CH713765A1 - Verfahren zum Betrieb eines Receivers und Receiver zur Ausführung des Verfahrens. - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Receivers (25) mit einem Erwärmungsbereich (26) für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung (29) für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich (26) hindurch, wobei im Erwärmungsbereich (26) eine optische Öffnung (3) für Sonnenlicht (4) und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts (4) angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber (27) vorgesehen ist, und wobei der Receiver (25) bevorzugt als räumlicher Receiver (25) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, und dass die Betriebsparameter des Receivers (25) derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während des Transports durch den Erwärmungsbereich (26) durch Absorption der Strahlung (32) des Absorbers (27) derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T 3 – T 2 ) durch Absorption vor dem Absorber (27) gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T 4 – T 2 ) durch die Absorption und Konvektion am Absorber ≥ 0,3 ist.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers und einen Receiver zur Ausführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6, sowie ein Herstellverfahren für einen Receiver nach dem Oberbegriff von Anspruch 18.

[0002] Receiver werden in Solarkraftwerken eingesetzt. Sie fangen die konzentrierte Sonnenstrahlung auf und erwärmen dadurch ein Wärme transportierendes Medium, über welches die gewonnene Wärme in einem nachfolgenden technischen Prozess verwertet wird, sei dies über die Umwandlung in mechanische Arbeit, beispielsweise durch den Antrieb von Turbinen, für die Ausführung von Wärme benötigenden Prozessen in der Industrie oder für die Heizung, beispielsweise die Fernheizung von bewohnten Gebieten.

[0003] In Solar-Turmkraftwerken werden im Wesentlichen räumlich ausgebildete Receiver eingesetzt, die für hohe Temperaturen geeignet sind, wie sie beispielsweise bei einer Konzentration von 500 Sonnen, 1000 Sonnen oder mehr erreicht werden. Solche Temperaturen liegen in der Regel über 500 °C, reichen von 800 °C bis 1000 °C und darüber, und können in naher Zukunft den Bereich von 1200 °C bis 1500 °C erreichen. Solche Receiver können, allerdings in kleinerem Massstab, auch bei Dish-Konzentratoren verwendet werden. Als räumliche Receiver werden vorliegend Receiver bezeichnet, deren Abmessungen in alle drei Dimensionen vergleichbar gross sind, im Gegensatz zu rohrförmigen Receivern, die in Verbindung mit Trough- oder Rinnen -Kollektoren verwendet werden. Solche rohrförmigen Receiver besitzen eine Dimension, die Länge, die ein Vielfaches, im Bereich des Zehn- oder Hundertfachen oder mehr der Querschnittsabmessungen Breite bzw. Höhe beträgt. Receiver für Rinnenkollektoren sind nicht für die oben genannten Temperaturen ausgebildet, da der rinnenförmige Konzentrator in Bezug auf den Receiver in zwei Dimensionen konzentriert, das Feld der Heliostaten bei einem Turmkraftwerk oder ein Dish-Konzentrator jedoch in drei Dimensionen.

[0004] Unter anderem sind Volumetrische Receiver bekannt, die auch für Solar-Turmkraftwerke geeignet sind, wobei sich in solchen Receivern die geforderten Temperaturen von mehr als 500 °C, oder mehr als 1000 °C, beispielsweise von 1200 °C bis 1500 °C erreichen lassen. Allerdings führen die hohen Betriebstemperaturen zu erheblichem konstruktivem Aufwand.

[0005] Volumetrische Receiver besitzen eine ausgedehnte Absorberstruktur, die beispielsweise aus einem voluminösen Drahtgeflecht oder einem offenporösen Keramikschaum bestehen kann. Die konzentrierte Sonnenstrahlung dringt dann in das Innere der Absorberstruktur ein und wird dort absorbiert. Das Wärme transportierende Medium wie Luft oder ein geeigneter Reaktionspartner für einen nachfolgenden Reaktor wird durch die offenporöse Absorberstruktur hindurch geleitet und nimmt so mittels erzwungener Konvektion an der offenporösen Absorberstruktur Wärme auf. Die Absorberstruktur kann auch aus einer Röhrenstruktur, einer in die Tiefe gestaffelten Gitterstruktur oder einer an sich beliebigen Struktur mit grosser Oberfläche bestehen, welche den konvektiven Wärmeübergang von der Absorberstruktur zum Wärme transportierenden Medium bewirkt, wenn dieses den Absorber durchströmt.

[0006] Ein volumetrischer Receiver ist beispielsweise durch das REFOS Projekt bekannt geworden (Receiver for solarhybrid gas turbine and combined cycle Systems; R. Buck, M. Abele, J. Kun-berger, T. Denk, P. Heller and E. Lüpfert, in Journal de Physique IV France 9 (1999) ), der unten in Zusammenhang mit Fig. 1 näher beschrieben wird.

