CH706970A1 - Receiver für konzentrierte Sonnenstrahlung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Receiver zum Auffangen von konzentrierter Sonneneinstrahlung aus einem umliegenden Spiegelfeld. Der Receiver besitzt einen Behälter (21) mit wenigstens einer Lichteintrittsöffnung (27) sowie einem Ein- und einem Auslass für ein Kühlmedium. Im Behälter (21) ist wenigstens ein Absorberkörper vorgesehen, welcher wenigstens bereichsweise als schwarzer Körper ausgebildet ist und hinter der Lichteintrittsöffnung (27) angeordnet ist, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie. Ausserdem sind im Behälter (21) Wärmespeicherelemente vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Receiver gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Stand der Technik

[0002] Schon frühzeitig wurden Versuche gemacht, mit Spiegeln oder Brenn-Gläsern Sonnenlicht zu hohen Temperaturen zu konzentrieren. Das älteste bekannte Beispiel stammt von Archimedes ca. 221 B.C., aber auch 1906 wurden bereits 3000°C erreicht. Die technische Herausforderung besteht darin, mit dieser konzentrierten Wärme verlässlich umzugehen über eine dauerhafte Umwandlung in andere, insbesondere transportierbare Energieformen. Interessant ist elektrische Energie, aber auch Einsatz als Prozesswärme und damit ggf. auch Synthese-Gas- oder Flüssig-Treibstoff-Erzeugung ist denkbar.

[0003] Die Schlüssel-Komponente einer solchen fokussierenden Solarenergie Anlage, heute üblicherweise als «CSP» (Concentrated Solar Power) bezeichnet, ist der «Receiver», denn dort muss technisches Neuland beschritten werden, im Prinzip eine «Heissgas-Maschine» die grundsätzlich nicht sehr verschieden von einem Raketen-Motor ist, der ebenfalls extrem heisse Druckgase «verarbeiten» muss.

[0004] Das hinsichtlich Effizienz anspruchsvollste Konzept integriert – wie im konventionellen Kraftwerksbau – den Energiefluss über eine Gas-Turbinenstufe, vorgeschlagen für die Prototypenanlage Jülich, deren heisses Abgas den Dampferzeuger der nachgeschalteten Dampfturbine betreibt.

[0005] Das Problem des Gasturbinen-Einsatzes mit Eintrittstemperaturen von ca. 1050°C ist nicht nur technischer sondern auch ökonomischer Natur: Leider werden die optimalen Wirkungsgrade des thermischen Prozesses nur für wenige Stunden am Tag und bei idealen Wetterbedingungen erreicht. Mit Recht reklamieren daher die Designer der relativ billigen Parabol-Spiegel für 400°C Dampfanlagen mit Speicherung, die Optimierung ihrer Komponenten voran zu treiben.

[0006] In einer Solarwärme-Anlage zur Stromerzeugung wird durch grossflächige Sammlung von Sonnenstrahlungsenergie in linearen Spiegelfeldern Wärmeenergie in Längsrohren gewonnen, die auf einen Speicher oder direkt auf einen Dampferzeuger arbeiten. Die erzielten Temperaturen sind aus Material- und Kostengründen im Bereich zwischen 400 und 500 °C, was im Dampferzeuger suboptimale Dampfparameter von 350– 400 °C ergibt.

[0007] Die Kühlung mit Salzschmelzen hat den Vorteil, dass diese bis ca. 600 °C stabil sind und als Speichermedium eingesetzt werden können. Versuchsanlagen mit aufgeheizten Salzschmelzen sind für Temperaturen bis 570 °C geplant. Die erforderlichen Salzmischungen haben jedoch Erstarrungspunkte >140 °C, was die erforderlichen Anlagen für die Speicherung sehr aufwendig macht.

Aufgabe der Erfindung

[0008] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den bekannten Nachteilen des Stands der Technik Abhilfe zu schaffen und eine Receivervorrichtung für eine Solaranlage bereitzustellen, welche auch sehr hohe Temperaturen bewältigen kann. Noch ein Ziel ist es, eine Receivervorrichtung vorzuschlagen, welche in der Lage ist, auch dann noch weiter zu arbeiten, wenn keine Sonnenstrahlung mehr vorhanden ist. Ein weiteres Ziel ist es, eine Receivervorrichtung bereitzustellen, welche die von einem fokussierenden Spiegelfeld auf einen Turm gesandte Strahlungsenergie möglichst vollständig in Wärme umwandelt. Dabei soll möglichst das vollständige reflektierte Strahlungsspektrum von infrarot bis ultraviolett umgewandelt werden.

Beschreibung

[0009] Erfindungsgemäss wird die Aufgabe realisiert durch einen Receiver zum Auffangen von konzentrierter Sonneneinstrahlung aus einem umliegendem Spiegelfeld umfassend – einen Behälter mit wenigstens einer Lichteintrittsöffnung, sowie einem Ein- und einem Auslass für ein Kühlmedium; – wenigstens einen im Behälter vorgesehenen Absorberkörper, welcher wenigstens bereichsweise als schwarzer Körper ausgebildet ist und hinter der Lichteintrittsöffnung angeordnet ist, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie; und – im Behälter vorgesehenen Wärmespeicherelementen. Der erfindungsgemässe Receiver hat den Vorteil, dass Wärme gespeichert und diese dann, wenn die Sonne nicht mehr scheint, zum Betreiben beispielsweise einer Gasturbine verwendet werden kann.

[0010] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmespeicherelemente ausgelegt, um Temperaturen > 1000 °C aufnehmen zu können. Damit kann der erfindungsgemässe Receiver bei wesentlich höheren Temperaturen arbeiten als bislang bekannte Receiver.

[0011] Vorteilhaft ist eine Mehrzahl von Absorberkörpern vorgesehen, welche Absorberkörper zu einem Absorberstapel zusammengefügt sind. Damit lässt sich die gewünschte Speicherkapazität entsprechend den Bedürfnissen anpassen.

