DE102005055955B3

DE102005055955B3 - Solarempfänger

Info

Publication number: DE102005055955B3
Application number: DE102005055955A
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl.-Ing. Dibowski
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-11-25
Also published as: ES2325704A1; ES2325704B1

Abstract

Der Solarempfänger weist ein Trägerteil (10) und einen darin angeordneten Absorber (22) auf, der an der Öffnungsseite des Trägerteils der einfallenden Solarstrahlung ausgesetzt ist. Der Absorber (22) besteht aus hochtemperaturbeständigem Stahldraht. Er weist übereinander geschichtete Matten (24) auf. Der vordere Bereich des Absorbers (22) bildet ein Empfangsteil (ET) für die Strahlung und der rückwärtige Bereich bildet einen Drosselteil (DT) für den erforderlichen Druckaufbau.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger zur Absorption von Solarstrahlung zum Zwecke der Energiegewinnung, mit einem Trägerteil, welches einen aus Drahtmaterial bestehenden luftdurchlässigen Absorber hält.

In DE 197 44 541 C2 (DLR) ist ein volumetrischer Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk beschrieben. Der Solarempfänger weist einen Absorberkörper auf, dessen Empfängerfläche der einfallenden Solarstrahlung zugewandt ist. Umgebungsluft als Wärmeträgermedium wird durch die Empfängerfläche hindurchgesaugt. Die Absorberkörper sind jeweils von einem Trägerteil gehalten. Grundsätzlich sind zwei Bauformen von Absorbern bekannt: volumetrische Absorber und direkt-absorbierende Absorber. Volumetrische Absorber weisen Absorberstrukturen aus metallischen oder keramischen Wabenstrukturen, -gestricken oder -schäumen auf. Diese Absorber werden von Umgebungsluft durchströmt, die dabei konvektiv aufgehalten wird.

In DE 101 43 613 C1 ist ein Solarempfänger beschrieben, der aus einem Absorberkörper besteht, welcher auf der Einfallsseite der Strahlung mit einer keramischen Fasermatte bedeckt ist. Der Absorberkörper enthält Kanäle zur Abführung der Warmluft, die durch die Fasermatte hindurch angesaugt und erwärmt wurde.

DE 43 05 668 C2 (Steinmüller) beschreibt einen Hochtemperatur-Empfänger zum Umsetzen konzentrierter Sonnenstrahlung, bei dem von einem Tragelement ein Spiralwickel aus einem Metallstrickstrumpf absteht. Das Mattenmaterial des Spiralwickels hat im vorderen Bereich eine niedrigere Faserdichte zur günstigen Absorption der Sonnenstrahlung und im strahlungsabgewandten Bereich eine höhere Faserdichte zur sicheren Befestigung an dem Tragelement.

Die nicht vorveröffentlichte ältere Patentanmeldung DE 10 2004 030 433 B3 beschreibt einen Solarempfänger, der ebenfalls zahlreiche nebeneinander angeordnete luftdurchlässige Absorberkörper aufweist, von denen jeder an einem Trägerteil befestigt ist, welches einen Kanal für einen den Absorberkörper passierenden Luftstrom bildet.

Bei einem offenen Solarempfänger oder Receiver wird Umgebungsluft, die durch den Absorber gezogen wird, auf etwa 800 °C erhitzt. Dies bedeutet, dass das Material des Absorbers und des Trägerteils hochtemperaturbeständig sein müssen und auch im Langzeitbetrieb nicht zu Bruch gehen. Außerdem müssen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angepasst sein. Der jeweilige Absorber und das dazu gehörende Trägerteil sind ein wesentlicher Kostenfaktor.

In der Praxis wurden bisher fast ausschließlich poröse keramische Absorber eingesetzt, weil man sich gegenüber Hochtemperaturstählen als Absorbermaterial eine höhere Betriebssicherheit versprach. Allerdings neigen keramische Strukturen aufgrund ihrer Sprödigkeit zu Haarrissen im Material und ganzteiligen Ausbrüchen unter thermischer Belastung. Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass bei keramischen Absorbern eingesetzte Verbindungsverfahren wie Klebung oder mechanische Verriegelung bisher nicht sicher funktionieren und durch Ausfallzeiten und Reparaturen zu erhöhten Kosten führen. Metallische Absorber wurden bisher nur experimentell untersucht und sind gegenüber der keramischen Variante in den Hintergrund gerückt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarempfänger zu schaffen, der eine hohe Temperaturbeständigkeit und Standfestigkeit hat und bei dem die Gefahr von Ausfällen in Folge thermischer Dauerbelastung und thermischer Wechselbelastung verringert ist.