[0007] Solche Receiver weisen den Nachteil auf, dass die Absorberstruktur aufwendig herzustellen und die Durchströmung des Absorbers oft instabil ist, insbesondere auf Grund einer sich im Betrieb unerwünscht einstellenden Temperaturverteilung.

[0008] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Receiver zu schaffen.

[0009] Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.

[0010] Dadurch, dass nach dem erfindungsgemässen Verfahren das ausgewählte, Wärme transportierende Gas in den Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorptiv ist, und die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass ein erheblicher Teil der Wärmezunahme durch Absorption im Wärme transportierenden Gas erfolgt, lässt sich ein vereinfachtes Konzept des Receivers realisieren, da der Wärmeübergang durch Konvektion nur noch verringert erfolgt.

[0011] Dadurch, dass die Absorptionsanordnung als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet ist, vereinfacht sich die Ausbildung des Absorbers, und damit Aufbau und Betrieb des Receivers, da der Absorber nicht mehr über seine Tiefe die über die Sonnenstrahlung eingebrachte Wärme konvektiv an das Wärme transportierende Gas abgeben muss.

[0012] Bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.

[0013] Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a einen Receiver gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 1b schematisch ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Receiver von Fig. 1a,

Fig. 2 schematisch einen Receiver gemäss der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 3 schematisch ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Receiver von Fig. 2,

Fig. 4 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers,

Fig. 5 die Schritte eines erfindungsgemässen Betriebsverfahrens für einen Receiver, und Fig. 6 die Schritte eines Herstellverfahrens für einen erfindungsgemässen Receiver.

[0014] Figur la zeigt eine Versuchsanordnung für einen räumlichen volumetrischen Receiver 1 gemäss dem REFOS Projekt, mit einem Erwärmungsbereich 2 für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, hier Luft, der eine als Quarzfenster ausgebildete optische Öffnung 3 für Sonnenlicht 4 und einen im Pfad des einfallenden Sonnenlichts 4 hinter dem Quarzfenster 3 angeordneten, das Sonnenlicht 4 absorbierenden Absorber 5. Eine Transportanordnung 6 für den Transport des Wärme transportierenden Mediums durch den Erwärmungsbereich 2 weist in der gezeigten Ausführungsform einen Einlass 7 auf, durch den das Medium mit einer Eintrittstemperatur Tin in den Receiver 1 gelangt und einen Auslass 8, durch den es diesen mit der Austrittstemperatur Tout verlässt.

[0015] Über randseitige Kanäle 9 der Transportanordnung 6 wird die Luft mit der Eintrittstemperatur Temperatur Tin zur Stirnseite des Receivers 1 geleitet, wo sie durch geeignet ausgebildete Öffnungen 10 in einen vor dem Absorber 5 gelegenen Verteilungsraum 11 gelangt, sich verteilt, danach den Absorber 5 durchströmt, durch diesen dabei konvektiv erhitzt wird, und schliesslich mit der Temperatur Tout in einen Sammelraum 13 und von dort in den Auslass 8 gelangt, durch welchen sie den Receiver 1 verlässt.

[0016] Der als volumetrischer Absorber aufgebaute Absorber 5 weist eine Anzahl Schichten eines feinen Drahtgeflechts auf, in welche das Sonnenlicht 4 tief eindringen kann, sodass sich der Absorber 5 über seine ganze Tiefe erwärmt und damit die durch ihn durchströmende Luft konvektiv auf (nahezu) Tout erwärmt. Wie oben erwähnt, kann ein konventioneller Absorber in anderen Ausführungsformen aus einem offenporösen Keramikschaum oder einer anderen Anordnung mit im Vergleich zum im Absorber sich befindenden Luftvolumen sehr grosser Oberfläche gebildet werden, um den erforderlichen konvektiven Wärmeübergang zu erzielen.

[0017] Eine Isolation 12 umgibt den Receiver 1, an welchen vor seiner optischen Öffnung 3 einen zur Entlastung der Figur weggelassenen Sekundärkonzentrator angeschlossen ist, der den Fluss der Sonnenstrahlung 4 zum Quarzfenster 3 konzentriert. Zur Entlastung der Figur ist weiter eine Steuerung für den Receiver 1 und die Transportanordnung 6 weggelassen, über welche der Betrieb des Receivers 1 bzw. die Zu - und Abfuhr von Luft geeignet geregelt wird, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Durch einen Receiver in der Art des gezeigten REFOS Receiver lässt sich eine Austrittstemperatur Tout von 800 °C, mit einem keramischen Absorber von 1000 °C erreichen.