[0012] Zweckmässigerweise ist der Absorberkörper als Keramikelement oder aus solchen bestehend ausgebildet. Keramikelemente haben den Vorteil, dass diese sehr hohe Temperaturen von > 1000 °C aushalten können.

[0013] Vorteilhaft weist der der Absorberkörper eine Lichtfanggeometrie auf, die geeignet ist, einfallendes Licht durch Mehrfachreflexion an schwarzen Flächen einzufangen und in Wärme umzuwandeln. Damit kann sichergestellt, dass im Wesentlichen die gesamte einfallende Strahlungsenergie, oder zumindest mehr als 90% und vorzugsweise mehr 95% der Wärmestrahlung, aufgefangen werden kann. Um dies zu erreichen, ist die Innenwandung der Flanken vorzugsweise poliert oder verspiegelt.

[0014] Vorteilhaft weist ein einzelner Absorberkörper zwei einander gegenüberliegende konkave Flanken auf, um einfallende Strahlung in den Bodenbereich des Absorberkörpers zu leiten. Durch eine Mehrfachreflexion der einfallenden Strahlung am Absorberkörper kann die Effizienz deutlich gesteigert werden.

[0015] Vorteilhaft besitzt der Absorberkörper Kanäle für die Durchleitung eines Kühlmediums. Damit kann verhindert werden, dass sich der Absorberkörper allzu stark erhitzt.

[0016] Durch die Ausbildung des Bodenbereichs in Gestalt eines Schwalbenschwanzes

[0017] Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform hat der Receiver einen Receiverinnenraum, welcher durch eine Wand in einen Absorberbereich und einen Gasrückstrombereich unterteilt ist, wobei das Kühlmedium vom Einlass vorzugsweise in den Absorberbereich, von da in den Gasrückstrombereich und sodann zum Auslass geleitet wird.

[0018] Vorteilhaft sind im Gasrückstrombereich des Receivers eine Brennkammer und eine Zuleitung für den Brennstoff in die erwähnte Brennkammer vorgesehen.............

[0019] Zweckmässigerweise sind die Absorberkörper an der Wand vorzugsweise durch Formschluss befestigt. Dies hat den Vorteil, dass sie sich bei der Erwärmung ausdehnen können und keine Gefahr besteht, dass der Zusammenhalt der Absorberkörper Schaden nehmen könnte. Dabei besteht zwischen den Absorberkörpern vorzugsweise ein gewisses Spiel, damit bei der Erwärmung keine Spannungen zwischen den Absorberkörpern auftreten können.

[0020] Vorzugsweise sind die Lichteintrittsöffnung durch eine Mehrzahl von hintereinander und in Abstand voneinander angeordneten transparenten Scheiben gebildet. Dies hat den Vorteil, dass die hohen Temperaturen innerhalb des Receivers besser bewältigt werden können.

[0021] Zweckmässigerweise sind die Lichteintrittsöffnung durch wenigstens drei Scheiben gebildet, wobei die Zwischenräume zwischen den Scheiben von einem Kühlmedium durchströmbar sind. Damit kann der Receiver gasdicht gegenüber der Umgebung abgedichtet werden.

[0022] Zur Umwandlung der Wärmeenergie in elektrischen Strom ist der Auslass des Receivers vorzugsweise mit einem Wärmespeicher und/oder einer Gasturbine in Verbindung.

[0023] Vorteilhaft steht der Einlass des Receivers mit dem Auslass eines Kompressors oder einer Pumpe in Verbindung. Das heisst, dass das aus der Gasturbine austretende Gas wieder rezykliert wird.

[0024] Vorteilhaft sind der Ein- und Auslass mit Röhren für die Zirkulation von Salzschmelze als Kühlmedium verbunden, die vorzugsweise in den Kanälen aufgenommen sind.

[0025] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform sind vor den Lichteintrittsöffnungen Vorkonzentratoren vorgesehen. Diese haben den Zweck, die einfallende Sonnenstrahlung zu bündeln.

[0026] Zweckmässigerweise besitzen die Vorkonzentratoren je ein kelchförmiges Lichteinfangteil. Dieses kann beispielsweise eine hexagonale Geometrie haben.

[0027] Vorteilhaft bilden die Lichteinfangteile nebeneinander angeordnet eine Wabenstruktur. Durch diese dichte Packung der Lichteinfangteile kann die einfallende Sonnenstrahlung zum allergrössten Teil eingefangen werden.

[0028] Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform steht der Receiver mit einem Hochtemperaturspeicher in Verbindung. Der Hochtemperaturspeicher erlaubt die Zwischenspeicherung der Wärmeenergie und Verwendung derselben zu einem Zeitpunkt, wo keine Sonneneinstrahlung mehr stattfindet. Dies führt zu einer erwünschten Vergleichmässigung der Energiegewinnung.

[0029] Vorteilhaft ist der Hochtemperaturspeicher durch eine Vielzahl von über- und nebeneinander angeordneten Keramikbauteilen gebildet, welche in einem Gehäuse angeordnet sind.

[0030] Um eine allzu starke Erwärmung der Gehäusewand zu verhindern, ist zwischen der Gehäusewand des Hochtemperaturspeichers und dem Hochtemperaturspeicher ein Ringraum vorgesehen. Der Ringraum dient dabei als Rückstrombereich für ein Wärmetransfermedium.

[0031] Vorteilhaft sind im Hochtemperaturspeicher von innen nach aussen führende Kanäle für das erhitzte Medium vorgesehen, welche mit dem Ringraum in Verbindung stehen. Damit kann eine gute Durchdringung des Hochemperaturspeichers mit dem Wärmetransfermedium erreicht werden.

[0032] Zweckmässigerweise steht der Ringraum über eine Sammelleitung mit dem Gasrückstrombereich in Verbindung.

