CH711030B1

CH711030B1 - Receiver zum Auffangen von konzentrierter Strahlung.

Info

Publication number: CH711030B1
Application number: CH00485/15A
Authority: CH
Inventors: Bech Ulrich
Original assignee: Bech Ulrich
Priority date: 2015-04-08
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2019-04-30
Also published as: CH711030A2; CN107864665A; WO2016162412A1; HK1250253A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Receiver (1) zum Auffangen von konzentrierter (Sonnen-)Strahlung aus einem umliegenden Spiegelfeld. Der Receiver (1) besitzt einen Behälter (20) mit wenigstens einer Lichteintrittsöffnung (16) sowie einem Ein- und einem Auslass für ein Kühlmedium, vorzugsweise verdampfendes Metall. Im Behälter (20) sind Absorberkörper (15) vorgesehen, welche wenigstens bereichsweise schwarze Wände ausgebildet haben und hinter der Strahlungseintrittsöffnung (16) angeordnet sind, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie. Ausserdem sind im Behälter (20) Wärmespeicherelemente (9, 10, 22) als Hochtemperatur-Speicher (3) vorgesehen, die durch Kondensation aufgeheizt werden, zur Energieerzeugung in Abendstunden ohne Sonneneinstrahlung.

Description

Beschreibung

Gebiet der Erfindung [0001] Die Erfindung betrifft einen Receiver zum Auffangen von konzentrierter Strahlung, vorzugsweise Sonnenstrahlung aus einem Spiegelfeld, gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Stand der Technik [0002] Schon frühzeitig wurden Versuche gemacht, mit Spiegeln oder Brenngläsern 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, aus konzentrierter Strahlung in einem schwarzen Receiver erzeugten Wärme verlässlich umzugehen über eine dauerhafte Umwandlung in andere, insbesondere transportierbare Energieformen. Interessant ist die Umwandlung der erzeugten Wärme in elektrische Energie, aber auch der Einsatz als Prozesswärme und damit ist ggf. auch Synthese-Gas- oder Flüssig-Treibstoff-Erzeugung 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, wenn mit Gaskühlung gearbeitet wird.

[0004] Das hinsichtlich Effizienz anspruchsvollste Konzept integriert - wie im konventionellen Kraftwerksbau - den Energiefluss über eine Gas-Turbinenstufe, vorgeschlagen für die DLR-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 mit verfügbaren Receivern 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 voranzutreiben.

[0006] In einer traditionellen 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 erst bei ca. 600 °C instabil werden, sodass bis max. 570 °C auch ein Einsatz als Speichermedium eingeplant werden kann. Versuchsanlagen mit aufgeheizten Salzschmelzen sind für Temperaturen bis 520 °C ausgeführt, bis 570 °C geplant. Die erforderlichen Salzmischungen haben jedoch Erstarrungspunkte > 220 °C, was die erforderlichen Anlagen für die Speicherung sehr aufwendig macht.

[0008] Die US-Patentanmeldung Nr. 2006/0 174 866 beschreibt einen volumetrischen Hochtemperatur-Solarempfänger mit einer Kavität für die Absorption von Wärme, einem zweilagigen Fenster sowie einem Ein- und einem Auslass, welche mit der Kavität in Verbindung stehen. Zwischen den Fensterlagen ist ein Hohlraum vorgesehen, welcher einen Auslass zur wärmeabsorbierenden Kavität hat. Durch einen Einlass kann ein Fluid in den Hohlraum zwischen den Fensterlagen eingelassen werden, welches über den Auslass in die Kavität gelangt. Auf diese Weise kann die Temperatur am Fenster gering gehalten und eine Überhitzung vermieden werden. Durch eine Vielzahl von kleinen Fluideinlässen ist die wärmeabsorbierende Kavität mit einer hinter dieser angeordneten weiteren Kavität in Verbindung, in welcher ein Material hoher Speicherkapazität gelagert ist. Dadurch kann Energie auch dann produziert werden, wenn das Sonnenlicht für eine kurze Zeit nicht vorhanden ist. Der Wärmefluss zwischen den beiden Kavitäten ist unklar.

[0009] Ziel des US-Patents Nr. 3 981 151 ist es, den Ernteertrag von landwirtschaftlichen Pflanzen zu steigern, indem diese in der Nacht mit Licht beaufschlagt werden. Es wird ein Energieumwandlungssystem vorgeschlagen, in welchem Sonnenenergie auf ein Gitterwerk von feuerfesten Ziegeln fokussiert wird, welche dann einen durch das Gitterwerk gezogenen Luftstrom erhitzen. Der heisse Luftstrom wird dann durch einen Haufen Kieselsteine geleitet, welcher die Wärme speichert. Wenn Energie benötigt wird zu Zeiten, wenn die Sonne nicht scheint, wird Luft durch die Kieselsteine gezogen und einem Energiekonversionssystem, z.B. einer Dampf- oder Gasturbine, zugeführt, und dann in elektrische Energie umgewandelt. Damit können Pflanzen in der Nacht mit künstlichem Licht bestrahlt werden.

[0010] US 4 312 324 betrifft einen offenen Solarempfänger, welcher gegenüber Wind geschützt ist. Der Solarempfänger besteht aus einer Kavität, einem Einlass, einem in der Kavität angeordneten Wärmetauscher in Gestalt einer keramischen Honigwabenstruktur und einem kegelstumpfförmigen Konzentrator. Von einem Spiegelfeld reflektiertes Sonnenlicht wird auf den Wärmetauscher fokussiert, welcher dadurch aufgewärmt wird. Luft, welche im Kreislauf durch den Wärmetauscher und einen Wärmespeicher gezogen wird, erwärmt den Wärmespeicher auf ca. 1100 °C. Letzterer kann dann abgekoppelt werden und mit einer Gasturbine verbunden werden, um elektrische Energie zu gewinnen. Dieser Solarempfänger arbeitet offen, d.h. bei Atmosphärendruck, der Energietransfer zum Speicher kann daher nur langsam ablaufen.

[0011] US 4 401 103 beschreibt ein System bestehend aus einer Anordnung von Kollektoren, die dem Sonnengang folgen können, das empfangene Sonnenlicht konzentrieren und dann auf ein Ziel richten. Das System umfasst im Weiteren eine

CH 711 030 B1

Speicherkammer und eine Einrichtung, um ein Fluid zwischen dem Ziel und der Speicherkammer zu zirkulieren. Das ist Flüssig-Kühlung («Fluid») - wie dieses im Receiver arbeitet, bleibt unklar.