[0018] Fig. 1b zeigt ein Diagramm 15 mit einer Temperaturkurve 16, die in Verbindung mit Figur la schematisch den Temperaturverlauf der durch den Receiver 1 strömenden Luft zeigt. Im Abschnitt A vom Einlass 7 bis zum Ende der randseitigen Kanäle 9 erfolgt eine geringe konvektive Erwärmung der Luft von Tin auf T-, (Teil 17 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt B, während dem Durchgang der Luft durch die Öffnungen 10 im Absorber 5 erfolgt eine erste, relevante und konvektive Erwärmung von Tt auf T2 (Teil 18 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt C, d.h. im Verteilungsraum 11, erwärmt sich die Luft absorptiv, aber nur wenig, da Luft als Gasgemisch beispielsweise eine geringe Menge C02 (oder ein anderes Gas) enthält, das im Infrarotbereich absorbiert, sonst jedoch für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchsichtig ist (Teil 19 der Temperaturkurve 16). Schliesslich durchströmt die Luft im Abschnitt D den Absorber 5, wo sie konvektiv auf die Temperatur T4 erwärmt wird, die nahe bei der Austrittstemperatur Tout liegt (Teil 20 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt E gelangt die Luft durch den Sammelraum 13 in den Auslass 8, wobei sich wiederum eine geringe absorptive Temperaturerhöhung durch den infrarot absorbierenden Gasbestandteil ergibt. Der Temperatursprung von Tin auf Tout ist im Wesentlichen konvektiv bedingt.

[0019] Fig. 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen, als räumlichen Receiver ausgebildeten Receiver 25, mit einem Erwärmungsbereich 26, der eine optische Öffnung 3, beispielsweise ein Quarzfenster, und einen Absorber 27 aufweist, wobei zwischen dem Quarzfenster 3 und dem Absorber 27 ein Absorptionsraum 28 vorgesehen ist, der vom Wärme transportierenden Medium den eingezeichneten Pfeilen entsprechend von rechts nach links, d.h. gegen den Absorber 27, durchströmt wird. Dazu weist die Transporteinrichtung 29 um das Quarzfenster 3 herum angeordnete Einlassstutzen 30 für Wärme transportierendes Medium auf, die in den Absorptionsraum 28 führen, und einen zentralen Auslassstutzen 31 hinter dem Absorber 27.

[0020] Der Absorber 27 ist erfindungsgemäss als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet, d.h. er besitzt eine im Pfad der einfallenden Sonnenstrahlung 4 angeordnete, diese Strahlung absorbierende Oberfläche 27', die derart ausgebildet ist, dass er sich auf Grund der auf die Oberfläche 27' einfallenden Sonnenstrahlung 4 betriebsfähig erhitzt und dann über seine Oberfläche 27' entsprechend Infrarotstrahlung in den Absorberraum 28 abgibt.

[0021] Damit gibt der Absorber 27 seine Wärmeleistung zu einem wesentlichen Teil in Form von Infrarotstrahlung in den Absorberraum 28 ab, wo das auf ihn zuströmende Wärme transportierende Medium sich schon absorptiv erhitzt, bevor es ihn erreicht.

[0022] Eine reale Struktur strahlt nur annähernd so, wie dies der ideale schwarze Körper tut. Vorliegend wird unter einer «Schwarzkörper-Strahlungsanordnung» verstanden, dass die einfallende Sonnenstrahlung 4 zu einem möglichst grossen Teil an der Oberfläche des Absorbers absorbiert wird (also grundsätzlich nur wenig in den Absorber eindringt, im Gegensatz zum volumetrischen Absorber), sodass diese Oberfläche sich hoch erhitzt und dadurch in der Art eines schwarzen Körpers mit der betreffenden, hohen Temperatur in den Absorberraum 28 strahlt. Der überwiegende Anteil der in den Absorberraum 28 abgegebenen Strahlung liegt bei Temperaturen des Absorbers 27 bis 2000 °K (oder auch darüber) im Infrarotbereich, d.h. in gegenüber dem sichtbaren Licht tieferen Frequenzen.

[0023] Eine aufwendige, insbesondere für volumetrische Receiver vorgesehene, in die Tiefe gestaffelte Absorberstruktur, die über ihre Tiefe einfallende Strahlung entsprechend auch über ihre Tiefe absorbiert, indem diese im Inneren wenigstens teilweise gestreut und nach mehrfacher Reflektion zunehmend absorbiert wird, entfällt somit. Damit entfallen auch die häufig bei solchen Absorberstrukturen auftretenden, komplexen thermischen Probleme.