[0033] Vorteilhaft ist im Zentrum des Hochtemperaturspeichers ein kaminartiger Innenraum vorgesehen.

[0034] Vorzugsweise ist das Gehäuse des Hochtemperaturspeichers innenseitig mit einer Kühlung, z.B. spiralförmig entlang der Gehäuseinnenwand aufsteigenden Rohrleitungen, versehen.

[0035] Zusammengefasst lässt sich folgendes festhalten: Die vorliegende Erfindung schlägt ein integriertes Konzept vor, das gegliedert ist in eine Vor-Konzentratorstufe ausserhalb eines Druckbehälters, die flächendeckend die von den Spiegeln reflektierte Sonnenstrahlung einfängt und auf Rundfenster des Druckbehälters leitet. Der Druckbehälter enthält vorzugsweise eine druckaufgeladene Inert-Gas Füllung, die über eine Gasturbinenstufe (im geschlossenen Kreislauf) einen Dampferzeuger erhitzt, der eine nachgeschaltete Dampfturbine betreibt.

[0036] Die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme erfolgt in konkav geformten Hochtemperatur-Keramikabsorbern, wobei die Strahlung in der konkaven Öffnung weiter konzentriert wird. Der Bodenbereich eines solchen Absorber ist vorzugsweise als «schwarzer Körper» ausgelegt. Die Geometrie des Absorbers ist vorzugsweise so, dass mehrfache Reflektionen die eingetretene Strahlung nahezu vollständig in Wärme überführen. Aufrauhungen bzw. Noppenstrukturen können den Prozess des Lichteinfangs unterstützen. Damit wird die zweite Aufgabe erfüllt, keine Sonnenstrahlung aber auch keine niederfrequente Strahlung, nach aussen dringen zu lassen. Eine hochwertige Wärmeisolierung und ein integriertes Kühlsystem, das zum Vorwärmen benutzt wird, unterstützen diese Aufgabe.

[0037] Diese konzentrierte Energieeinbringung verlangt nach einer intensiven Kühlung, die durch vertikal verlaufende Gaskanäle ermöglicht wird: Erfindungsgemäss wird die starke Überhitzung des Absorber-Bodenbereichs genutzt, um das Druckgas effizient in kurzem Zeitdurchlauf stark aufzuheizen und direkt in die Mitte des angeflanschten Hochtemperaturspeichers zu leiten. Dieser dient sowohl zum Ausgleich von Sonnenenergie-Schwankungen (z.B. Wolkendurchgang) als auch zur effizienten Speicherung von Hochtemperaturwärme zur Nutzung nach Sonnenuntergang, Dann kann der geschlossene Druckgas-Kreislauf weiter betrieben werden, bis der Speicher auf Temperaturen herunter gekühlt ist, die einen Weiterbetrieb der Gasturbinenstufe nicht mehr sinnvoll machen. Vorzugsweise sind dies Abendstunden zu sogenannten Spitzenlastzeiten, wenn die höchsten Strompreise erzielt werden können. Als Option kann bei Speichertemperaturen unter ca. 1000°C der Druckgaskreislauf auf Luftansaugung umgestellt und durch Brennstoffeinspritzung in den Gasrückstrombereich eine Temperaturerhöhung bewirkt werden entsprechend einem konventionellen Flugtriebwerk. Da die angesaugte Luft stark vorgewärmt eingesetzt wird, ist der spezifische Brennstoffverbrauch ist jedoch bedeutend niedriger. Die Abgase der Gasturbine werden in jedem Fall zur Erzeugung optimal überhitzten Dampfes genutzt, bevor sie in der Vorwärmung des Dampferzeugers auf Kondensator-Temperatur herunter gekühlt werden. Dies hält den Energieaufwand für die nachfolgende erste Kompressorstufe niedrig. Die zweite Kompressorstufe ist an die schnell laufende Gasturbine gekoppelt. Überschüssige Energie wird vorzugsweise über ein Hydraulikelement ausgekoppelt und zum Antrieb des langsam laufenden Kompressors am Boden und oder als Unterstützung des Generatorantriebs verwendet, Dies hat den Vorteil, dass ein Gasturbinengetriebe entfallen kann.

[0038] Die beschriebene Anlage kann daher die Nutzungsdauer der hocheffizienten Gasturbinenstufe aus dem Hochtemperatur-Speicher um mehrere Stunden ausdehnen und Energie in den wertvollen Spitzenlastzeiten liefern. Die Option zur Umschaltung der Gasturbine auf Zusatzbrennstoff eröffnet die Möglichkeit zur weiteren Ausdehnung der Nutzungszeit bzw. Einsatz als «Notstromaggregat», das jederzeit gestartet werden kann. Da erfindungsgemäss alle wesentlichen Komponenten inklusive der elektrischen Infrastruktur vorhanden sind, bleibt die Zusatzinvestition für diese wertvolle Option gering.

[0039] Erfindungsgemäss ist es möglich, für Regionen mit weniger intensiver Sonnenstrahlung und entsprechend grossen Feldern zur Kollektion von Sonnenstrahlen einen vereinfachten; Salzschmelze gekühlten Receiver bereit zu stellen. Dieser hat ebenfalls zur Kühlung und Speicherung einen Gasumlauf, allerdings mit niedrigerem Druck. In die Gasaufström- und Abströmkanäle sind dann Salzschmelze führende Rohre eingelassen. Diese können vorteilhaft mit einem für Salze ausgelegten «Hochtemperatur-Speicher» (ca. 600°C) direkt verbunden werden. Dieser Temperaturbereich ist für die Dampfüberhitzung geeignet. Aus dem als Option aufgesetzten Ausgleichspeicher der Gaskühlung kann der Salzschmelze-Umlauf verlängert in diesem Temperatur-Bereich betrieben werden.