[0012] Die WO 2014/037 582 offenbart einen Receiver zum Auffangen von konzentrierter Sonneneinstrahlung aus einem umliegenden Spiegelfeld. Der Receiver besitzt einen Behälter mit wenigstens einer Lichteintrittsöffnung sowie einem Einund einem Auslass für ein Kühlmedium. Im Behälter ist ein Absorberkörpervorgesehen, welcher wenigstens bereichsweise als schwarzer Körper ausgebildet ist und aus einer Vielzahl von übereinandergeschichteten Speicherelementen besteht. Der Absorberkörper zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie ist hinter der Lichteintrittsöffnung angeordnet. Ausserdem sind im angekoppelten Behälter Wärmespeicherelemente als Hochtemperatur-Speichervorgesehen, die der Energieerzeugung in den Abendstunden, wenn die Sonne nicht mehr scheint, dienen. Der beschriebene Receiver hat den Vorteil, dass er hochkonzentrierte Sonnenstrahlung aufnehmen und die Wärme mittels Gasströmung durch die vorhandenen Kanäle abführen und so direkt benachbarte thermische Speicherelemente aufwärmen kann. Die in den Speichelementen gespeicherte Wärmeenergie kann dann, wenn die Sonne nicht mehr scheint, zum Betreiben beispielsweise einer Gasturbine verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung [0013] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den bekannten Stand der Technik so weiterzuentwickeln, dass die im Receiver erzeugte Wärme-Energie wesentlich konzentrierter abgeführt werden kann, was erlaubt, eine grössere Zahl Spiegel mit entsprechend mehr konzentrierter Strahlung auf einem Receiver umzuwandeln. Das erlaubt wesentlich leistungsfähigere, kompakte Anlagen.

Beschreibung [0014] Erfindungsgemäss wird die Aufgabe realisiert durch einen Receiver zum Auffangen von konzentrierter Strahlung aus einem umliegenden Spiegelfeld, umfassend

- einen Behälter mit wenigstens einer Strahlungseintrittsöffnung,

- im Behälter vorgesehene Absorberkörper, welche wenigstens bereichsweise schwarze Wände ausgebildet haben und hinter der Strahlungseintrittsöffnung angeordnet sind, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie,

- in den Absorberkörpern vorhandene Kanäle für die Durchleitung eines Wärmetransfermediums,

- einen einen Hochtemperatur-Speicher bildenden Aufnahmeraum für Wärmespeicherelemente, der eine Speicherzone definiert, und,

- im Aufnahmeraum vorhandene Wärmespeicherelemente, zur späteren Nutzung der gespeicherten thermischen Energie, die durch Wärmetauscher/Kondensatoren bei hoher Temperatur entnommen werden kann.

[0015] Erfindungsgemäss sind in den Kanälen einen Kühlkreislauf bildende Druckröhren vorhanden, die sich von den Absorberkörpern in den Aufnahmeraum erstrecken und in denen zwecks Ableitung der in den heissen Absorberkörpern absorbierten Wärme Flüssigmetall verdampfbar ist, und im Hochtemperatur-Speicher oder andern Verbrauchern kondensierbar ist.

[0016] Die absorbierte Wärme wird zweckmässigerweise gleichmässig und konzentriert abgeführt, mittels

- hochtemperaturbeständiger ummantelter Druckrohre, in denen Metall verdampft,

- Verbindungsrohre ähnlicher Art, die mindestens in engen Bögen mit flexible Ringen gepanzert sind,

- Rohrverbindungen, die ebenfalls gepanzert - nach dem Zusammenfügen - in angekoppelte Speicher reichen können, zur Wärmeabgabe durch Leitung oder Kondensation des Metalldampfes, je nach Temperatur- und Drucksteuerung.

[0017] Die Absorberkörper weisen zwecks Ableitung der Wärme von der Receiver-Oberfläche in die Kühlkanäle eine zweckmässige Geometrie auf, bei der die durch die Wärme sehr heissen, schwarzen Receiver-Bauteile (vorzugsweise carbidische Komposite) ringförmig um die Kühlungsrohre verteilt sind, sodass gleichmässig intensive HochtemperaturStrahlung auf die gepanzerten Druckrohre einwirkt. Dies hat den grossen Vorteil, dass die Wärme viel rascher von den Absorberkörpern wegtransportiert werden kann als bei Gaskühlung, sodass weniger die Gefahr besteht, dass sich die Absorberkörper lokal überhitzen. Ausserdem erlaubt das Metallverdampfungsprinzip einen Betrieb bei niedrigem Druck, da der Energietransfer durch die Aufnahme von Verdampfungsenergie und entsprechend - bei nahezu gleicher Temperatur - der Abgabe von Kondensationsenergie erfolgt.

[0018] In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Druckröhren mit hochtemperaturbeständigen Faserbündeln stabilisiert. Dadurch weisen die Druckröhren die Vorteile eines Verbundwerkstoffes auf, bei welchem unterschiedliche Werkstoffe mit spezifischen Werkstoffeigenschaften zu einem Werkstoff kombiniert werden, welcher alle Vorteile der kombinierten Werkstoffe aufweist. Die Faserbündeln bewirken, dass die Druckröhren sehr hohen Drücken und Temperaturen standhalten können.

[0019] Vorteilhaft sind die Druckrohre aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kompositwerkstoff (= CFC: carbon fiber carbon composite) hergestellt. Kohlenstofffaserverstärkte Komposite eignen sich besonders gut, da diese sehr hohen Temperaturen widerstehen können, wenn sie nicht wie bei üblichen CFC-Bauteilen mit Harzen verpresst sind, sondern mit Si/SiC gesintert oder eingeschmolzen sind.

CH 711 030 B1 [0020] Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Druckröhren einen Liner innerhalb der stabilisierenden Faserbündel. Dies hat den Vorteil, dass die Druckröhren innen eine metallische Beschichtung aufweisen, nämlich den Liner, dargestellt durch eine dünnwandigen Röhre, die metallurgisch dem innen verdampfenden (Leicht-)Metall widerstehen kann, jedoch keine Spannung zu ertragen hat, da ein solcher Liner voll durch das umgebende Komposite-Rohr abgestützt ist. Sollten die Faserbündel eine undichte Stelle aufweisen, so stellt der Liner eine weitere Abdichtung gegenüber dem verdampfenden Leichtmetall dar, welches in den Druckröhren geführt ist. Die im Absorberbereich erfolgende Metallverdampfung wird zur Kondensation in Zonen mit den Wärmespeicherelementen des angekoppelten Speichers und ggf. angeschlossenen Wärmetauschern genutzt.