[0024] Erfindungsgemäss ist der Absorber 27 weiter konvektionsarm ausgebildet, d.h. leicht durchströmbar, ohne dass erhöhte konvektive Eigenschaften für den Wärmetausch von Wichtigkeit sind. Es entfällt damit auch die Ausbildung für maximierte Konvektion des durchströmenden Mediums, d.h. die für einen möglichst effizienten Wärmetauscher notwendige Struktur mit im Vergleich zum durchströmenden Volumen des Wärme tauschenden Mediums grosser Oberfläche, welche bei hoher Effizienz aufwendig herzustellen ist und im Betrieb einen erheblichen Druckabfall des durchströmenden Mediums zur Folge hat.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein gewisser konvektiver Wärmeübergang am Absorber 27 natürlich unvermeidlich ist, insbesondere bei der gezeigten Ausführungsform von Fig. 2, da dieser dort einen Wandabschnitt des Absorptionsraums 28 bildet. Der entsprechende konvektive Wärmeübergang an das Wärme transportierende Gas ist natürlich durchaus auch willkommen - jedoch soll die Auslasstemperatur Tout zu einem wesentlichen Teil (s. dazu unten) auf Absorption basieren und so einen vereinfachten Aufbau des Receivers 25 ermöglichen. Der vereinfachte Aufbau des Absorbers 27 eröffnet unter anderem, wie oben erwähnt, die Möglichkeit für einen stabileren Betrieb beispielsweise in thermischer Hinsicht (Temperaturverteilung über dem Absorber 27), was zu einer verbesserten Industrietauglichkeit des Receivers führt.

[0025] Erfindungsgemäss ergibt sich ein Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine optische Öffnung für Sonnenlicht, und einen im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneten, das Sonnenlicht absorbierenden Absorber aufweist, mit einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei der Absorber als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion und die Transportanordnung für den Transport eines Gases als Wärme transportierendes Medium ausgebildet ist.

[0026] Bevorzugt ist dabei der als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildete Absorber für die Durchströmung des Wärme transportierenden Gases ausgebildet und liegt weiter bevorzugt der optischen Öffnung 3 gegenüber.

[0027] Als Wärme transportierendes Medium wird erfindungsgemäss weiter ein Infrarotabsorbierendes Gas oder Gasgemisch verwendet, das in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbiert. Solche Gase sind beispielsweise heteropolare Gase, bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, HCl, NO, und N02. Bei der Verwendung solcher Gase ergibt sich letztlich ein durch den Receiver 25 nutzbarer bzw. genutzter Treibhauseffekt, da diese Gase für das sichtbare Licht hoch durchsichtig sind, das damit den Absorber 27 im Wesentlichen erreicht, aber für die Infrarotstrahlung des Absorbers wenig bis kaum durchsichtig sind, sodass sie sich also vor dem Absorber 27 absorptiv erwärmen. Es sei hier angemerkt, dass reale Gase sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung nicht gleichmässig über alle Frequenzen absorbieren oder durchsichtig sind, sondern vor allem in für ein jeweiliges Gas spezifischen Frequenzbändern unterschiedlich stark. Zusätzlich fällt die Absorption mit dem Abstand von der Strahlungsquelle ab. Dadurch wird oben im Hinblick auf die Absorption bzw. Durchsichtigkeit von Strahlung von «hoch durchsichtig» bzw. von «wenig bis kaum durchsichtig» gesprochen.

[0028] Der erfindungsgemässe Absorber kann als Lochplatte, bevorzugt als doppelte Lochplatte oder als einfache, flächige Gitterstruktur ausgebildet sein. Im Fall der Lochplatte wird ein Lochmuster über deren Ausdehnung verteilt, sodass das Wärme transportierende Gas leicht durchströmen kann, aber genügend Oberfläche der Lochplatte für die Absorption der einfallenden Sonnenstrahlung und der Infrarot-Rückstrahlung in den Absorberraum gegeben ist. Der Fachmann kann das Lochmuster im konkreten Fall leicht optimal bestimmen. Ebenso für den Fall einer Gitterstruktur oder doppelten Lochplatte mit zwei zu einander parallelen Platten, wobei dann die Löcher der einen Platte gegenüber denjenigen der anderen Platte gegeneinander versetzt angeordnet werden, derart, dass trotz konvektionsarmem Durchgang des Wärme tauschenden Gases dem Absorptionsraum eine möglich durchgehende, strahlende Fläche des Absorbers zugewendet ist. Ein geeigneter Werkstoff für den Absorber ist Siliziumcarbid SiC.