[0040] Diese und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die nicht einschränkende Beispiele darstellen und auf die in den nachfolgenden Zeichnungen Bezug genommen wird: <tb>Fig. 1<SEP>beschreibt schematisch die Gesamtanlage einer Solar-Gesamtanlage zur Verwertung von Sonnenenergie, mit einem Solar-Receiver als wesentlicher Komponente; <tb>Fig. 2<SEP>ist ein Längsschnitt durch eine Vorrichtung umfassend eine erste erfindungsgemässe Ausführungsform eines Receivers zum Auffangen von konzentrierter Sonnenenergie aus einem Spiegelfeld und einem mit dem Receiver in Verbindung stehenden Hochtemperaturspeicher, vorzugsweise im Bereich oberhalb von 500 Grad; <tb>Fig. 3<SEP>ist ein Querschnitt durch den Behälter von Fig. 2 auf der Ebene des Receivers, welcher die Fenster des Receivers und dahinter angeordnete Absorberkörper zeigt; <tb>Fig. 4<SEP>zeigt oben mehrere auf einer Kreisbahn nebeneinander angeordnete Absorberkörper und unten einen einzelnen Absorberkörper näher im Detail; <tb>Fig. 5<SEP>ein Fenster des Receivers in vergrösserter Darstellung; <tb>Fig. 6 bis 9<SEP>zeigen Vorkonzentratoren, welche vor den Lichteintrittsöffnungen des Receivers angeordnet werden können; <tb>Fig. 10<SEP>zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Absorbers, welcher durch Salzschmelze-gefüllte Rohre gekühlt wird; <tb>Fig. 11<SEP>zeigt oben einen modifizierten Absorberkörper, welcher für die Kühlung mittels einer Salzschmelze ausgelegt ist, und unten mehrere auf einer Kreisbahn nebeneinander angeordnete Receiverkörper, jeweils in Draufsicht; <tb>Fig. 12<SEP>einen Querschnitt durch den Absorber gemäss Fig. 10 .

[0041] Es wird eine Anlage mit kostengünstigen, linearen Spiegelfeldern 20 gemäss Stand der Technik als Wärmequelle für 400–500°C Dampf ergänzt, um einen Receiver für das fokussierende Feld 9, das entsprechend der Topographie auf Hügeln und Zwischenräumen der existierenden Anlage aufgestellt ist. Das aufwendige Spiegelfeld mit Heliostaten 5, die dem täglich wechselnden Lauf der Sonne folgen können, wird ausschliesslich genutzt, um aus seiner Überhitzungsstufe erhöhte Energieeffizienz zu erzielen. Dabei ist eine erste Stufe, wenn ein solcher Receiver nur zur Dampf-Überhitzung in einem Salzschmelze gekühlten Feld eingesetzt wird. (Pumpe, Drei-Wegeventil 19) Der voll ausgebaute Receiver (Details in Fig. 2 ) enthält einen Hochtemperatur-Wärmespeicher, und ist druckaufgeladen zum Betrieb einer (oder zwei) angeflanschten Gasturbine(n) 13, die vorteilhaft mittels Hydraulikelemente 14 überschüssige Energie in den Dampfturbosatz 16 einbringen. Die Abgase der Gasturbinenstufe werden vorteilhaft in einem angeflanschten Wärmetauscher 3 zur Dampferzeugung oder Salzschmelze-Erwärmung genutzt. Für den Mittel-Temperaturbereich ist bei solchen Anlagen ein erweiterter Salzschmelze-Wärmespeicher 18 vorgesehen, ergänzt je nach örtlicher Auslegung um Wärmetauscher und eine ölgekühlte Vorwärmstufe (nicht gezeigt) In vielen Fällen kann die Vorwärmung nach dem Kondensator 17 der Dampfturbine 16 durch Wärmen aus den Kühlkreisläufen des geschlossenen Receiver-Kreislaufs erfolgen. Die Wärmespeicherung beginnt dann im Temperaturbereich 200°C in Stufen bis 500°C. Hochtemperaturspeicherung erfolgt direkt in dem in Fig. 2 bzw. 10 beschriebenen Turm-Receiver.

[0042] Der in Fig. 2 gezeigte Behälter 21 umfasst einen Receiver 23 zum Auffangen von konzentrierter Sonnenenergie aus einem Spiegelfeld (siehe Fig. 1 ) und einen Hochtemperaturspeicher 25, welcher über eine Öffnung 27 mit dem Receiver 23 in Fig. 11 zeigt oben einen modifizierten Absorberkörper, welcher für die Kühlung mittels einer Salzschmelze ausgelegt ist, und unten mehrere auf einer Kreisbahn nebeneinander angeordnete Receiverkörper, jeweils in Draufsicht;

[0043] Fig. 12 einen Querschnitt durch den Absorber gemäss Fig. 10 .