Der Solarempfänger nach dem der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach besteht der Absorber aus hochtemperaturbeständigem Metalldraht und er hat einen der Solarstrahlung ausgesetzten Empfangsteil, in den die Strahlung eindringt, und einen dahinter angeordneten Drosselteil. Das Trägerteil ist ein aus Stahlblech bestehendes Gehäuse, das den Absorber enthält. Der Absorber besteht aus Drahtmaterial aus hochtemperaturbeständigem Stahl. Er weist einen der Solarstrahlung zugewandten Empfangsteil und dahinter einen Drosselteil auf.

Beim Betrieb eines modularaufgebauten Solarempfängers, der zahlreiche Trägerteile mit jeweils einem Absorber enthält, muss dafür gesorgt werden, dass in allen Absorbern die Luft auf etwa gleiche Temperatur erhitzt wird. Dies erfordert den Einsatz individueller Drosselstellen hinter jedem Absorber zur Erzielung einer gleichmäßigen Massenstromverteilung und zur Vermeidung von Überhitzungen durch Strömungsinstabilität. Üblicherweise bestehen die Drosselstellen aus Lochplatten, die individuell gefertigt werden. Diese Lochplatten sind einerseits wegen des hochtemperaturbeständigen Materials und andererseits wegen der individuellen Bearbeitung der Löcher in Herstellung und Montage kostspielig. Außerdem war es erforderlich, die Lochplatte mit dem Absorber, z. B. durch Schweißen, zu verbinden.

Bei dem erfindungsgemäßen Solarempfänger besteht der Drosselteil ebenso wie der Empfangsteil aus Metalldraht, beispielsweise aus einem Drahtgestrick. Der Ausdruck Gestrick soll sämtliche Formen und Strukturen aus Draht umfassen, also auch Vliese, Gewirke und Knäuel und andere regelmäßige oder zufallsbedingte Strukturen. Wichtig ist, dass der Drahtabsorber eine definierte Porosität hat, die einerseits erforderlich ist, damit die Solarstrahlung in das Innere des Empfangsteils eindringen kann, und die andererseits für die Luftdurchströmung benötigt wird. Schließlich ist eine definierte Porosität im Drosselteil für die Bemessung der Drosselwirkung und die Erzielung einer stabilen gleichmäßigen Strömung von Bedeutung. Obwohl Empfangsteil und Drosselteil aus demselben Material bestehen, können beide unterschiedliche Porositäten bzw. Materialdichten haben. Diese können dadurch erreicht werden, dass der Drosselteil kontrolliert komprimiert wird und dabei eine größere Materialdichte erhält als der Empfangsteil.

Gegenüber den aus Lochplatten bestehenden individuellen Drosselstellen bildet der aus Drahtmaterial bestehende Drosselteil eine erheblich kostengünstigere Lösung. Durch den Verzicht auf eine aufwendige Lochplatte werden die Herstellungskosten deutlich verringert. Auch im Vergleich mit keramischen Absorbern ergeben wesentlich niedrigere Herstellungs- und Unterhaltskosten, insbesondere wegen der verringerten Bruchempfindlichkeit.

Im allgemeinen beträgt die Tiefe des Empfangsteils 20 bis 30 mm. Die Stärke des Absorbers in Strömungsrichtung der Luft ist vorzugsweise größer als 30 mm und insbesondere größer als 60 mm. Sie liegt bei einer praktischen Ausführungsform in der Größenordnung von 100 mm. Damit ist dann der erste Teil der Empfangsteil und der dahinter liegende Teil hat ausschließlich eine Drosselwirkung zur Vermeidung von Strömungsinstabilitäten und zum Aufbau des für ein gleichmäßiges Saugverhalten erforderlichen Druckes. Da dasselbe Material für den Empfangsteil und den Drosselteil benutzt wird, genügt es, die Packungsdichten genau einzustellen. Materialbrüche sind zwischen beiden Teilen nicht zu erwarten, zumal es keine genau definierbare Grenzlinie zwischen Empfangsteil und Drosselteil gibt.

Als Material für den Absorber eignet sich das Material 1.4876 (Incoloy 800 HT) oder 1.4767, welche jeweils bis 1400 °C im Dauerbetrieb beständig sind. Das Material des Trägerteils besteht vorzugsweise aus 1.4841. Standfestigkeit und Oxidationsarmut dieser Materialien wurden im Experiment bestätigt.

Der Absorber besteht vorzugsweise aus übereinanderliegenden Matten aus Drahtgestrick. Diese Matten können unverbunden aufeinander gelegt sein oder auch aus einer durchgehenden Bahn bestehen, die zickzackförmig gestaltet ist.

