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Die
Erfindung betrifft einen Solarempfänger nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein solarthermisches Kraftwerk nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 16.
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Bekannte
solarthermische Kraftwerke bündeln
einfallende Solarstrahlung von Heliostaten oder Kollektoren auf
Solarempfänger
von denen eine Vielzahl zu solarthermischen Empfängereinheiten zusammengesetzt
sind. Der Solarempfänger
umfasst dazu einen Absorberkörper,
der auf einem Träger
fixiert ist. Die auf den Absorberkörper auftreffende hochkonzentrierte
Solarstrahlung kann etwa der 200fachen bis 300fachen Sonnenstrahlung
entsprechen. Es werden folglich Temperaturen von über 1000°C im Absorberkörper erzeugt,
weshalb an einen Solarempfänger
hohe Anforderungen zu stellen sind.
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Aus
DE 197 40 644 C2 ist
ein Solarempfänger
mit mindestens einem porösen
Absorberkörper aus
Keramikmaterial bekannt. Dieser Solarempfänger besitzt eine gestufte
Porosität,
wobei der der Solarstrahlung zugewandte vordere Bereich eine höhere offene
Porosität
hat und der zurückliegende
Bereich eine geringere offene Porosität hat. So läßt sich ein hohes Absorptionsvermögen im Oberflächenbereich
erzielen, da dort der Flächenanteil
gering ist, also weniger Material pro Volumeneinheit vorhanden ist.
Die Poren bilden tiefreichende Kanäle, in die die einfallende
Solarstrahlung eindringt und dort wie in einer Strahlungsfalle gefangen
und vollständig
absorbiert wird. Daher ist die Emission von Solarstrahlung aus dem
Absorberkörper
heraus sehr gering. Im zurückliegenden
Bereich besteht dagegen eine feste Tragstruktur zum Halten des Absorberkörpers. Der zurückliegende
Bereich hat eine ausreichend hohe Porosität, so daß das Wärmeträgermedium den Absorberkörper durchströmen kann.
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Aus
DE 197 44 541 C1 ist
ein derartiger Solarempfänger
für ein
solarthermisches Kraftwerk bekannt. Der Solarempfänger besitzt
einen volumetrischen Absorberkörper
aus einem porösen
Keramikmaterial mit einer offenzelligen Porenstruktur. Eine Vielzahl
dieser Absorberkörper,
die voneinander beabstandet sind, so daß bei den durch die hohen Temperaturen
bedingten Ausdehnungen der Absorberkörper keine Spannungen auftreten,
bilden eine der einfallenden konzentrierten Solarstrahlung zugewandte
Empfängerfläche. Umgebungsluft
wird durch die in Längsrichtung
gasdurchlässigen
Absorberkörper
hindurchgesaugt. Auf diese Weise durchströmt ein Wärmeträgermedium zur Abführung der
durch die Solarstrahlung erzeugten Wärme die Absorberkörper. Die
Absorberkörper
sind in ihrem rückwärtigen,
der Empfängerfläche abgewandten
Bereich jeweils an einem Trägerteil
befestigt durch Einkleben oder Einpressen. Nachteilig ist insoweit,
dass bei den sehr hohen Temperaturen die Verbindung nicht hinreichend
alterungsbeständig
ist.
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Aus
WO 03/021161 A1 ist
ein Solarempfänger
mit einem an einem Träger
fixierten volumetrischer Absorberkörper zur Verwendung in einem
solarthermischen Kraftwerk bekannt, wobei der Absorberkörper u.
a. aus einem porösen
Keramikmaterial mit einer offenzelligen Porenstruktur besteht. Der
Absorberkörper
besteht aus mehreren Absorberkörpersegmenten,
die miteinander verklebt an einem Träger derart befestigt sind,
dass keine mechanische oder thermische Spannung zwischen dem Träger und
dem Empfängerkörper auftritt.