[0029] Fig. 3 zeigt ein Diagramm 40 mit einer Temperaturkurve 41, die in Verbindung mit Fig. 2 schematisch den Temperaturverlauf des durch den Receiver 25 strömenden Gases zeigt.

[0030] Im Abschnitt F ist durch den Teil 42 der Temperaturkurve die Erwärmung des infrarot absorbierenden, Wärme transportierenden Gases von Tjn auf T-, dargestellt, für den Fall, dass bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des Receivers 25 das infrarot absorbierende Gas wie beim Receiver 1 die Luft (Fig. 1) ebenfalls dem Absorptionsraum 28 entlang zur Stirnseite transportiert werden soll (was jedoch nicht zwingend ist). Im Abschnitt G erfolgt eine geringe konvektive Erwärmung der Luft von T-ι auf T2 (Teil 43 der Temperaturkurve 41) aufgrund des Durchgangs des Gases durch die Einlasstutzen 30.

[0031 ] Im Abschnitt H fliesst das infrarot absorbierende Gas durch den Absorberraum 28 und erwärmt sich absorptiv durch die Infrarotstrahlung 32 des Absorbers 27 von T2 auf T3 (Teil 44 der Temperaturkurve 41) bevor sie in Abschnitt I durch diesen hindurchströmt und sich dabei konvektiv von T3 auf T4 erwärmt (Teil 45 der Temperaturkurve 41). Schliesslich erfolgt eine weitere absorptive Erwärmung des infrarot absorbierenden Gases im Abschnitt K von T4 auf die Austrittstemperatur Tout (Teil 46 der Temperaturkurve 41) während sich das Gas im Sammelraum 33 befindet und gegen den Auslassstutzen 31 strömt. Der Temperatursprung von Tin auf Tout ist zu einem grossen Teil absorptiv bedingt.

[0032] Es ergibt sich aus der Darstellung der Fig. 2 und 3, dass die Transportanordnung des Receivers bevorzugt einen Absorptionsraum 28 in Strömungsrichtung vor und einen weiteren (hier als Sammelraum 33 ausgebildeten) Absorptionsraum in Strömungsrichtung hinter dem Absorber 27 aufweist.

[0033] Der Fachmann legt im konkreten Fall die Betriebsparameter fest, in der Regel ausgehend von der gewünschten oder notwendigen Austrittstemperatur Tout und der durch die Verwendung der Wärme aus dem Receiver gegebenen Eintrittstemperatur Tjn. Weiter wählt er das im konkreten Fall geeignete infrarot absorbierende Gas bzw. Gasgemisch und legt die Strömungsgeschwindigkeit im Absorberraum 28 fest (die wiederum von der aktuellen Sonneneinstrahlung abhängig sein kann). Solche und weitere sich im konkreten Fall ergebende Betriebsparameter können voneinander abhängen, mit der Folge, dass die absorptive Erhöhung der Temperatur T3 auf T4 in Abschnitt H von Fig. 3, d.h. im Absorberraum 28, im konkreten Fall je nach dem grösser oder kleiner ausfällt.

[0034] Die Anmelderin hat gefunden, dass sich die erfindungsgemässen Vorteile bereits bei einem Verhältnis χ von > 0,3 relevant auswirken, wobei

d.h. das Verhältnis zwischen der absorptiven und der konvektiven Erwärmung des Wärme transportierenden Gases angibt, wenn das Gas auf einen im Infrarotbereich strahlenden Absorber 27 zu und dann durch diesen hindurch (oder an diesem entlang zu einem Auslass) strömt. Durch geeigneten Betrieb mit den gewählten Betriebsparametern, mit anderen Worten durch geeignete Ausbildung der Steuerung des Receivers 25 kann der Fachmann im konkreten Fall den erfindungsgemässen Wert von χ > 0,3 erreichen.

[0035] Es ergibt sich, dass erfindungsgemäss als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen ist. Weiter ist erfindungsgemäss, dass ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum derart bemessen ist, dass im Betrieb das Verhältnis χ der absorptiven Temperaturzunahme (T3-T2) eines inf Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes, Wärme transportierenden Gases in der Absorptionskammer gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2)durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0036] Bevorzugt strömt das Wärme tauschende Gas durch eine Absorberzone (Absorberraum 28) gegen einen Absorber (Absorber 27), wobei es in der Absorberzone absorbtiv und durch den Absorber auch konvektiv erwärmt wird. Ein Receiver kann mehrstufig aufgebaut sein, d.h. Wärme transportierendes Medium stufenweise erwärmen. Erfindungsgemäss ist dann wenigstens eine Stufe für eine absorptiv/konvektiv erfolgende Erwärmung mit dem Verhältnis χ von > 0,3 ausgebildet.