[0044] Es wird eine Anlage mit kostengünstigen, linearen Spiegelfeldern 20 gemäss Stand der Technik als Wärmequelle für 400–500°C Dampf ergänzt, um einen Receiver für das fokussierende Feld 9, das entsprechend der Topographie auf Hügeln und Zwischenräumen der existierenden Anlage aufgestellt ist. Das aufwendige Spiegelfeld mit Heliostaten 5, die dem täglich wechselnden Lauf der Sonne folgen können, wird ausschliesslich genutzt, um aus seiner Überhitzungsstufe erhöhte Energieeffizienz zu erzielen. Dabei ist eine erste Stufe, wenn ein solcher Receiver nur zur Dampf-Überhitzung in einem Salzschmelze gekühlten Feld eingesetzt wird. (Pumpe, Drei-Wegeventil 19) Der voll ausgebaute Receiver (Details in Fig. 2 ) enthält einen Hochtemperatur-Wärmespeicher, und ist druckaufgeladen zum Betrieb einer (oder zwei) angeflanschten Gasturbine(n) 13, die vorteilhaft mittels Hydraulikelemente 14 überschüssige Energie in den Dampfturbosatz 16 einbringen. Die Abgase der Gasturbinenstufe werden vorteilhaft in einem angeflanschten Wärmetauscher 3 zur Dampferzeugung oder Salzschmelze-Erwärmung genutzt. Für den Mittel-Temperaturbereich ist bei solchen Anlagen ein erweiterter Salzschmelze -Wärmespeicher 18 vorgesehen, ergänzt je nach örtlicher Auslegung um Wärmetauscher und eine ölgekühlte Vorwärmstufe (nicht gezeigt) In vielen Fällen kann die Vorwärmung nach dem Kondensator 17 der Dampfturbine 16 durch Wärmen aus den Kühlkreisläufen des geschlossenen Receiver-Kreislaufs erfolgen. Die Wärmespeicherung beginnt dann im Temperaturbereich 200°C in Stufen bis 500°C. Hochtemperaturspeicherung erfolgt direkt in dem in Fig. 2 bzw. 10 beschriebenen Turm-Receiver.

[0045] Der in Fig. 2 gezeigte Behälter 21 umfasst einen Receiver 23 zum Auffangen von konzentrierter Sonnenenergie aus einem Spiegelfeld (siehe Fig. 1 ) und einen Hochtemperaturspeicher 25, welcher über eine Öffnung 27 mit dem Receiver 23 in Verbindung steht. Im Betrieb fliesst heisses Gas (Pfeil 29) durch Öffnung 27 in den Hochtemperaturspeicher 25, wo es die Wärme an den Speicher abgibt.

[0046] Im Aussenbereich vor dem Receiver 23 sind Vorkonzentratoren 31 angeordnet, welche einfallendes Sonnenlicht in Fenster 33 leiten. Eine Mehrzahl von Vorkonzentratoren 31 bildet nach aussen ein vorzugsweise flächendeckendes Wabenmuster (siehe Beschreibung zu Fig. 6 bis 9 ), um konzentriertes Sonnenlicht zwischen den Fenstern 33 zu vermeiden, damit diese gekühlt werden können. Die Fenster 33 umfassen vorzugsweise mehrere, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei, hintereinander angeordnete Scheiben 35,37,39, die durch Zwischenräume 41,43 voneinander getrennt sind. In die Zwischenräume 41,43 mündet eine Kühlgasleitung 44. Die Scheiben können aus Quarzglas oder einem anderen hochtemperaturbeständigen Material hergestellt sein.

[0047] Im Receiverinnenraum 45 im Abstand zu den Fenstern 33 ist wenigstens ein Absorberstapel 47 angeordnet. Der Absorberstapel 47 ist aus feuerfesten Keramikplatten oder -körpern 49 aufgebaut, zwischen denen vertikale Kanäle 51 vorhanden sind. Der Receiverinnenraum 45 ist durch eine tragende Wand 52 geteilt in einen Absorberbereich 53 (linke Hälfte des Receivers) und einen Gasrückstrombereich 55 (rechte Hälfte des Receivers). Der Receiverinnenraum ist innenseitig mit den notwendigen Wärmeisolierungen 57 ausgekleidet.

[0048] Der Hochtemperaturspeicher 25 ist aufgebaut aus Keramikbauteilen 59, welche vorzugsweise Horizontalkanäle 61 aufweisen. Diese lassen das heisse Gas von innen zur Aussenwand 63 abströmen. Anstelle der Keramikbauteile kann der Speicherkörper 64 auch aus kugelförmigen Elementen aufgeschüttet sein.

[0049] Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist in der Mitte des Hochtemperaturspeichers 25 ein vorzugsweise kegelförmiger Innenraum 65 ausgebildet, durch welchen das heisse Gas abströmen kann. Die Aussenwand 63 des Hochtemperaturspeichers ist durch eine Wärmeisolierung 67 geschützt. Zwischen der Wärmeisolierung 67 und der Aussenwand 63 sind Kühlspiralen 69 angeordnet, welche die Temperatur der Aussenwand sicher begrenzen.

[0050] Zwischen dem Speicherkörper 64 und der Wärmeisolierung 67 ist ein Ringraum 71 vorgesehen, welcher den Gasabstrom zulässt. Unten mündet der Ringraum 71 in einen ringförmigen Sammelkanal 73, durch welchen das zurückströmende Gas auf die rechte Seite des Receivers (Gasrückstrombereich) geleitet wird. Im Gasrückstrombereich 55 des Receivers ist eine oder mehrere Austrittsöffnungen 75 vorgesehen, durch welche das Gas in einen Sammelraum 77 gelangen kann. Der Sammelraum 77 hat eine Austrittsöffnung 79, welche durch einen Flansch 81 gebildet ist. An den Flansch 81 kann eine in der Fig. 2 nicht gezeigte Gasturbine angeschlossen werden (s. Fig. 1 ).

[0051] Der Sammelraum 77 ist von einem Raum 83 umschlossen, welcher für das von den Kompressoren gelieferte Kühlgas als Mischraum dient zur Versorgung des Absorbers. Der Raum 83 besitzt Eintrittsöffnungen 85,87, vorliegend vorzugsweise zwei, durch, welche das Kühlgas in den Mischraum 83 geführt wird. Analog zum Hochtemperaturspeicher 23 ist auch der Receiverbehälter mit einer separaten Kühlung 89 ausgestattet. Ausserdem ist vorzugsweise eine separate Kühlung 91 für die Fenster 33 vorgesehen. Diese ist unten in der Beschreibung zu Fig. 5 näher im Detail beschrieben.