[0021] Vorteilhaft umfassen die Druckröhren ein flexibles Geflecht oder Gewebe. Das Geflecht ist bevorzugt aus CFC hergestellt und lässt sich um den Liner wickeln. Das Wickeln kann rasch erfolgen und bewirkt durch das Überlappen des Geflechts wie bei einer Bandage eine verbesserte Stabilität nach dem Sintern.

[0022] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der Aufnahmeraum und der Behälter separate Bauteile sind, wobei die Druckröhren am Übergang des Behälters und des Aufnahmeraums verbindbar geteilt sind, wodurch erste und zweite Druckröhren gebildet sind. Der Behälter lässt sich von dem Aufnahmeraum abnehmen, wodurch ein rascher Zugang zu dem Aufnahmeraum, beispielsweise für Wartungszwecke, ermöglicht ist. Der Aufnahmeraum und der Behälter (Speicher) sind bevorzugt durch eine Flanschverbindung verbindbar.

[0023] Als vorteilhaft erweist es sich auch, wenn die Enden der ersten Druckröhren an dem Boden des Behälters angeordnet und bevorzugt in den Boden eingeschweisst sind. Der Boden des Behälters hält daher als Rohrboden, ähnlich wie bei einem Rohrbündelwärmetauscher, die Enden der ersten Druckröhren auf. Dies verleiht den ersten Druckröhren zusätzliche Stabilität und der Behälter lässt sich rasch mitsamt den ersten Druckröhren abnehmen.

[0024] Zweckmässigerweise sind die den Enden der zweiten Druckröhren an der dem Behälter zugewandten Stirnseite des Aufnahmeraums angeordnet und an die Enden der ersten Druckröhren anschliessbar. Die Enden der ersten und zweiten Druckröhren decken sich und lassen sich beispielsweise ineinanderstecken. Dadurch können die Röhrenenden automatisch miteinander verbunden werden, wenn der Behälter auf den Aufnahmeraum aufgesetzt wird. Denkbar ist es auch, dass die Enden der zweiten Druckröhren in die Deckplatte des Kondensators derart eingeschweisst sind, dass die Enden der ersten und zweiten Druckröhren im zusammengebauten Zustand fluchten.

[0025] Zweckmässigerweise sind die Speicherelemente kugelförmig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass bei den unvermeidlichen Temperaturschwankungen im Betrieb (bei wechselnder Sonnenstrahlung) eine Beweglichkeit der Speicherelemente erhalten bleibt, auch beim Aufbau (Einfüllen) der Speicherelemente sowie bei der Entsorgung schadhaft gewordener Elemente ist die Kugelhaufen-Bauart sehr vorteilhaft. Denn eine Demontage des ganzen Speicher-Receiver-Systems käme sonst einem Abriss gleich.

[0026] Um möglichst viel der einfallenden Strahlung auffangen zu können, hat der Absorberkörper vorzugsweise die Gestalt eines Trichters oder eines V-förmigen Körpers. Dabei kann der Trichter oder der V-förmige Körper bevorzugt aus einer Mehrzahl von Scheiben oder Segmenten aufgebaut sein. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass die Druckrohr-Wärmeleiter an den einzelnen Scheiben angebracht werden können. Zweckmässigerweise sind die Scheiben oder Segmente mit den Druckrohr-Wärmeleitern so verbunden, das diese umschlossen werden mit Abstandshaltern, sodass die Energie gleichmässiger durch Hochtemperaturwärmestrahlung übertragen werden kann. Die Druckröhren liegen folglich bevorzugt lediglich stellenweise oder punktuell an den Innenwänden der Kanäle an. Die Abstandshalter können als Ringsegment ausgeführt sein, welche über die Liner oder über die umwickelten Liner geschoben sind. Die Ringsegmente, welche die Aussenwände der Druckröhren bilden, können Erhebungen aufweisen, wodurch die Ringsegmente nur punktweise mit den umgebenden Receiver-Kanälen bzw. den Speicherelementen in Berührung kommen. Denkbar ist es auch, dass die Innenwände der Kanäle anstatt der Ringsegmente Erhebungen aufweisen.

[0027] Vorzugsweise sind die Druckrohr-Wärmeleiter wenigstens im Verbindungsbereich mit den Absorberkörpern ein Komposit, vorzugsweise aus Kohlefasern mit einer Kombination aus Si und SiC infiltriert. Darüber hinaus kann das Komposit in der Matrix des Geflechts oder Gewebes auch andere als Kohlefasern enthalten, z.B. SiC-Fasern.

[0028] Vorteilhaft weisen die Scheiben oder Segmente Öffnungen auf. Beim Übereinanderstapeln bilden die Öffnungen die Kanäle der Absorberkörper.

[0029] In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Kühlkreislauf des Receivers im Hochtemperaturbereich durch eine Vielzahl paralleler Druckrohre ausgeführt sein, die ausserhalb der Hochtemperatur-Speicherzone in einen Wärmetauscher/Kondensator münden, der als Heizung eines zweiten Kühlkreislaufes dient. Die durch den Kühlkreislauf aufgenommene thermische Energie wird hierdurch in optimierter Weise genutzt, indem sie entweder gespeichert wird oder sofort an einen zweiten Kühlkreislauf abgegeben wird.

[0030] In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kühlkreislauf des Receivers dadurch realisiert, dass das dampfförmige Flüssigmetall direkt an den Speichermedien kondensierbar ist. Das Flüssigmetall muss daher nicht vollständig in einem geschlossenen Kreislauf aus Druckröhren geführt sein, sondern kann auch in den Speicherbereichen direkt an die Speichermedien herangeführt werden und dadurch kondensieren.

CH 711 030 B1 [0031] Bevorzugt laufen im zweiten Kühlkreislauf endotherme Chemie-Reaktionen ab. Die kann beispielsweise eine carbothermische Zinkoxidreduktion sein. Die geerntete Wärme ist also beispielsweise nutzbar, um reines Zink herzustellen, was seinerseits bei der Herstellung von Wasserstoff eingesetzt werden kann.

[0032] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Absorberkörper eine Lichtfanggeometrie auf, die geeignet ist, einfallendes Licht durch Mehrfachreflexion an schwarzen Flächen einzufangen und in Wärme umzuwandeln. Hierdurch wird die Wärmeenergie nahezu vollständig von den schwarzen Wänden der Absorberkörper aufgenommen.

[0033] Wie bereits weiter oben beschrieben, ist es bevorzugt, wenn der Receiver einen Hochtemperatur-Speicher und einen an den Hochtemperatur-Speicher angrenzenden Speicher niedrigerer Temperatur aufweisen kann, und der Hochtemperatur-Speichervorzugsweise durch eine wärmeisolierte Wand vom Speicher niedrigerer Temperatur getrennt ist. Die geerntete Wärmeenergie kann durch diese Anordnung maximal genutzt werden. Dadurch ist die in den Speicherelementen des Hochtemperatur-Speichers gespeicherte Wärme für die spätere Entnahme, beispielsweise wenn die Sonne nicht scheint oder in der Nacht, gut isoliert.

