchmesser des Glasstabes 45, so dass die zu erhit-

Strahlenempfänger 59 reflektieren, wodurch eine tausend-bis zende Luft auch die Mantelfläche des Glasstabes 45 umspült,

zweitausendfach konzentrierte Sonnenstrahlung auf den Strah- 15 Das Grundprinzip der Einrichtung nach der Fig. 2 kann auch lenempfänger 59 auftrifft. Zuoberst befindet sich ein ringförmig zum Antrieb von Hub- oder Drehkolbenmotoren verwendet ausgebildeter Verteiler 63 zum Zuführen der durch einen im werden.

Innern des Strahlenempfängers 59 angeordneten Kompressor 64 Der Vorteil der oben beschriebenen Einrichtungen zum Erhit-komprimierten Luft in die in der Fig. 12 im Querschnitt darge- zen eines durchsichtigen gasförmigen Mediums mittels konzenstellten, längskonzentrischen Kreislinien angeordneten Quarz- 20 trierter Sonnenstrahlung besteht darin, dass die konzentrierte glasrohre 11. Die in den Quarzglasrohren 11 erhitzte Luft wird in Sonnenstrahlung nicht an der ersten Stelle, an der sie auf die einem ebenfalls ringförmig ausgebildeten Sammler 65 gesammelt Glasstreifen 23,36,40,41 oder auf den Glaskörper 45 bzw. 71 und einer im Innern des Strahlenempfängers 59 angeordneten auftrifft, in Wärme umgewandelt wird, wobei diese Stelle überGasturbine 66 zugeführt. Der Verteiler 63 und der Sammler 65 mässig erhitzt würde, sondern, dass durch die vielen Reflektions-werden durch einen Hohlzylinder 67 auf Abstand gehalten. Die 25 stellen die konzentrierte Sonnenstrahlung zu allen Bereichen der Mantelfläche des Hohlzylinders 67 ist poliert, so dass der Hohlzy- genannten Glasstreifen und Glaskörper gelangt, und dass die linder 67 gleichzeitig als Reflektor für die allfällig durch die Wärme allmählich vom ganzen Glaskörper absorbiert wird, Quarzglasrohre 11 nach innen durchtretenden Strahlungsanteile wobei dieser Glaskörper möglichst homogen auf die gleiche dient. Temperatur erwärmt wird, so dass sich keine Stelle des Glaskör-Die zu erhitzende Luft wird durch den Kompressor 64 von 30 pers übermässig erhitzt. Um die Gleichmässigkeit der Verteilung oben durch den ringförmigen Verteiler 63 hindurch angesogen, der absorbierten Energie zu verbessern, können jene Bereiche durch die Quarzglasrohre 11 hindurch gepresst und dabei erhitzt der Glasstreifen, die bereits einer abgeschwächten Sonnenstrah-und im Sammler 65 gesammelt und der Gasturbine 66 zugeführt. lung ausgesetzt sind, stärker gefärbt sein, als jene Bereiche, die Die in der Gasturbine 66 nur z.T. abgekühlte Luft wird in noch der nicht abgeschwächten Strahlung ausgesetzt sind. Beim Richtung der Pfeile 68 nach unten ausgestossen. 35 Glaskörper 45 bzw. 71 kann eine homogenere Verteilung der

Wenn die der Gasturbine 66 zugeführte Luft beispielsweise absorbierten Energie dadurch erzielt werden, indem die Grösse eine Temperatur von 800° C aufweist, so beträgt die Temperatur der Querschnitte der Längskanäle 45 bzw. 72 in der Strahlungs-

der aus der Gasturbine 66 ausgestossenen Luft etwa 300 bis richtung gesehen, abnimmt.

400° C. Dieser noch recht warme Luftstrom wird zur besseren Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Einrichtungen ist

Ausnützung der Sonnenenergie einem Wärmeaustauscher 69 40 der, dass die für die Übertragung der Wärme von den Glasstrei-

zugeführt. In diesem Wärmeaustauscher wird Wasser verdampft fen bzw. den Glaskörpern an das gasförmige Medium verant-

und der erzeugte Dampf wird auf eine Temperatur von etwa wortliche Oberfläche gross ist, so dass die Strömungsgeschwin-

300° C erhitzt. Dieser Dampf wird einer D ampfturbine 70 zuge- digkeit des gasförmigen Mediums klein gehalten werden kann.

leitet, die ihrerseits einen nicht dargestellten weiteren Generator Daraus resultiert ein geringer Strömungswiderstand, welchem antreibt. 45 der Mediumstrom ausgesetzt ist.