Auch hierbei ist nachteilig, daß die
Verklebung nicht hinreichend alterungsbeständig ist. Die Wartungsanfälligkeit
ist somit hoch.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Solarempfänger nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 sowie ein solarthermisches Kraftwerk nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 16 zu schaffen, deren Wirkungsgrad hoch ist, die über einen
weiten Temperaturbereich betrieben werden können und dabei wartungsarm
sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 sowie
16 gelöst.
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Hierdurch
wird ein Solarempfänger
geschaffen, bei dem die temperaturbedingten Spannungen im Absorberkörper ausgeglichen
und dadurch Risse vermieden werden. Auf Verklebungen wird dabei
verzichtet. Die Absorberkörpersegmente
werden durch ein integriertes Einlegeteil, das gleichzeitig Funktionsteil
ist, geführt.
Die Absorberkörpersegmente
sind auf dem Träger
locker zusammengesetzt. Eine Bewegung der Absorberkörpersegmente
auf dem Träger
entlang vorgegebener Nuten wird zugelassen.
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Vorzugsweise
werden die Absorberkörpersegmente über Stifte
an dem Träger
gehalten.
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Vorzugsweise
bilden die Nuten Geradführungen,
die schräg
zu Randflächen
der Absorberkörpersegmente
verlaufen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Absorberkörpersegmente aus einem Keramikmaterial
bestehen. Insbesondere sind Keramiken wie Siliciumcarbid (SiC) oder
Siliciumsiliciumcarbid (SiSiC) geeignet.
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Vorteilhaft
ist es ferner, wenn das Federelement die gleiche Porenstruktur aufweist
wie die Absorberkörpersegmente.
Dadurch kann der Strömungswiderstand
des Federelementes gering gehalten werden. Dabei ist es besonders
bevorzugt, wenn eine quadratische Gitterstruktur des Federelementes in
Bezug auf die Porenstruktur des Absorberkörpersegmentes um etwa 45° verdreht
ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die sich überlappenden Porenstrukturen
immer durchströmbar
bleiben.
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Alternativ
kann es auch erwünscht
sein, dass der Strömungswiderstand
des Federelementes veränderbar
ist. Auf diese Weise kann das Federelement den Strömungswiderstand
nicht nur gering halten, sondern ihn auch erhöhen, um so beispielsweise als
Drossel zu wirken.
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Weiterhin
ist bevorzugt, dass das Federelement aus dem gleichen Material besteht
wie die Absorberkörpersegmente.
Dadurch weisen sowohl das Federelement als auch die Absorberkörpersegmente die
gleichen Wärmeeigenschaften
auf. Eine Beschädigung
durch unterschiedliche Ausdehnung bei hohen Temperaturen wird so
vermieden.
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Ferner
ist es bevorzugt, dass die Verbindung zwischen dem Träger und
dem Absorberkörper
lösbar
ist. Auf diese Weise können
durch einen Austausch des Formstücks
die Solarempfänger
mit unterschiedlichen Strömungseigenschaften
ausgebildet werden, was eine große Variabilität ermöglicht. Der
Austausch des gesamten Absorberkörpers
ist hierfür
nicht notwendig
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch einen erfindungsgemäßen Solarempfänger,
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2 zeigt
den Solarempfänger
von 1, teilweise zerlegt und geschnitten,
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3 zeigt
schematisch zwei Absorberkörpersegmente
des Solarempfängers
gemäß 1 in Draufsicht
mit eingelegtem Federelement für
Strömungsquerschnitte
bei um 45° verkippter
Gitterstruktur,
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4 zeigt
schematisch zwei Absorberkörpersegmente
des Solarempfängers
gemäß 1 in Draufsicht
mit eingelegtem Federelement für
Strömungsquerschnitte
bei nicht verkippter Gitterstruktur.