[0034] Bevorzugt ist der zweite Kühlkreislauf für Dampferzeugung und Gas-chemische Reaktionen nutzbar. Der zweite Kühlkreislauf kann durch den Speicher niedriger Temperatur erwärmt werden. Der erzeugte Dampf kann zum Betrieb einer Gasturbine oder zum Ablauf von endothermen Reaktionen herangezogen werden. Ist kein Sonnenlichtzur Erwärmung des Speichers niedriger Temperatur vorhanden, so kann die Wärmeenergie aus dem Hochtemperatur-Speicher entnommen werden.

[0035] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Receiver in Ringform für konzentrierte, vertikale Sonnenstrahlung genutzt werden, indem eine Spiegel-Einrichtung die Sonnenstrahlung senkrecht in die Mitte des Receivers leitet. Bei dieser ringförmigen Anordnung der Absorberstapel, sind die V-förmigen Absorberstapel zur Mitte des Receivers geöffnet, um möglichst viel Sonnenlicht absorbieren zu können. Die ringförmige Absorberanordnung ermöglicht es auch, dass in den Ring Nuklearbrennelemente bzw. nukleare Strahlungskörper einfüllbar sind.

[0036] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der zweite Kühlkreislauf mittels einer Plungerpumpe mit Feststoff-Pellets aufgefüllt werden kann, die bei höherer Temperatur einschmelzen oder sich gas-/dampfförmig zersetzen. Hierdurch ist der erfindungsgemässe Receiver geeignet, endotherme chemische Reaktionen umzusetzen oder Metalle zu schmelzen.

[0037] Zweckmässigerweise weist der zweite Kühlkreislauf im oberen Bereich des Niedertemperatur-Speichers wenigstens einen Auslass auf, der zu einer Kühl-/Kondensationsstrecke führt, welche eine Separationseinrichtung zur Gas-Flüssigtrennung und eine anschliessende Abgiesseinrichtung zur Gewinnung des erzeugten Metalls aufweist. Hierdurch lassen sich bei chemischen Reaktionen entstehende Gase und Metallschmelzen einfach separieren und getrennt weiternutzen.

[0038] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der zweite Kühlkreislauf im heissen Reaktionsbereich mit Katalysatoren ausgerüstet ist, die in weiteren Wärmetauschern Heissgas-Synthesen fördern. Die Katalysatoren können zur Herstellung diverser Kohlenwasserstoffe herangezogen werden oder z.B. die Reaktionstemperatur senken für carbothermische Prozesse, durch z.B. Metallkarbonyl oder Ce-/Fe-Oxid oder Nickeloxid-Interaktionen.

[0039] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung überführen die Druckröhren im Tagesbetrieb Wärmeenergie in den Hochtemperatur-Speicher. Hierdurch kann die in dem Hochtemperatur-Speicher gespeicherte Wärmeenergie nach Ende der Sonneneinstrahlung zum Direktbetrieb einer Gasturbine in Spitzenlastzeiten auf Abruf dienen, indem der erste Receiver-Loop weitergeführt wird und dann im Hochtemperatur-Speicher zur Verdampfung führt. Ebenso kann eine endotherme chemische Reaktion in den Abend ausgedehnt werden.

[0040] In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Druckröhren Faserbündel aus Faserband auf, welches mit einem Binder beschichtet ist und um die Druckröhren gerollt ist. Das Faserband ist mit dem Binder vorimprägniert. Sobald es um den Liner gewickelt ist, kann das Faserband ausgehärtet werden, beispielsweise, indem es mit einer elektrischen Induktionsheizung gesintert wird. Dadurch ist eine rasch herstellbare, stabile und temperaturbeständige Ummantelung für die Druckröhren herstellbar. Zweckmässigerweise sind die Druckröhren mit dem Binder, bevorzugt Siliziumcarbid, flüssigphasengesintert, um ein möglichst homogenes Gefüge herzustellen.

[0041] In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Druckröhren mit kohlenstofffaserverstärkten Kompositwerkstoff(CFC)-Ringen umgeben, insbesondere an zusammengeschweissten Verbindungszonen. Dadurch entsteht eine stabile und rasch herstellbare Verbindung am Übergang zweier Druckröhren. Die Stabilität kann dadurch erhöht werden, dass die Verbindungszonen mit dem Faserband und einem darüber angeordneten CFC-Ring verstärkt ist.

[0042] Bevorzugt sind in den Absorberkörpern im Wesentlichen vertikale Kanäle für die Durchleitung eines Kühlmediums oder die Aufnahme der Druckröhren-Wärmeleiter vorhanden. Die Druckröhren-Wärmeleiter erlauben die rasche Abführung der durch die Absorberkörper aufgenommenen Wärmeenergie mittels Metallverdampfung. Der erfindungsgemässe Receiver hat den grossen Vorteil, dass dieser hochkonzentrierte Strahlung aufnimmt und die Wärme so durch die vorhandenen Kanäle in den Absorberkörpern abführen kann und beispielsweise direkt benachbarte thermische Speicherelemente aufwärmen kann. Die Speicherelemente können im selben oder einem benachbarten Behälter vorhanden sein. Die gespeicherte Wärmeenergie kann dann, wenn die Sonne nicht mehr scheint, zum Betreiben beispielsweise einer Gasturbine oder zur Umsetzung einer endothermen chemischen Reaktion verwendet werden.

CH 711 030 B1 [0043] Diese und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die nicht einschränkende Beispiele darstellen, die auf die in den nachfolgenden nicht massstabsgetreuen Zeichnungen Bezug nehmen:

Fig. 1 Zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Receivers mit einem ringförmigen Absorberstapel, der zwecks Ableitung der Wärmeenergie mit einer Mehrzahl von Druckrohr-Wärmeleitern verbunden ist, die in den Hochtemperatur-Speicher des Receivers reichen. Der Ring ist so weit auszuführen, wie die Einstrahlung aus einem seitlich aufgestellten Spiegelfeld es erfordert. Bei einer zentralen Strahlungsquelle (z.B. durch eine sog. «Beam-down»-Spiegeleinrichtung) können die Absorberstapel auch ringförmig mit Öffnung nach innen angeordnet werden. Die Druckrohr-Wärmeleiter sind dann nach aussen wegzuführen, zu den jeweils geplanten Nutzern der Energiequelle.