[0037] Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers. Dargestellt ist ein Schnitt durch einen Receiver 50, der dem Receiver 25 von Fig. 2 entspricht, wobei jedoch der Absorber 51 mit seiner der optischen Öffnung 3 zugewendeten absorbierenden Oberfläche 51 ' einen in den Absorberraum 57 ragenden, bevorzugt plattenförmigen Abschnitt 54 aufweist, der sich in der Mitte des Absorberraums 57 gegen die Öffnung 3 erstreckt und der im Wesentlichen parallel zu der durch die eingezeichneten Pfeile angegebenen Strömungsrichtung des infrarot absorbierenden, Wärme tauschenden Gases ausgerichtet ist. Der Abschnitt 54 absorbiert im Wesentlichen von der absorbierenden Oberfläche 51 ' abgegebene Infrarotstrahlung, soweit diese noch nicht von dem an ihm entlang strömenden Gas absorbiert worden ist, also insbesondere Strahlung in denjenigen Frequenzbändern, für welche das Gas weniger absorptiv ist. Dadurch erwärmt er sich und stellt wiederum eine Schwarzkörper-Strahlungsanordnung dar, die im Ganzen der Temperatur des Abschnitts 54 entsprechenden Frequenzspektrum strahlt und das vorbeiströmende Wärme transportierende Gas seinerseits absorptiv erwärmt. Es ergibt sich eine verbesserte Nutzung derjenigen Frequenzen der Strahlung 55, welche vom Gas nur wenig absorbiert werden, da diese Frequenzen Wärme in den Abschnitt 54 einbringen, der dann seinerseits wiederum in allen (Infrarot-)Frequenzen strahlt.

[0038] Solch eine Anordnung kann in grösseren Dimensionen, z.B mit einem Durchmesser der Absorberoberfläche 51' von 15,96 m und einer Länge des Absorberraums 53 (Absorberoberfläche 51 ' bis optische Öffnung 3) von 15,96 m ausgeführt werden. Dann ist der Receiver 50 geeignet, den Fluss einer grossen Anzahl (oder aller) Heliostaten eines Turmkraftwerks aufzunehmen. Es ergibt sich, dass der Receiver 50 einen Absorptionsraum 57 aufweist und der Absorber 51 mit einem Abschnitt 54 in diesen Raum hinein ragt, der bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist.

[0039] Bei einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform kann eine beispielsweise für das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts durchsichtige Glaswand (Borosilikatglas) vorgesehen werden, die etwa in der Mitte zwischen der Absorberoberfläche 51 ' und der optischen Öffnung 3 (Fig. 4) parallel zur Absorberoberfläche 51 ' angeordnet ist und Durchgänge, beispielsweise in der Art einer Lochplatte, für das Wärme transportierende Gas aufweist. Wiederum wird die Glaswand durch die Infrarotstrahlung der Absorberoberfläche 51 bzw. durch deren noch nicht vom Gas absorbierten Frequenzanteile erwärmt und strahlt selbst in der Art des schwarzen Körpers in beiden Richtungen, nämlich sowohl gegen die optische Öffnung als auch gegen den Absorber. Der Fachmann kann im konkreten Fall die Glasplatte derart auslegen, dass für den Abschnitts des Absorberraums zwischen der Glasplatte und der optischen Öffnung und der ihm zugeordneten Glasplatte und auch für den Abschnitt des Absorberraums zwischen der Glasplatte und dem Absorber mit dem ihm zugeordneten Absorber das Verhältnis χ von > 0,3 erreicht wird. Es ergibt sich erfindungsgemäss ein Receiver, der einen weitem als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeter Sekundärabsorber in einem vor dem Absorber liegenden Absorptionsraum aufweist, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Infrarotstrahlung des Absorbers erwärmbar ist und den Absorber im Wesentlichen nicht beschattet. «Im Wesentlichen nicht beschattet» bedeutet dabei, dass eine geringe Beschattung unvermeidbar ist. So bei dem plattenförmigen Abschnitt 54 gemäss Fig. 4 (der Abschnitt 54 kann direkt auf dem Absorber 54 stehen oder etwas von diesem entfernt angeordnet sein), wo der Absorber 51 durch die Dicke des Abschnitts 54 oder auch durch eine geringe Schrägstellung gegenüber dem Pfad des Sonnenlichts beschattet ist. Ebenfalls im Fall der beispielsweise aus Borosilikatglas bestehenden Glasplatte, welche zwar für das sichtbare Spektrum hoch oder höchst durchsichtig ist, aber nicht ideal durchsichtig sein kann, sodass sich eine geringe - im Wesentlichen keine - Beschattung unvermeidlich ergibt.