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Die
Erfindung betrifft einen Solarempfänger 1 für ein solarthermisches
Kraftwerk mit einem Träger 2 und
mit einem auf diesem angeordneten volumetrischen Absorberkörper 3,
der mehrere jeweils eine offenzellige Porenstruktur aufweisende
Absorberkörpersegmente 7 umfaßt. Jedes
Absorberkörpersegment 7 weist
eine Nut 9 zur Ausbildung einer aus Nuten 9 der
Absorberkörpersegmenten 7 zusammengesetzten
inneren Aufnahme auf. In die Aufnahme ist ein eine offenzellige
Porenstruktur aufweisendes Federelement 10 eingelegt (vgl. 2).
Die Absorberkörpersegmente 7 sind
mit Spiel zueinander am Träger 2 gehalten.
Die Porenstruktur des Federelementes 10 ist vorzugsweise
abgestimmt auf die Porenstruktur der Absorberkörpersegmente 7. Insbesondere
entspricht die Porenstruktur des Federelementes 10 im wesentlichen
der Porenstruktur der Absorberkörpersegmente 7.
Die Nuten 9 sind jeweils schräg verlaufend zu einer quaderförmigen Ausbildung
des Absorbersegments 7 angeordnet. Das Federelement 10 bildet
dann eine schwimmende Flachführung
für Absorberkörpersegmente 7 auf
dem Träger 2.
Das Federelement 10 ist vorzugsweise quadratisch ausgebildet
und mit einer diagonal zu den Absorberkörpersegmenten 7 gerichteten
Porenstruktur angeordnet.
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Wie
in 1 dargestellt ist, umfaßt der Solarempfänger 1 einen
Träger 2,
der kelchartig ausgebildet ist und an einem oberen Ende einen Aufnahmekasten 4 zum
Aufsetzen der Absorberkörpersegmente 7 des
Absorberkörpers 3 aufweist.
Der Träger 2 ist in
seiner Längsrichtung
L von einem Fluid, beispielsweise einem Wärmeträgermedium, durchströmbar. An
seinem dem Aufnahmekasten 4 entgegengesetzten Ende weist
der Träger 2 einen
Stutzen 5 auf. Über diesen
Stutzen 5 ist der Träger 2 beispielsweise
an eine Pumpe zum Durchsaugen eines Wärmeträgermediums anschließbar.
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Der
Träger 2 und
der Absorberkörper 3 sind spannungsfrei
miteinander verbunden. Der Absorberkörper 3 ist hierzu über nicht
dargestellte Stifte an dem Träger 2 gehalten.
Zum Halten des Absorberkörpers 3 an
dem Träger 2 sind
die Stifte durch entsprechende Bohrungen 6 im Träger 2 geführt.
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Der
Absorberkörper 3 umfasst
mindestens zwei Absorberkörpersegmente 7.
Vorzugsweise ist der Absorberkörper 3 aus
vier oder neun Absorberkörpersegmenten 7 mit
quadratischer Grundfläche aufgebaut.
Die Absorberkörpersegmente 7 haben eine
offenzellige Porenstruktur mit einer Vielzahl Strömungskanäle 12.
Ein derartiger Solarempfänger 1 kann
als Wabenkörper
zum Aufbau einer Solarkörpereinheit
aus einer Vielzahl solcher Solarempfänger 1 dienen. Das
Ausbilden großräumiger Empfängerflächen ist
dadurch möglich.
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Die
Porenstruktur der Absorberkörpersegmente 7 ist
vorzugsweise eine quadratische Gitterstruktur. Die Absorberkörpersegmente 7 bestehen vorzugsweise
aus einem hochtemperaturbeständigen
Material. Geeignet sind hierfür
beispielsweise Metalle oder Keramikmaterialien. Besonders geeignet
als Keramikmaterialien sind Siliciumcarbid (SiC) oder Siliciumsiliciumcarbid
(SiSiC). Dadurch werden gute thermische Eigenschaften des Absorberkörpers 3 sichergestellt.