Fig. 2 Zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Receivers, bei dem V-förmige, vertikal gestapelte Absorberkörper die Strahlung empfangen und die in den Kühlkanälen erfolgende Metall-Verdampfung erlaubt, die Druckrohr-Wärmeleiter sind dann verbunden mit einem Hochtemperatur-Speichertank (oder mehreren, je nach Bedarf der «Verbraucher»: «I» + «III»).

Fig. 3 Zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel eines kompakten Receivers, bei dem ein Hochtemperatur-Speichertank über einen Wärmetauscher mit einem Bereich für diverse Anwendungen verbunden ist («I—II—III—IV»). Dort können in verschiedenen Temperaturzonen Wärmetauscher/Kondensatoren eingebaut werden, die das thermodynamische Gefälle optimal ausnutzen.

Fig. 4 Zeigt zur weiteren Erläuterung symbolisch einen Receiver in Seitenansicht mit einer Strahlungsquelle innen.

Fig. 5 Zeigt einen Seitenschnitt durch einen Druckrohr-Wärmeleiter mit einem Aufbau mit innenliegendem Liner und umschliessendem CFC-Komposit im Bereich eines Rohrbodens. Das Komposit kann durch Wickeln («wrap») oder vorgefertigte Ringsegmente hergestellt werden, das bei Temperaturen von über 1000 °C ein Kriechen des dünnwandigen inneren Liners verhindert. Insbesondere im Bereich von Verbindungen solcher Röhren können auch beide Versionen übereinander eingesetzt werden («wrap» plus Ringe).

Fig. 6 Zeigt einen Schnitt an der Stelle Vl-Vl des Druckrohr-Wärmeleiters aus Fig. 5.

Beschreibung der Figuren im Detail mit Bezug auf die Legende [0044] In Fig. 1 ist ein Receiver 1 gezeigt, dessen wesentliche Komponenten Druckrohr-Wärmeleiter als MetallsiedeKanäle 2 sind, die mittels geschwungener Anschluss-Druckrohre 21 in ähnlicher Bauart in einen Hochtemperatur-Speicher 3 führen. Ein V-förmiger schwarzer Absorberkörperstapel 15 liegt hinter einem zylindrisch gewölbten Fenster 16. Der Hochtemperatur-Speicher 3 ist in einem zylindrischen Behälter 20 untergebracht, an dessen oberer Stirnseite der Receiver 1 mit in den Boden des Receiver-Doms 27 eingeschweissten Anschluss-Druckrohren 21 angeordnet ist. Die einfallende Strahlung 6 wird zunächst durch Vorkonzentratoren 7 weiter verdichtet, sodass nach aussen ein vollständiges Absorptionsfeld für die Strahlung gebildet wird. Diese wird dann innen an den schrägen Wänden des V-förmigen Absorberkörpers 15 mehrfach reflektiert, und die Wärmeenergie so fast vollständig von den schwarzen Wänden des Absorberkörpers aufgenommen. Um die Wärmeenergie möglichst rasch und effizient in den Hochtemperatur-Speicher abführen zu können, sind in den Absorberkörpern 15 erfindungsgemäss eine Mehrzahl von Druckrohr-Wärmeleitern in den Positionen 2 eingebaut, in denen bei geeigneter Druckführung Flüssigmetall siedet, vorzugsweise Leichtmetall-Mischungen, die oberhalb 900 °C bei geringem Druck sieden. Es können auch enge Vorheizkanäle 14 im Absorberkörper untergebracht werden, was Rohrzuleitungen ausschliesslich von oben ermöglicht.

[0045] In Fig. 2 ist der Receiver 1 in Seitenansicht dargestellt. Die Bodenseite des Receiver-Doms 27 nimmt als Rohrboden die Druckrohr-Wärmeleiter 21 auf, die obere Stirnseite des Hochtemperatur-Speichers 3 hat korrespondierende Anschlüsse für die an der Bodenfläche des Receivers eingeschweissten Druckrohre für den zugeleiteten Metalldampf aus dem Siedeprozess. Die durch den Speicher führenden Verlängerungen der Druckrohr-Wärmeleiter können Wärme abgeben mittels Wärmeleitung oder Kondensation an den Wänden der Druckrohre. Ein Teil der zugeführten Wärmeenergie kann auch in darunter liegenden Kondensator/Wämetauscher-Einheiten («I» + «III») in einem optimierten thermodynamischen Gefälle genutzt werden. Es gibt diverse Anwendungsmöglichkeiten, die später im Detail erwähnt werden.

[0046] Die Druckrohr-Wärmeleiter 2, 21 sind aus kohlenstofffaserverstärktem Komposit (= CFC: carbon fiber carbon composite) hergestellt, und weisen somit gleichzeitig eine extrem hohe Temperaturbeständigkeit und eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aus. Die Druckrohr-Wärmeleiter 2, 21 sind vorzugsweise als Stränge oder Röhren ausgebildet, die in den keramischen Hochtemperatur-Speicher 3 reichen und dort die Wärmeenergie direkt durch Kondensation oder indirekt durch Kontakt der Druckrohr-Wärmeleiter 2,21 und Strahlung/Gas-Konvektion an Speicherelemente 9,10 abgibt. Die in den vorzugsweise kugelförmigen Speicherelementen gespeicherte Wärmeenergie kann dann zeitversetzt, wenn keine Strahlung in die Receiver vorhanden ist, wieder zur Produktion von elektrischer Energie oder chemischer Prozesstechnik verwendet werden, indem beispielsweise der Flüssigmetallumlauf bei nachlassender Strahlung weiterbetrieben wird. Dann wird

CH 711 030 B1 die Verdampfungs- und Überhitzungszone in die noch heissen Bereiche im Receiver-Behälter und dem HochtemperaturSpeicher verlagert. So kann auch beispielsweise bei niedrigem Sonnenstand die noch eintretende, verringerte Strahlung genutzt und dennoch fortlaufend bei gleicher Kondensations-Temperatur gearbeitet werden, bis auch der Hochtemperatur-Speicherbereich bis in den Übergang zu den «Verbrauchern» (I + Il + III + IV) sinkende Temperaturen aufweist. In dem Hochtemperatur-Kondensator «1» kann daher wesentlich länger, als es nach Sonnenstand möglich wäre, gearbeitet werden. In dieser Fig. 2 ist als «Verbraucher» nur ein Kondensator «1 » gezeigt, der in Druckröhren eines geschlossenen Gasturbinen-Zyklus das vom Kompressor gelieferte Gas aufheizt und damit die Gasturbine antreibt. Die Abwärme der Gasturbine kann auch in einem Dampferzeuger «III» genutzt werden, was einen Turbinen-Kombibetrieb ermöglicht. Die Figuren zeigen diese erfindungsgemässen Möglichkeiten, ohne jedoch alle diesbezüglichen Details zu zeigen, auch eine Kompaktanlage im sog. Cheng-Zyklus ist möglich, wobei die Gasturbine mit einem Gemisch aus z.B. Stickstoff-Wasserdampf betrieben wird.