[0040] Bei einer weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist der Absorber gleich wie im Receiver 25 (Fig. 2) gegenüber der optischen Öffnung 3 angeordnet und bildet einen Wandbereich des Absorptionsraums 28 (Fig. 2). Im Unterschied zum Receiver 25 ist der Absorber jedoch nicht mit Durchströmöffnungen für das Wärme transportierende Medium versehen, sondern für dieses wenigstens teilweise gasdicht ausgebildet, sodass erwärmtes Gas auf der Höhe des Absorbers radial aus dem Absorptionsraum ausströmt. Dadurch vereinfacht sich die Konstruktion des Absorbers noch einmal, das Verhältnis χ kann auf einen höheren Wert als 0,3 gesteigert werden.

[0041] Der Fachmann kann durch Optimierung der Ausführungsform gemäss Fig. 2, oder durch Kombination dieser Ausführungsform mit weiteren beschriebenen Merkmalen (zusätzlicher Abschnitt 54 des Absorbers 51 nach Fig. 4, Glasplatte gemäss der in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform etc.) den Wert des Verhältnisses χ von > 0,3 auf > 0,4 bzw. > 0,5 oder > 0,6 oder > 0,7 oder sogar auf > 0,8 steigern.

[0042] Fig. 5 zeigt die Schritte eines Verfahrens für den Betrieb eines bevorzugt räumlichen Receivers gemäss der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 60 wird ein geeigneter Receiver ausgewählt, beispielsweise mit einer Struktur gemäss Fig. 2, der einen durch Sonnenlicht erwärmbaren Absorber aufweist, gegen den durch eine Transporteinrichtung gasförmiges, Wärme transportierendes Medium geführt wird, um es für den Wärmetransport durch den Absorber zu erwärmen.

[0043] In einem zweiten Schritt 61 wird als Wärme transportierendes Gas ein im Infrarotbereich absorbierendes Gas ausgewählt, insbesondere ein heteropolares Gas oder eines der Gase C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, HCl, NO, und N02 (oder auch ein Gemisch dieser Gase), um Schwarzkörperstrahlung des Absorbers durch Absorption des gegen den Absorber transportierten Gases schon vor dem Absorber zu absorbieren und so das Wärme transportierende Medium zu erwärmen.

[0044] In einem dritten Schritt 62 werden die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt, dass im Betrieb des Receivers das Verhältnis χ der Temperatursteigerung des Wärme transportierenden Mediums durch Absorption vor dem Absorber gegenüber der Temperatursteigerung durch Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0045] Im vierten Schritt 63 wird der Receiver in Betrieb gesetzt und mit dem Parameter χ > 0,3 gefahren.

[0046] Es ergibt sich ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine optische Öffnung für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber vorgesehen ist, dabei der Receiver bevorzugt als räumlicher Receiver ausgebildet ist, und wobei als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, und die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungsbereich (zum Absorber) durch Absorption der Strahlung des Absorbers derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption vor dem Absorber gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0047] Bevorzugt wird dabei als absorbierendes Gas ein heteropolares Gas ausgewählt, weiter bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4 oder ein Gemisch dieser Gase.

[0048] Der Fachmann kann dann das erfindungsgemässe Verfahren derart modifizieren, dass das Verhältnis χ gleich oder grösser ist als 0,4, oder 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,8.

[0049] In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemässe Verfahren derart ausgebildet werden, dass das Gas durch den Absorber hindurch geführt wird. Alternativ kann vorgesehen werden, dass das Gas am Absorber vorbei geführt wird.

[0050] Fig. 6 zeigt die Schritte eines erfindungsgemässen Herstellverfahrens für einen Receiver, beispielsweise nach den Fig. 2 bis 4, wobei im Schritt 70 der Absorber als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet und entsprechend ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, um die Wärme auf das Wärme transportierende Gas übertragen zu können. Danach wird im Schritt 71 ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas als Wärme transportierendes Gas so zusammen mit den Abmessungen des Absorberraums vorgesehen, dass ein vorbestimmter Betriebszustand des Receivers definiert werden kann, in welchem die Temperaturzunahme des Wärme transportierenden Gases durch Absorption gegenüber der Temperaturzunahme durch Konvektion am Absorber in einem Verhältnis χ > 0,3 liegt.

[0051] Es ergibt sich Herstellverfahren für einen Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine optische Öffnung für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet und ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas derart vorgesehen und der Absorberraum derart bemessen wird, dass in einem vorbestimmten Betriebszustand des Receivers die Temperatur des den Absorptionsraum betriebsfähig durchströmenden, Wärme transportierenden Mediums durch Absorption der Infrarotstrahlung des Absorbers zunimmt, derart, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption im Absorberraum gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0052] Bevorzugt wird dabei als Gas ein heteropolares Gas vorgesehen, besonders bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, HCl, NO, und N02 oder ein Gemisch dieser Gase.