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Die
Absorberkörpersegmente 7 weisen
jeweils eine nach innen gerichtete Nut 9 auf. Die Nut 9 ist
vorzugsweise eine schräg
zu einer Kante 8 des Absorberkörpers 7 verlaufende
Vertiefung. Ein Nutenboden bildet jeweils eine Flachführung für ein schwimmend
eingelegtes Federelement 10, wie insbesondere aus 2 ersichtlich.
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Zum
losen Verbinden der Absorberkörpersegmente 7 untereinander
sind die Nuten 9 der einen Absorberkörper 3 aufbauenden
Absorberkörpersegmente 7 zueinander
ausgerichtet. In die Nut 9 ist das Federelement 10 nach
Art von umfangseitig verteilt angeordneter Nut-Feder-Verbindung
eingesetzt. Auf diese Weise sind die Absorberkörpersegmente 7 mit dem
Federelement 10 und damit die Absorberkörpersegmente 7 untereinander
formschlüssig
verbunden. Thermische Spannungen, die bei Absorberkörpern 3 mit
großen
Ausmaßen
unter den Betriebsbedingungen der Solarempfänger vorkommen, werden auf diese
Weise vermieden. Selbst wenn jedoch Spannungen auftreten, führt dies
lediglich zu einem leichten Verschieben der Absorberkörpersegmente 7, nicht
jedoch zu einem Bruch derselben.
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Des
weiteren ist es durch die erfindungsgemäße Verbindung der Absorberkörper 3 möglich, eine
Vielzahl von Absorberkörpersegmenten 7 in
einer solarthermischen Empfängereinheit
vorzusehen. Der erfindungsgemäße Solarempfänger ist
somit in seiner Größe und in
seinem Aufbau deutlich variabler. Für eine größere Fläche müssen so weniger Träger verwendet
werden, was den Aufbau deutlich kostengünstiger gestaltet.
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Um
die thermische Beanspruchung gering zu halten, sind die Absorberkörpersegmente 7 und das
Federelement 10 vorzugsweise aus dem gleichen Material
hergestellt. Ferner kann das Federelement 10 die gleiche
Struktur aufweisen, wie die Absorberkörpersegmente 7. Insbesondere,
wenn eine Gitterstruktur mit quadratischem Querschnitt des Federelementes 10 gegenüber der
Struktur der Absorberkörpersegmente 7 um
im wesentlichen 45° verdreht
ist, wie in 3 gezeigt, wird sichergestellt, dass
der durch das Federelement 10 hervorgerufene Strömungswiderstand
gering bleibt. Die Poren haben stets eine ausreichend gute Durchströmbarkeit,
weshalb die Strömung
des Fluids kaum behindert wird. Aber auch bei der in 4 dargestellten
Ausführung ist
eine Durchströmbarkeit
noch gegeben.
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Durch
Verkippung der Querschnitte mit quadratischer Gitterstruktur um
45°, wie
in 3 dargestellt, ist sichergestellt, dass die Kanäle der Porenstruktur
immer durchströmbar
sind. Auch wenn sich das Federelement 10 gegenüber dem
Absorberkörpersegment 7 verschiebt,
verändert
sich die Durchströmbarkeit
kaum.
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Es
kann aber auch erwünscht
sein, dass der Strömungswiderstand,
den das Federelement 10 hervorruft, groß ist. Wenn das Federelement 10 beispielsweise
eine geringe Porosität
aufweist und den Strömungswiderstand
gezielt erhöht,
prägt es
die Druckverlustcharakteristik und wirkt so als Drossel. Auf diese
Weise wird das Durchfließen
einer konstanten Strömungsmenge
unabhängig
von der Geschwindigkeit des Wärmeträgermediums
ermöglicht. Die
Strömungsstabilität wird so
erhöht.
Insbesondere kann es für
eine starke Drosselwirkung erwünscht sein,
dass Federelemente 10 unterschiedlicher Größe verwendbar
sind. Dies ist beispielsweise möglich, indem
die Nut 9 in einer ausreichenden Größe dimensioniert ist.