M

6 Blätter Zeichnungen

Claims

636 428 2 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Erhitzen eines durchsichtigen, gasförmigen Mediums mittels konzentrierter Sonnenstrahlung, gekennzeichnet durch Richten der Sonnenstrahlung auf wenigstens einen für 5 die Sonnenstrahlung teildurchlässigen Körper zum Zwecke der Verteilung der absorbierten Energie auf alle Bereiche des genannten Körpers und durch Abführen der vom Körper aufgenommenen Wärme, indem wenigstens der grösste Teil der Oberfläche des Körpers einer Strömung des gasförmigen 10 Mediums ausgesetzt wird.

2. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit ersten Mitteln (15,16) zum Zuführen des gasförmigen Mediums zu einer Anzahl Rohre, die der konzentrierten Sonnenstrahlung auszusetzen sind, und zweiten Mitteln 15 (17,18) zum Abführen des erhitzten gasförmigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Rohre die ersten und zweiten Mittel verbindende Quarzglasrohre (11) sind, dass innerhalb jedes Quarzglasrohres eine Anzahl teildurchlässiger Körper (23,36,40,41) angeordnet sind, und dass Abstandsele- 20 mente (32,37) zum Halten der benachbarten Körper auf Abstand vorgesehen sind, damit die ganze Oberfläche der Körper vom gasförmigen Medium umspült wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass die teildurchlässigen Körper aus einem Material bestehen, 25 welches einen Absorptionskoeffizienten von 0,05 bis 0,30 aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasrohre (11) einen runden Querschnitt aufweisen, und dass die teildurchlässigen Körper Glasstreifen 30 (23) aus gefärbtem Glas sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass die Hauptflächen der Glasstreifen mit der Frontfläche der Einrichtung einen Winkel von 20 bis 70° einschliessen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, 35 dass ein Teil der Glasstreifen (40) einen winkelförmigen Querschnitt aufweisen, die einen spitzen Winkel von vorzugsweise 60° einschliessen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasrohre (11) in wenigstens zwei 40 Reihen angeordnet und die Quarzglasrohre der zweiten Reihe gegenüber jener der ersten Reihe versetzt angeordnet sind,

damit der zwischen den Quarzglasrohren der ersten Reihe hindurchtretende Strahlenanteil in die Quarzglasrohre der zweiten Reihe eintreten kann. 45

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einstrahlungsrichtung gesehen hinter den Quarzglasrohren ein Reflektor (31 ; 67) zum Rückstrah-len des durch die Quarzglasrohre hindurch getretenen Strahlungsanteils auf die Quarzglasrohre angeordnet ist. 50

9. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit ersten Mitteln (15,16; 63) zum Zuführen des gasförmigen Mediums zu einem der konzentrierten Sonnenstrahlung auszusetzenden Körper und zweiten Mitteln (17,18; 65)

zum Abführen des erhitzten Mediums, dadurch gekennzeichnet, 55 dass der genannte Körper (45; 71) aus gefärbtem Glas besteht und eine Vielzahl von etwa parallel verlaufenden Längskanälen (46; 72) zum Hindurchführen des gasförmigen Mediums aufweist, und dass die ersten und zweiten Mittel über die Längskanäle miteinander in Verbindung stehen. 60

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

dass die Längskanäle einen rhombusförmigen Querschnitt aufweisen und dass die längere Diagonale der rhombusförmigen Querschnitte senkrecht zur Aussenfläche der Einrichtung gerichtet ist. 65

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (45) einen runden Querschnitt aufweist und innerhalb eines Quarzglasrohres (73) angeordnet ist, dessen Innendurchmesser grösser ist als der Aussendurch-messer des Glaskörpers.

12. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Glaskörper (71) mit kreisringsegmentför-migem Querschnitt zu einem Hohlzylinder zusammengefügt sind, dessen Mantelfläche ringsum der konzentriertenSonnen-strahlung aussetzbar ist.