[0052] Eine Besonderheit des Behälters 21 ist, dass dieser, wenn keine ausreichende Wärme aus dem Hochtemperaturspeicher 25 zur Verfügung steht, mittels fossilem Zusatzbrennstoff betrieben werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Brennstoffzuführleitung 93 vorgesehen, welche in den Gasrückstrombereich 55 führt. Im Gasrückstrombereich 55 ist ein vorzugsweise ovaler Brennraum 95 ausgebildet, welcher genügend Heissgas für die Versorgung der Gasturbinen generieren kann.

[0053] Wie in Fig. 3 gezeigt, sind im Receiverinnenraum 45 jeweils im Abstand zu den Fenstern 33 Absorberkörper 97 auf einer Kreisbahn angeordnet. Die Absorberkörper 97 sind im Schnitt kelchförmig ausgebildet für die weitere Konzentration der aus den Fenstern einstrahlenden Sonnenenergie. Ein einzelner Absorberkörper 97 ist im Detail in Fig. 4 gezeigt. Er besitzt eine im Querschnitt zwei einander gegenüberliegende konkave Flanken 99a,99b aus einem hochtemperaturbeständigen Keramikmaterial, deren Innenwandungen vorzugsweise verspiegelt oder poliert sind. Der an die Flanken 99a,99b anschliessende Bodenbereich 101 ist geometrisch so ausgelegt, dass keine nennenswerte Strahlung durch Reflexion entweichen kann. Konkret hat der Bodenbereich die Gestalt eines Schwalbenschwanzes 103, welcher im Schnitt zwei im Wesentlichen V-förmige Einsenkungen 105 aufweist, die an der Oberfläche als schwarzer Körper ausgebildet sind. Hinter den angestrahlten Oberflächen sind im Keramikmaterial proportional zum Kühlbedarf Durchlässe vorgesehen, welche aufgrund der vertikalen Stapelung vertikale Kanäle 51 bilden (s. Fig. 2 ).

[0054] Einzelne Absorberkörper 97 sind übereinander zu einem Stapel angeordnet und vorzugsweise formschlüssig mit der dahinter angeordneten Wand 52 verbunden. Zu diesem Zweck haben die Absorberkörper auf der lichtabgewandten Seite zwei oder mehrere vorzugsweise schwalbenschwanzförmige Fortsätze 107, die in passende Nuten der Wand 52 eingelassen sind. Zwischen den Fortsätzen 107 und den dazu passenden Nuten, wie auch zwischen den Absorbern gegenseitig, ist ein Spielraum belassen, um Temperaturwechsel zu ertragen.

[0055] An den Spitzen der Flanken 99a,99b sind die Absorberkörper 97 durch spezielle hohle Bauteile 109 miteinander, jedoch mit Spiel, verbunden. Die Bauteile 109 bilden durch den Hohlraum jeweils einen vertikalen Kühlkanal 111, um die unvermeidliche Streustrahlung aufzufangen und abzuführen. Die Bauteile 109 sind ebenfalls vorzugsweise formschlüssig mit jeweils zwei benachbarten Absorberkörpern verbunden. Dadurch ist das Ganze als loser Verbund aufgebaut, aber geometrisch definiert.

[0056] Die Fenster 33 des Receivers 23 sind zweckmässigerweise kreisrunde Scheiben 35,37,39, vorzugsweise Quarzglasscheiben (Fig. 5 ). Diese sind in einem Zylinder 113 aufgenommen, welcher seinerseits in einem radial von der Aussenwand 115 des Receivers 23 abstehenden Hohlstutzen 117 auswechselbar eingesetzt ist.

[0057] Die Scheiben 35, 37, 39 sind in eigens dafür vorgesehenen Nuten 119 des Zylinders 113 aufgenommen. Dabei dienen die Innenscheibe 39 und die mittlere Scheibe 37 in erster Linie dazu, die während der Sonneneinstrahlung im Receiverinnenraum vorhandene grosse Hitze abzumildern, damit für die Abdichtung der äusseren Scheibe 35 geeignete Dichtungen (in den Figuren nicht gezeigt) eingesetzt werden können. Entsprechend müssen die Innenscheibe 39 und die mittlere Scheibe 37 nicht gas- und/oder druckdicht in die Nuten 119 eingesetzt sein.

[0058] Mit der Bezugsziffer 121sind Kühlkanäle angedeutet, durch welche Kühlgas tangential in den Zwischenraum 41 einströmen kann. Durch Öffnungen 123, welche in der mittleren Scheibe 37 vorgesehen sind, kann das Kühlgas vom Zwischenraum 41 in den Zwischenraum 43 gelangen und strömt dann wieder durch einen Kanal 125 vorzugsweise in den Receiverinnenraum 45.

[0059] Die Vorkonzentratoren 31, welche vor den Lichteintrittsöffnungen angeordnet sind, sind in den Fig. 6 bis 9 näher im Detail dargestellt. Die Vorkonzentratoren 31 besitzen konische zulaufende Lichteinfangkanäle 127, welche zum Boden hin in eine Rundform 128 münden. Diese passen zu den runden Lichteintrittsöffnungen 27.

[0060] Die Lichteinfangkanäle 127 sind vorzugsweise sechseckförmig, sodass diese eine geschlossene Fläche in Gestalt einer Wabenform 129 bilden können.

[0061] Der Receiver gemäss Fig. 10 unterscheidet sich von dem bereits beschriebenen Receiver im Wesentlichen dadurch, dass die Kühlung der Absorberkörper in den vertikalen Kanälen durch Rohre 131, durch welche Salzschmelze strömt, gekühlt werden. Die Rohre 131 sind mit einer zentralen Zuleitung 133 in Verbindung. Die zurückströmende, erhitzte Salzschmelze fliesst auf der Rückseite des Absorberstapels, vorzugsweise durch einen zusätzlichen keramischen Speicher 135 und mündet dann in ein Sammelrohr 137. Das Gaskühlungssystem 89 kann zur zusätzlichen Wärmespeicherung mit einem angeflanschten Wärmespeicher (wie Ausführungsbeispiel 2) versehen werden, der vorzugsweise als Kugelhaufen aus Keramikelementen ausgelegt ist, verbunden mit einem Kompressor zum Betrieb des Umlaufs und einer vorwärmenden Stufe des kühlen Salz-Zulaufs. Das Sammelrohr 137 steht mit einem in den Figuren nicht gezeigten Salzschmelzespeicher in Verbindung.