[0047] Fig. 3 zeigt den Prinzip-Aufbau einer Anlage, die in einem umgebenden, zylindrischen Speichertank 4 einen vollständigen Kreislauf für diverse chemische Produkte ermöglicht, jeweils optimiert nach den erforderlichen Temperaturspannen. «Verbraucher» sind dann «I» + «II» + «III» + «IV», als Beispiel ist eine Anlage für den erwähnten «ZnO + C-Reduktionsprozess nur symbolisch dargestellt, da sie für die Ansprüche aus dieser Patentschrift nicht wesentlich sind. Die wesentlichen Schritte dieses Prozesses sind bekannt und veröffentlicht, die Aufheizung mittels Solarenergie durch den Kondensator aus dem Metall-Kreislauf 5 in Fig. 2 ist in dieser Kombination jedoch neu. Sowohl der erste HochtemperaturSpeicher 3 als auch der zweite Niedertemperatur-Speicher 4 bilden Behälter 20, die den inneren Hochtemperatur-Speicher 3 und den Niedertemperatur-Speicher 4 umschliessen. Die Behälter für 3 und 4 sind mit keramischen Speicherkugeln 9, 10 gefüllt, die die aus den Druckrohr-Wärmeleitern 21 in den inneren Hochtemperatur-Speicher 3 im Behälter 20 austretende Wärme aufnehmen und speichern können.

[0048] Fig. 4 zeigt Ansichten möglicher Ausführungen der Strahlungsführung. Details der Druckröhren-Wärmeleiter sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Als Strahlungskonzentration ist statt des sektionierten Vorheiz-Bereichs 14 auch eine sog. «Beam-down»-Spiegeleinrichtung denkbar: In diesem Fall ist die Strahlungsquelle in der Mitte und die Absorberstapel 15 sind entsprechend nach innen geöffnet. Die Druckrohr-Wärmeleiter 21 können dann sternförmig nach aussen weggeführt werden. Erfindungsgemäss entscheidend ist, dass die in den schwarzen Absorberstapeln erzeugte konzentrierte Wärme durch Metallsieden auch konzentriert abgeführt wird (Metallkreislauf 5). Dies erlaubt eine kompakte, hocheffiziente Auslegung. Als Strahlung kann in Sonnenschein-benachteiligten Gebieten auch ein Kugelhaufen aus Nuklearbrennelementen eingefüllt werden, der dann ohne Weiteres unterirdisch betrieben werden kann. Alles läuft unter Schutzgas und somit besteht keine Brandgefahr für heisse CFC-Bauteile oder den (Leicht-)Metall-Kreislauf 5.

[0049] Fig. 4 zeigt vorzugsweise Ausführungen eines Receivers für die gesamte Anlage bei Einstrahlung in der Mitte einer Absorberstapel-Anordnung 26. Ausführungen für die Druckrohr-Wärmeleiter 21 mit innenliegendem Liner 23, stabilisiert mit CFC-Umwicklung «wrap» 24 und ggf. CFC-Ringen 25, sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Die Ringe 25 können so gestaltet sein, dass sie nur punktweise mit den umgebenden Receiver-Kanälen 2 bzw. Kugelspeicherelementen 22 in Berührung kommen.

[0050] Im Beispiel einer Anlage gemäss den Fig. 3 und 4 für carbothermische ZnO-Reduktion (ZnO + C > Zn-Dampf + CO) ist im Niedertemperatur-Speicher 4 ein Kühlkreislauf vorgesehen, in dessen Leitungen eine Kondensation des in diesem Reaktionszyklus erzeugten Zink-Dampfes erfolgt, sodass das Metall flüssig abgezogen werden kann und somit vom CO-Gas getrennt wird. Weitere Schritte des chemischen Prozesses, insbesondere auch die CO-Nutzung, sind nicht Gegenstand dieser Patentschrift, jedoch ist auch hier die aus dem Solarwärme-Metalldampf-Kondensator bezogene Heizenergie und die Prozessführung über Druck- und Temperatur-Steuerung eines kontinuierlichen Loops als Zn-Metall-Mix, angetrieben von einer Plungerpumpe 8, die die Ausgangsprodukte, vorzugsweise in vorgepressten Pellets, zuführt. Diese Ausführung mit kontinuierlicher Abtrennung des produzierten Flüssigzinks und des CO-Gases sind neu.

[0051] Die in den Fig. 1,2, 3, 4 gezeigten Kondensatoren und Wärmetauscher mit verschiedenen, möglichen Kühlkreisläufen (Loops) sind geeignet für Druckrohre als Gasturbinen-Heizkammer, aber auch als Reaktionsräume für diverse andere chemische Reaktionen mit endothermischer Energiebilanz, nur als Beispiel ist ZnO + C > Zn + CO gezeigt. Hieraus ergeben sich folgende, nicht erschöpfend aufgezählte Anwendungen:

1. Anwendung für CSP (Konzentrierte Solarwärme für Elektro-Energieerzeugung) [0052] Diese Anwendung kann mittels eines Druckgaskreislaufs im an den Hochtemperatur-Speicherbereich 3 angekoppelten Kondensator/Wärmetauscher «1» eine schnell startende Gasturbine betreiben. Voraussetzung ist dabei, dass der Speicherbereich 3 bei Sonnenschein über die Kohlefaser stabilisierten Druckröhren-Wärmeleiter mittels überhitztem Metalldampf durch Kondensation aufgeladen wird. Auf Abruf kann Flüssigmetall im Receiver-Kreislauf und dem anschliessenden Hochtemperatur-Speicher 3 verdampft werden, um dann im Kondensator 1 auch ohne Strahlung von aussen das vom Kompressor der Gasturbine gelieferte Schutzgas auf die Kondensationstemperatur zu bringen, sodass der Speicher zur «Brennkammer» der Gasturbine wird! Diese kann erfindungsgemäss - abgekoppelt vom Metall7Dampf-Kreislauf auch als Reservekapazität jederzeit für Schnellstarts genutzt werden, wenn fossile Brennstoffe vorrätig gehalten werden und in einer kompakten Brennkammer der Gasturbine verbrannt werden, gemäss Stand der Technik. Erfindungsgemäss steht diese Kapazität so lange zur Verfügung, bis die Störung im regionalen Netz behoben ist. Bevorzugt kann auch in diesem Betriebszustand die Abwärme der Gasturbine zur Dampferzeugung in Aggregat «IV» dienen, mit der Möglichkeit,

CH 711 030 B1 durch Dampfinjektion mittels einer Dampfstrahlpumpe den Gasdruck zu erhöhen und die Turbine im sog. Cheng-Cycle zu betreiben. Mit einer vorhandenen Dampfturbine kann auch ein kompaktes «Kombi-Kraftwerk» betrieben werden, je nach lokalem Bedarf.