[0053] Dabei wird weiter in einer Ausführungsform der Erfindung das Verhältnis χ gleich oder grösser ist als 0,4 eingestellt, bevorzugt 0,5, besonders bevorzugt 0,6, ganz bevorzugt 0,7 und am meisten bevorzugt 0,8 ist.

[0054] Schliesslich kann in einer weiteren Ausführungsform im Absorberraum ein als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeter Sekundärkonzentrator vorgesehen werden und weiter bevorzugt der Receiver als räumlicher Receiver konzipiert werden.

Claims (22)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Betrieb eines Receivers mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine optische Öffnung für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber vorgesehen ist, und wobei der Receiver bevorzugt als räumlicher Receiver ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, und dass die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungsbereich durch Absorption der Strahlung des Absorbers derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption vor dem Absorber gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas ein heteropolares Gas ist, bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, HCl, NO, und N02 oder ein Gemisch dieser Gase.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis χ gleich oder grösser ist als 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser als 0,8.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas durch den Absorber hindurch geführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas an dem Absorber vorbei geführt wird.
6. 6. Receiver zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 17, mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine optische Öffnung für Sonnenlicht, und einen im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneten, das Sonnenlicht absorbierenden Absorber aufweist, mit einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion und die Transportanordnung für den Transport eines Gases als Wärme transportierendem Medium ausgebildet ist.
7. 7. Receiver nach Anspruch 6, wobei das Wärme transportierende Medium im Wesentlichen ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas ist.
8. 8. Receiver nach Anspruch 6, wobei ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum derart bemessen ist, dass im Betrieb das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) eines in Frequenzbändern des Infrarotbereiches absorbierenden, Wärme transportierenden Gases durch Absorption in der Absorbtionskammer gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
9. 9. Receiver nach Anspruch 6, wobei das Wärme transportierende Gas ein heteropolares Gas enthält, bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, HCl, NO, und N02 oder ein Gemisch dieser Gase aufweist.
10. 10. Receiver nach Anspruch 6, wobei der Absorber für die Durchströmung des Wärme transportierenden Gases ausgebildet ist.
11. 11. Receiver nach Anspruch 6, wobei der Absorber als Lochplatte, bevorzugt als doppelte Lochplatte oder als Gitterstruktur ausgebildet ist.
12. 12. Receiver nach Anspruch 6, wobei der Absorber für das Wärme transportierende Gas wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig gasdicht ausgebildet ist.
13. 13. Receiver nach Anspruch 6, wobei die Transportanordnung einen Absorptionsraum in Strömungsrichtung vor und einen weiteren Absorptionsraum in Strömungsrichtung hinter dem Absorber aufweist.
14. 14. Receiver nach Anspruch 6, wobei die Transportanordnung einen Absorptionsraum aufweist und der Absorber einen Wandabschnitt dieses Absorptionsraums bildet.
15. 15. Receiver nach Anspruch 6, wobei ein weiterer als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeter Sekundärabsorber in einem vor dem Absorber liegenden Absorptionsraum vorgesehen und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Infrarotstrahlung des Absorbers erwärmbar ist und den Absorber im Wesentlichen nicht beschattet.
16. 16. Receiver nach Anspruch 6, wobei die Transportanordnung einen Absorptionsraum aufweist und der Absorber mit einem Abschnitt in diesen Raum hinein ragt, der bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist.
17. 17. Receiver nach Anspruch 6, wobei der Absorber der optischen Öffnung gegenüberliegt.
18. 18. Herstellverfahren für einen Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine optische Öffnung für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet und ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas derart vorgesehen und der Absorberraum derart bemessen wird, dass in einem vorbestimmten Betriebszustand des Receivers die Temperatur des den Absorptionsraum betriebsfähig durchströmenden, Wärme transportierenden Mediums durch Absorption der Infrarotstrahlung des Absorbers zunimmt, derart, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption im Absorberraum gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
19. 19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Gas ein heteropolares Gas ist, bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, HCl, NO, und N02 oder ein Gemisch dieser Gase.
20. 20. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verhältnis χ gleich oder grösser ist als 0,4, bevorzugt 0,5, besonders bevorzugt 0,6, ganz bevorzugt 0,7 und am meisten bevorzugt 0,8 ist.
21. 21. Verfahren nach Anspruch 17, wobei im Absorberraum ein als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeter Sekundärkonzentrator vorgesehen wird.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Receiver als räumlicher Receiver konzipiert wird.