[0062] Ein für diese Anwendung modifizierter Absorberkörper 139 ist in Fig. 11 gezeigt. Aufgrund der niedrigeren Temperatur der kühlenden Salzschmelze sind weniger vertikale Kühlkanäle 51 erforderlich, jedoch mit einem grösseren Durchmesser. Im Übrigen können die Absorberkörper gleich ausgebildet sein wie im Falle der oben beschriebenen Gaskühlung.

[0063] Der erfindungsgemässe Receiver funktioniert wie folgt:

[0064] Die von einem Spiegelfeld aufgefangene Strahlungsenergie wird zunächst in Vorkonzentratoren 31 aufgefangen und in verspiegelten, konischen Lichteinfangkanälen 127 auf die Rundfenster des Behälters 33 Receivers 23 geleitet. Diese gekühlten Rundfenster sind in der Lage Innendruck aufzunehmen. In direkter Linie hinter diesen Fenstern sind die Absorber-Lichtfarbig-Elemente angeordnet, die fensterseitig polierte, offene Flanken aufweisen zur weiteren Konzentration der Strahlung. Erst im schwalbenschwanzartigen Bodenbereich erfolgt der grösste Teil der Umwandlung in Wärmeenergie, da dort die Oberflächen als schwarzer Körper ausgelegt sind. Das hochwarmfeste Keramik-Material erlaubt örtliche und zeitliche Überhitzungen, insbesondere wenn die Absorberwand (Fig. 4 ) modular aufgebaut ist, was den Einzelelementen vorübergehende Ausdehnungen erlaubt. Die Kühlung dieser hocherhitzten Elemente erfolgt mit (Druck-)Gas oder Salzschmelze direkt auf weitere Hochtemperatur – Keramikbauteile (59, bzw. Fig. 10 , 11 , 12 ). Die Regelung des Kühlgas- bzw. Salzschmelzestroms erfolgt ausserhalb des heissen Receiver-Behälters (21). Die Kühlung des Behälters wird zur Vorwärmung des jeweiligen Kühlkreislaufs genutzt, sodass nahezu die gesamte einmal eingestrahlte Sonnenenergie in nutzbare Wärme umgesetzt wird. Die aufwendige Wärmeisolierung bildet den Massstab für die Energie-Effizienz. Je nach örtlicher Aufgabe ist die Auslegung des Receivers im Detail nach wirtschaftlichen Kriterien zu entscheiden. Im Ergebnis kann der erfindungsgemässe Receiver mit einem fokussierenden Spiegelfeld die Gesamteffizienz einer Solaranlage nennenswert erhöhen.

[0065] Legende <tb>3<SEP>Wärmetauscher <tb>5<SEP>Heliostate <tb>9<SEP>fokussierendes Feld <tb>13<SEP>Gasturbine(n) <tb>14<SEP>Hydraulikelemente <tb>16<SEP>Dampfturbine <tb>17<SEP>Kondensator <tb>18<SEP>Salzschmelze-Wärmespeicher <tb>19<SEP>Dreiwegeventil <tb>20<SEP>Spiegelfeld <tb>21<SEP>(Druck-) Behälter <tb>23<SEP>Receiver <tb>25<SEP>Hochtemperaturspeicher <tb>27<SEP>Lichteintrittsöffnung(en) <tb>29<SEP>Pfeil (Gasstrom) <tb>31<SEP>Vorkonzentratoren <tb>33<SEP>Fenster <tb>35, 37, 39<SEP>Scheiben <tb>41, 43<SEP>Zwischenräume <tb>44<SEP>Kühlgasleitung <tb>45<SEP>Receiverinnenraum <tb>47<SEP>Absorberstapel <tb>49<SEP>Keramikplatten <tb>51<SEP>vertikale Kanäle <tb>52<SEP>Wand zwischen Absorberbereich und Gasrückstrombereich <tb>53<SEP>Absorberbereich <tb>55<SEP>Gasrückstrombereich <tb>57<SEP>Wärmeisolierung des Receiverinnenraums <tb>59<SEP>Keramikbauteilen <tb>61<SEP>Horizontalkanäle der Keramikbauteile <tb>63<SEP>Aussenwand des Hochtemp.-speichers <tb>64<SEP>Speicherkörper <tb>65<SEP>Innenraum des Hochtemperaturspeichers <tb>67<SEP>Wärmeisolierung des Hochtemperaturspeichers <tb>69<SEP>Kühlspiralen zw. Aussenwand und Wärmeisolierung des HT-Speichers <tb>71<SEP>Ringraum <tb>73<SEP>(ringförmiger) Sammelkanal <tb>75..<SEP>Austrittsöffnungen des Gasrückstrombereichs <tb>77<SEP>Sammelraum <tb>79<SEP>Austrittsöffnung des Sammelraums <tb>81<SEP>Flansch. <tb>83<SEP>Raum für Kühlgas <tb>85, 87<SEP>Eintrittsöffnungen <tb>89<SEP>Kühlung des Receivers <tb>91<SEP>Fensterkühlung <tb>93<SEP>Brennstoffzufuhrleitung <tb>95<SEP>Brennraum des Gasrückstrombereichs <tb>97<SEP>Absorberkörper <tb>99a, 99b<SEP>Flanken <tb>101<SEP>Bodenbereich <tb>103<SEP>Schwalbenschwanzes <tb>105<SEP>Einsenkungen des Absorberkörpers <tb>107<SEP>schwalbenschwanzförmige Fortsätze <tb>109<SEP>Bauteile zum Verbinden der Absorberkörper <tb>111<SEP>Hohlraum resp. vertikaler Kühlkanal der Bauteile <tb>113<SEP>Zylinder <tb>115<SEP>Aussenwand des Receivers <tb>117<SEP>Hohlstutzen <tb>119<SEP>Nuten <tb>121<SEP>Kühlkanal (Einlass) für Fensterzwischenräume <tb>123<SEP>Öffnungen der mittleren Scheibe <tb>125<SEP>Auslasskanal <tb>127<SEP>Lichteinfangkanäle <tb>128<SEP>Rundform Vorkonzentrator <tb>129<SEP>Wabenform <tb>131<SEP>Rohre für Salzschmelzezirkulation <tb>133<SEP>zentrale Zuleitung <tb>135<SEP>keramischer Speicher