2. Anwendung HT-Ofenkühlung (Wärmequelle meist elektrisch) [0053] Das Prinzip, einen Hochtemperatur-Receiver durch Kohlefaserbündel stabilisierte Druckröhren-Wärmeleiter mittels Metallverdampfung zu kühlen, kann auch zur verbesserten Abwärmenutzung bei Hochtemperatur-Ofenprozessen verwendet werden. Der Ofenraum liegt dann in der Mitte, umgeben von den Receiver-Absorberstapeln, die die Wärme an Speicher abgeben, zur Nutzung auf Abruf (= wertvolle Spitzenzeit-Energieerzeugung).

3. Anwendung für Kernstrahlungs-Receiver mit kompakter Umwandlung in Wärmeenergie (auch für chemische Prozesswärme) bei Temperaturen um 1000 °C [0054] Bei dieser Anwendung ist die Strahlungsquelle durch die im Receiver eingefüllten, strahlenden Kugeln dargestellt. Diese reagieren entsprechend der nuklearen Prozesssteuerung, der Effekt ist derselbe wie bei Sonneneinstrahlung (die tatsächlich auch eine nukleare Strahlung ist, aber von der Atmosphäre gefiltert, die energieintensiven harten Strahlungsanteile fehlen!). Als verdampfendes Metall wird aus nukleartechnischen Gründen vorzugsweise Natrium einzusetzen sein, über den Druck sind auch Temperaturen > 1000 °C darstellbar!

4. Anwendung für Prozesswärmenutzung [0055] Hier ist im Detailbeispiel der Prozess für die «ZnO + C = Zn + CO, dann Zn + H20 = ZnO + H2'»-Reaktion genannt, wie gezeigt in Fig. 3.

[0056] Die Reaktion läuft in einem separaten Loop, angetrieben von einer Plungerpumpe 8, die Pellets mit den Ausgangsstoffen über eine Zufuhr 28 zuführt, der endotherme Prozess mit Gas-/Dampfentwicklung wird durch die Kondensationszone der Kühlungs-Druckröhren beheizt. Im aussenliegenden Nebenspeicher findet die Kondensation des erzeugten Zinks statt sowie die Abtrennung des entstandenen CO-Gases. Diese steht für weitere Prozesse zur Verfügung, vorzugsweise zu «Wassergas-Shift-Reaktion» zur Erzeugung von Wasserstoff, der vorzugsweise mit weiterem CO zu CH3OH (Methanol) reformiert wird und so einen wertvollen Treibstoffzusatz für mobilen Einsatz ergibt.

[0057] Das erzeugte Zink wird an der Zn-Abnahme 29 abgenommen und kann leicht transportiert werden und am Einsatzort (vorzugsweise Standorte mit ungünstiger Sonneneinstrahlung und starker Luftverschmutzung durch Kohleheizungen) mit Wasserdampf zu Wasserstoff umgesetzt werden. Dieser verbrennt in Brennstoffzellen oder dezentralen Kompakt-Gasturbinen/Wasserstoff-Motoren am Verbrauchsort unter Abgabe von Elektro-Energie + Wärme für Stadtheizung, auf Abruf vom Betreiber. Das entstehende ZnO kann dann zum Start-Prozess im Kreislauf zurückgeführt werden.

[0058] Im mittleren Ring des unter Hochtemperatur anschliessenden Kondensators liegen die Kühl-/Reaktionsrohre mit aufstrebendem, verdampfendem Flüssig-Zink. Durch die Turbulenz und vorzugsweise eingesetzte Katalysatoren - in den Pellets beigemischtes Ce-Fe-Oxid oder organische Bestandteile den Pellets eingepresst oder metallisch in den Wänden angebracht-ergibt sich intensive Reaktion (auch durch parallele CO-Entwicklung). Es ergibt sich erfindungsgemäss eine beträchtliche Leistungsintensität der Produktion.

[0059] Im äusseren Ringraum dieses chemischen Produktions-Kreislaufs sind die Kühlrohre, die das Zn/CO-Dampfgemisch zum Teil kondensieren, bei Kühlung im Gegenstrom mit ca. 400-500 °C warmem Umlaufgas.

[0060] Die Restwärme, insbesondere aus der Zink-Kondensation, kann ggf. in Gas- und Dampfturbinen genutzt werden, vorzugsweise nach Erlöschen der chemischen Reaktionen nach Sonnenuntergang, wenn die Speicher noch Gas-/Dampf von bis zu 1000 °C abgeben können.

Legende [0061]

Strahlungs-Receiver mit Druckröhren-Metallsiedekühlung

Kohlefaser (CFC) stabilisierte Druckröhren-Wärmeleiter

Hochtemperatur-Speicherbereich

Niedertemperatur-Speicherbereich

Metall/Gas-Kühlungskreislauf

Strahlungseintritt zyl. Behälter

Vorkonzentratoren-Strahlung

Flüssigmetall-Plungerpumpe

CH 711 030 B1

Keramik-Speicherkugeln, Standardwerkstoffe

Keramik-Speicherkugeln aus diversen Hochtemperatur-Werkstoffen

Kohlenmonoxid-Zinkdampf Blasen

Keramikwand mit Hochisolierwolle

Sektionierte Kühlkondensator

Sektionierter Vorheiz-Bereiche

Vertikal-V-förmiger Absorberstapel

Gewölbtes Fenster hinter Vorkonzentrator

Bodenplatte des Receivers mit eingeschweissten Druckrohrenden und Dichtung

Deckplatte des Speichers/Kondensators, eingeschweisste Druckrohrenden

Trennung CO-Gas von Flüssigmetall(en)

Hochtemperatur-Speicherwand mit Hochisolierwolle als Turm ausgeführt

Hochtemperatur-Druckrohrbögen im Receiver-Dom

Hochtemperatur-Speicherkugeln, Druckrohrbögen stabilisierend

Manschette aus warmfester Metall-Legierung, innen Liner eingeschweisst

CFC-Kohlefaserbündel als «wrap»