Der erfindungsgemäße Solarempfänger eignet sich in besonderer Weise für einen modularen Aufbau, wobei die Trägerteile aus einander gleichen Kelchen bestehen, deren vordere Bereiche quadratisch sind. Diese Kelche bestehen ebenfalls aus hochtemperaturbeständigem Stahlblech. Im Gegensatz zu der keramischen Variante führt dies nicht zu Brüchen und Rissen im Material. Die Fertigung ist gegenüber Keramik ebenfalls viel einfacher. Auch eine feste und unlösbare Verbindungsart zwischen Absorber und Trägerteil, die bei keramischer Ausführung erforderlich ist, ist nicht notwendig.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:
Es zeigen:
1 Eine Seitenansicht eines Trägerteiles,
2 eine Frontansicht des Trägerteils aus Richtung des Pfeiles II (1) und
3 eine schematische Darstellung des den Absorber bildenden Drahtpaketes.
In den Zeichnungen ist ein Modul eines modularaufgebauten Solarempfängers dargestellt. Zahlreiche gleichartige Module können derart nebeneinander gesetzt werden, dass sich eine einheitliche Strahlungsempfangsfläche bildet.
Das Trägerteil 10 ist ein aus Stahlblech hergestelltes Gehäuse, das insgesamt kelchförmig geformt ist. Es weist ein rechteckiges Vorderteil 12 und ein zylindrisches rückwärtiges Rohrteil 14 auf. Dazwischen befindet sich ein generell konisches Übergangsteil 16, das auch die Anpassung von dem quadratischen Querschnitt des Vorderteils auf den zylindrischen Querschnitt des Rohrteils von verringertem Durchmesser vornimmt. Das Trägerteil 10 ist aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt, die durch Schweißnähte verbunden sind. Es ist umfangsmäßig geschlossen und nur an der Vorderseite 18 und der Rückseite 20 offen.
In dem Vorderteil 12 befindet sich der Absorber 22, der aus Drahtmaterial besteht. Der Absorber 22 setzt sich aus zahlreichen Matten 24, die übereinander gelegt sind. Die Matten 24 haben eine Breite, die die Breite des Vorderteils 12 ausfüllt. Die Matten sind in dichter Packung direkt übereinanderliegend angeordnet, so dass sie die gesamte Querschnittsfläche des Vorderteils 12 ausfüllen. Dabei ergibt sich eine dichte Packung der Matten.
3 zeigt die Bildung des Mattenstapels, aus dem der Absorber 22 besteht aus einzelnen übereinander gelegten Matten 24, die jeweils aus einem Drahtgestrick bestehen.
Wie 1 zeigt, bildet der Absorber einen der Strahlung ausgesetzten Empfangsteil ET und einen dahinter angeordneten Drosselteil DT. Sowohl der Empfangsteil ET als auch der Drosselteil DT bestehen aus den übereinander geschichteten Matten 24, also aus demselben Abdrahtmaterial. Der Empfangsteil ET gibt denjenigen Teil der Tiefe des Absorbers 22 an, in den die Solarstrahlung eindringt. Der Drosselteil DT hat keine strahlungsabsorbierende Funktion. Er bewirkt den Aufbau eines Drucks, der für den Erhalt einer stabilen Strömung erforderlich ist.
Der rückwärtige Rohrteil 14 und der Übergangsteil 16 sind hohl und leer und dienen lediglich der Abführung der erhitzten Luft.

Claims

Solarempfänger mit einem Trägerteil (10), welches einen aus Drahtmaterial bestehenden luftdurchlässigen Absorber (22) hält, wobei das Trägerteil (10) ein aus Stahlblech bestehendes Gehäuse ist, das einen den Absorber (22) umgebenden Kanal für einen den Absorber passierenden Luftstrom bildet, wobei der Absorber (22) einen der Solarstrahlung ausgesetzten Empfangsteil (ET) aus Drahtmaterial, in den die Strahlung eindringt, und einen dahinter angeordneten Drosselteil (DT), ebenfalls aus Drahtmaterial, aufweist.
Solarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (22) in Strömungsrichtung der Luft eine Länge aufweist, die größer ist als 30 mm, insbesondere größer als 60 mm.
Solarempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (22) aus übereinanderliegenden Matten (24) besteht.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (22) aus Drahtgestrick besteht.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber aus einem der hochtemperaturbeständigen Materialien 1.4876 oder 1.4767 besteht.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (10) aus Blech des Materials 1.4841 besteht.