Claims (30)

1. Receiver (23) zum Auffangen von konzentrierter Sonneneinstrahlung aus einem umliegendem Spiegelfeld (20) umfassend – einen Behälter (21) mit wenigstens einer Lichteintrittsöffnung (27), sowie einem Ein- und einem Auslass für ein Kühlmedium; – wenigstens einen im Behälter (21) vorgesehenen Absorberkörper (97), welcher wenigstens bereichsweise als schwarzer Körper ausgebildet ist und hinter der Lichteintrittsöffnung (27) angeordnet ist, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie; und – im Behälter (21) vorgesehenen Wärmespeicherelementen (49).

2. Receiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherelemente (49) ausgelegt sind, um Temperaturen > 1000°C aufnehmen zu können.

3. Receiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Absorberkörpern (97) vorgesehen ist, welche Absorberkörper (97) zu einem Absorberstapel (47)zusammengefügt sind.

4. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (97) durch Keramikelemente (49) gebildet ist.

5. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenbereich (101) des Absorberkörpers (97) eine Lichtfanggeometrie aufweist, die geeignet ist, einfallendes Licht durch Mehrfachreflexion an schwarzen Flächen einzufangen und in Wärme umzuwandeln.

6. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Absorberkörper (97) zwei einander gegenüberliegende konkave Flanken (99a,99b) aufweist, um einfallende Strahlung in den Bodenbereich (101) des Absorberkörpers (97) zu leiten.

7. Receiver nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung der Flanken (99a,99b) poliert oder verspiegelt ist.

8. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper (97) Kanäle (11 l)für die Durchleitung eines Kühlmediums besitzt.

9. Receiver nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenbereich (101) des Absorberkörpers (97) als schwarzer Körper ausgebildet ist.

10. Receiver nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bodenbereich (101) die Gestalt eines Schwalbenschwanzes (107) hat.

11. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver einen Receiverinnenraum hat, welcher durch eine Wand (52) in einen Absorberbereich (53) und einen Gasrückstrombereich (55) unterteilt ist, wobei / das Kühlmedium vom Einlass in den Absorberbereich, von da in den Gasrückstrombereich und sodann zum Auslass geleitet wird.

12. Receiver nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasrückstrombereich (55) des Receivers eine Brennkammer (95) und eine Zuleitung für den Brennstoff in die erwähnte Brennkammer vorgesehen sind.

13. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberkörper (97) an der Wand vorzugsweise durch Formschluss befestigt sind.

14. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im aus einer Mehrzahl von einzelnen Absorberkörpern (97) bestehenden Absorberstapel (47) vertikale Kanäle (51) für die Durchleitung des Kühlmediums vorgesehen sind.

15. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsöffnung (27) durch eine Mehrzahl von hintereinander und in Abstand voneinander angeordneten transparenten Scheiben (35, 37, 39) gebildet sind.

16. Receiver nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsöffnung (27) durch wenigstens drei Scheiben (35, 37, 39) gebildet ist, wobei die Zwischenräume (41, 43) zwischen den Scheiben von einem Kühlmedium durchströmbar sind.

17. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (..) des Receivers mit einem Wärmespeicher und/oder einer Gasturbine in Verbindung steht.

18. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (..) des Receivers mit dem Auslass eines Kompressors oder einer Pumpe in Verbindung steht.

19. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ein- und Auslass mit Röhren für die Zirkulation von Salzschmelze als Kühlmedium verbunden sind, die vorzugsweise in den Kanälen (51) aufgenommen sind.

20. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Lichteintrittsöffnungen (27) Vorkonzentratoren (31) vorgesehen sind.

21. Receiver nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkonzentratoren (31) je ein kelchförmiges Lichteinfangteil besitzen.

22. Receiver nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichteinfangteil eine hexagonale Geometrie hat.

23. Receiver nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteinfangteile nebeneinander angeordnet eine Wabenstruktur bilden.

24. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver mit einem Hochtemperaturspeicher in Verbindung steht.

25. Receiver nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturspeicher (25) durch eine Vielzahl von über- und nebeneinander angeordneten Keramikbauteilen gebildet ist, welche in einem Gehäuse angeordnet sind.

26. Receiver nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gehäusewand des Hochtemperaturspeichers (25) und dem Hochtemperaturspeicher ein Ringraum (71) vorgesehen ist.

27. Receiver nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Hochtemperaturspeicher (25) von innen nach aussen führende Kanäle (..) für das erhitzte Medium vorgesehen sind, welche mit dem Ringraum (71) in Verbindung stehen.

28. Receiver nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (71) über eine Sammelleitung (73) mit dem Gasrückstrombereich (55) in Verbindung steht.

29. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentrum des Hochtemperaturspeichers ein kaminartiger Innenraum (65) vorgesehen ist.

30. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Hochtemperaturspeichers innenseitig mit einer Kühlung, z.B. spiralförmig entlang der Gehäuseinnenwand aufsteigenden Rohrleitungen (69), versehen ist.