CFC-Ringe zur Stabilisierung des innenliegenden Druckrohres

Receiver-Anordnung für Strahlungseinfall in der Mitte der Absorberstapel

Behälter, Receiver-Dom

Zn-Abnahme

ZnO-Zufuhr

Claims

Patentansprüche

1. Receiver (1) zum Auffangen von konzentrierter Strahlung umfassend

- einen Behälter (27) mit wenigstens einer Strahlungseintrittsöffnung (16),

- im Behälter (27) vorgesehene Absorberkörper (15), welche wenigstens bereichsweise schwarze Wände ausgebildet haben und hinter der Strahlungseintrittsöffnung (16) angeordnet sind, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie,

- in den Absorberkörpern (15) vorhandene Kanäle für die Durchleitung eines Wärmetransfermediums,

- einen einen Hochtemperatur-Speicher (3) bildenden Aufnahmeraum (20) für Wärmespeicherelemente, der eine Speicherzone definiert, und

- im Aufnahmeraum (20) vorhandene Wärmespeicherelemente (9, 10), dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanälen einen Kühlkreislauf bildende Druckröhren (2) vorhanden sind, die sich von den Absorberkörpern (15) in den Aufnahmeraum (20) erstrecken und in denen zwecks Ableitung der in den heissen Absorberkörpern absorbierten Wärme Flüssigmetall verdampfbar ist und im Aufnahmeraum (20) zur Erwärmung der Wärmespeicherelemente (9, 10) oder in andere Verbraucher kondensierbar ist.
2. Receiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckröhren (2) mit hochtemperaturbeständigen Faserbündeln (24) stabilisiert sind.
3. Receiver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturbeständigen Faserbündel (24) aus kohlenstofffaserverstärktem Kompositwerkstoff hergestellt sind.
4. Receiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckröhren (2) einen Liner (23) innerhalb der stabilisierenden Faserbündel (24) umfassen.
5. Receiver nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel (24) aus einem wickelbaren, flexiblen Geflecht oder Gewebe hergestellt sind.

CH 711 030 B1
6. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (20) und der Behälter (27) separate Bauteile sind, wobei die Druckröhren (2) am Übergang des Behälters (27) und des Aufnahmeraums (20) verbindbar geteilt sind, wodurch erste und zweite Druckröhren gebildet sind.
7. Receiver nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der ersten Druckröhren an dem Boden (17) des Behälters (27) angeordnet und bevorzugt in den Boden (17) eingeschweisst sind.
8. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherelemente (9, 10, 22) kugelförmig ausgebildet sind.
9. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Absorberkörper (15) die Gestalt eines Trichters oder eines V-förmigen Körpers hat.
10. Receiver nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trichter oder der V-förmige Körper aus seiner Mehrzahl von Scheiben oder Segmenten aufgebaut ist.
11. Receiver nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben oder Segmente mit den Druckröhren (2) verbunden sind.
12. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckröhren (2) stellenweise oder punktuell an den Innenwänden der Kanäle anliegen.
13. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Innenwände der Kanäle oder die Aussenwände der Druckröhren (2) Erhebungen aufweisen.
14. Receiver nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff als Binder eine Kombination aus Si und SiC aufweist, welcher Binder in der Matrix des Geflechts oder Gewebes aufgenommen ist.
15. Receiver nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben oder Segmente Öffnungen aufweisen.
16. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf des Receivers (1) im Hochtemperatur-Speicher (3) durch eine Vielzahl paralleler Druckrohre ausgeführt ist, die ausserhalb des Hochtemperatur-Speichers (3) in einen Wärmetauscher/Kondensator (5) münden, der als Heizung eines zweiten Kühlkreislaufes dient.
17. Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf des Receivers (1) dadurch realisiert ist, dass das dampfförmige Flüssigmetall direkt an den Wärmespeicherelementen (9, 10, 22) kondensierbar ist, indem das Flüssigmetall direkt an die Wärmespeicherelemente heranführbar ist.
18. Receiver nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Kühlkreislauf endotherme Chemie-Reaktionen ablaufen können.
19. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberkörper (15) eine Lichtfanggeometrie aufweisen, die geeignet ist, einfallendes Licht durch Mehrfachreflexion an den schwarzen Wänden einzufangen und in Wärme umzuwandeln.
20. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver (1) einen Hochtemperatur-Speicher (3) und einen an den Hochtemperatur-Speicher (3) angrenzenden Niedertemperatur-Speicher (4) aufweist, und der Hochtemperatur-Speicher (3) durch eine wärmeisolierte Wand vom Niedertemperatur-Speicher (4) getrennt ist.
21. Receiver nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf für Dampferzeugung und Gas-chemische Reaktionen nutzbar ist.
22. Receiver nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver (11) für konzentrierte, vertikale Sonnenstrahlung genutzt werden kann, indem eine Spiegel-Einrichtung (26) die Sonnenstrahlung senkrecht in die Mitte des Receivers (11) leitet und in dem die Absorberkörper (15) ringförmig angeordnet sind.
23. Receiver nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver (1) eine Plungerpumpe umfasst und der zweite Kühlkreislauf (5) mittels der Plungerpumpe mit Feststoff-Pellets aufgefüllt werden kann, die bei höherer Temperatur einschmelzen oder sich gas-/dampfförmig zersetzen.
24. Receiver nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (5) im oberen Bereich des Niedertemperatur-Speichers (4) wenigstens einen Auslass aufweist, der zu einer Kühl-/Kondensationsstrecke führt, welche eine Separationseinrichtung zur Gas-Flüssigtrennung und eine anschliessende Abgiesseinrichtung zur Gewinnung des erzeugten Metalls aufweist.
25. Receiver nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (5) im heissen Reaktionsbereich mit Katalysatoren ausgerüstet ist, die in weiteren Wärmetauschern Heissgas-Synthesen fördern.
26. Receiver nach einem der Ansprüche 4 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbündel (24) aus Faserband sind, das mit Binder beschichtet ist und um den Liner (23) gerollt ist.

CH 711 030 B1
27. Receiver nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckröhren (2) mit dem Binder, bevorzugt Siliziumcarbid, flüssigphasengesintert sind.
28. Receiver nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckröhren (2) mit kohlenstofffaserverstärkten Kompositwerkstoff-Ringen (25) umgeben sind, insbesondere an zusammengeschweissten Verbindungszonen.
29. Verwendung eines Receivers (1) gemäss einem der Ansprüche 22 bis 28 zur Nutzung von nuklearer Energie, indem in dem durch die ringförmig angeordneten Absorberkörper (15) gebildeten Aufnahmeraum nukleare Strahlungskörper eingefüllt sind.

CH 711 030 B1

CH 711 030 B1