DE102009035141A1

DE102009035141A1 - Offener volumetrischer Solarstrahlungsempfänger

Info

Publication number: DE102009035141A1
Application number: DE102009035141A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Uhlig; Peter Dipl.-Ing. Schwarzbözl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: DE102009035141B4; WO2011012531A3; WO2011012531A2

Abstract

Der Solarstrahlungsempfänger enthält Trägerkörper (11), die jeweils einen porösen Absorberkörper (12) mit einer Empfangsfläche (20) tragen. Durch den Absorberkörper (12) wird Luft hindurchgesaugt und einem Wärmeverbraucher zugeführt. Danach wird die Luft zum Strahlungsempfänger zurückgeführt und strömt dort an den Trägerkörpern (11) entlang zur Vorderseite. Die Vorderseite ist mit einer transparenten Abdeckung (28) bedeckt, die einen Luftaustausch mit der Umgebung weitgehend verhindert. Dadurch werden Wärmeverluste an die Umgebung reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft einen offenen volumetrischen Solarstrahlungsempfänger mit Trägerkörpern, die einen porösen Absorberkörper enthalten, dessen Empfangsfläche der Sonnenstrahlung ausgesetzt wird.
Ein derartiger volumetrischer Solarstrahlungsempfänger ist in DE 197 44 541 C2 beschrieben. Dort wird unterschieden zwischen volumetrischen Absorbern und direkt-absorbierenden Absorbern. Volumetrische Absorber weisen Absorberstrukturen aus metallischen oder keramischen Wabenstrukturen, -gestricken oder -schäumen auf. Die Absorberstrukturen absorbieren die Solarstrahlung und werden von einem Fluid durchströmt. Bei einem offenen volumetrischen Absorber wird als Fluid die Umgebungsluft benutzt. Das konvektiv aufgeheizte Fluid wird einem Wärmeverbraucher zugeführt und in einem nachgeschalteten Prozess, wie z. B. einem Dampfturbinenprozess, verarbeitet. Bei direkt-absorbierenden Absorbern werden in einem Gas oder einer Flüssigkeit transportierte dunkle Partikel der Solarstrahlung ausgesetzt, wobei diese die Solarstrahlung absorbieren und das Gas bzw. die Flüssigkeit aufheizen.
Weitere Beispiele für volumetrische Solarstrahlungsempfänger sind in DE 101 13 637 C1 und DE 101 43 613 C1 beschrieben.
Bei den bekannten volumetrischen Solarstrahlungsempfängern wird die erhitzte Luft nach Abgabe der Wärmeenergie an den Verbraucher zum Solarstrahlungsempfänger zurückgeführt. Dort wird die zurückgeführte Luft, die noch Restwärme enthält, von Neuem in die Absorberkörper eingesaugt. Ein Teil dieser Luft gelangt in die Umgebung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen offenen volumetrischen Solarstrahlungsempfänger zu schaffen, bei dem die vor den Absorberkörper ausgeblasene rückgeführte Warmluft im Wesentlichen vollständig in den Luftkreislauf zurückgeführt wird.
Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfänger ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Er weist eine strahlungsdurchlässige Abdeckung auf, die der Trägerstruktur vorgesetzt ist und die zurückgeführte Luft zu den Absorberkörpern umleitet und dadurch die Wärmeverluste an die Umgebung verringert.
Bei dem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfänger wird mit Hilfe der Abdeckung sichergestellt, dass nahezu das gesamte rezirkulierte Luftvolumen, das noch die Restwärme des vorherigen Zirkulationszyklus enthält und in der Regel wärmer ist als die Umgebungsluft, der Empfangsfläche des Absorberkörpers von Neuem zugeführt wird.
Die Abdeckung muss keinen dichten Abschluss gegen die Trägerkörper bilden. Sie kann lose oder mit Abstand an den Trägerkörpern befestigt sein, so dass Umgebungsluft von außen eindringen und sich mit dem rezirkulierten Luftstrom mischen kann. Es ist auch möglich, die Abdeckung mit Durchbrechungen zu versehen, durch die Umgebungsluft frontal zu der Empfangsfläche einströmen kann.
Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfänger weist vorzugsweise zahlreiche Trägerkörper auf, die nebeneinander bzw. in einer Ebene angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, jeden Trägerkörper einzeln vorzusehen und diesem eine Abdeckung vorzusetzen. Wirtschaftlicher ist es allerdings, eine Abdeckung für zahlreiche Absorberkörper zu verwenden.
Die Abdeckung kann durchgehend sein oder aus Platten bestehen, die mit gegenseitigen Abständen angeordnet sind. Im Falle mehrerer beabstandeter Platten existieren zwischen den Platten Luftzuführungen, durch die Umgebungsluft angesaugt werden kann. Die Platten können entweder eben oder aus Gründen der Stabilität auch gewölbt sein. Sie bestehen vorzugsweise aus Glas.
Die Abdeckung ist transparent, nämlich für Sonnenlicht zwischen 300 nm und 800 nm Wellenlänge reflexionsarm und absorptionsarm. Die Abdeckung kann selektiv transparent sein, d. h. für Wärmestrahlung > 1000 nm ist die Reflexion hoch. Die Abdeckung ist im Prinzip dicht, so dass ein Stoffaustausch mit der Umgebung verhindert oder jedenfalls stark reduziert wird. Vorzugsweise ist die Abdeckung mit einer antireflektierenden Beschichtung versehen.
Vorzugsweise besteht die Abdeckung aus Quarzglas.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Solarstrahlungsempfänger entlang der Linie I-I von 2,
2 eine perspektivische Darstellung des Solarstrahlungsempfängers,
3 eine perspektivische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform,
4 eine spezielle Ausgestaltung der Abdeckung zur Erhöhung der Festigkeit und
5 eine Abdeckung mit gegenseitig beabstandeten Platten.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 weist der Solarstrahlungsempfänger 10 zahlreiche in einer Ebene angeordnete parallele Trägerkörper 11 auf, die im Prinzip rohrförmig gestaltet sind und einen Kopfabschnitt 11a, einen konischen Übergangsabschnitt 11b und einen schmaleren Fußabschnitt 11c aufweisen. Die Trägerkörper 11 sind in der Weise angeordnet und ausgebildet, wie in DE 197 44 541 C2 beschrieben ist. Sie bestehen aus hochtemperaturbeständigem Material. In dem Kopfabschnitt 11a ist ein Absorberkörper 12 angeordnet, der den Querschnitt des Kopfabschnitts im Wesentlichen ausfüllt. Der Absorberkörper 12 ist porös. Dies bedeutet, dass er Hohlräume enthält. Der Absorberkörper kann einstückig aus einem luftdurchlässigen Körper bestehen oder auch aus Fasermaterial, Gewebe, Filzmaterial, Schaummaterial u. dgl.. In jedem Fall muss der Absorberkörper aus hochtemperaturbeständigem strahlungsabsorbierendem Material bestehen, insbesondere aus Keramikmaterial. Ferner muss der Absorberkörper luftdurchlässig sein.
Die Trägerkörper 11 sind mit ihren rückwärtigen Enden an einer gemeinsamen Basis 13 befestigt. Diese enthält hinter jedem Trägerkörper eine Öffnung 14, durch die hindurch Luft 15 angesaugt wird. Die Luft wird zu einem Wärmeverbraucher transportiert, insbesondere zu einem Dampferzeuger, um Dampf für die Stromerzeugung herzustellen.
Die Abluft des Verbrauchers wird zu dem Solarstrahlungsempfänger 10 zurückgeführt, um die Trägerkörper 11 zu kühlen und dadurch von Neuem vorgewärmt zu werden. Die rückgeführte Abluft ist durch die Pfeile 16 bezeichnet. Sie strömt außen an den Trägerkörpern 11 entlang, und zwar in Gegenrichtung zu der abgesaugten Luft 15.
Jeder Absorberkörper 12 weist eine vordere Empfangsfläche 20 auf, die der einfallenden Solarstrahlung 22 zugewandt ist. Die Solarstrahlung dringt durch die poröse Struktur des Absorberkörpers tief in diesen ein und erwärmt ihn auf hohe Temperaturen. Der erwärmte Absorberkörper gibt konvektiv Wärme an die ihn durchströmende Luft ab.
Die zurückgeführte Luft strömt in den Zwischenräumen zwischen den Trägerkörpern 11 nach vorne und verteilt sich vor den Empfangsflächen 20.
Damit die zurückgeführte Luft sich nicht in stärkerem Maße mit der kalten Umgebungsluft vermischt, ist eine strahlungsdurchlässige Abdeckung 25 vorgesehen, die den Empfangsflächen 20 mit Abstand vorgesetzt ist, so dass zwischen Abdeckung und Empfangsflächen ein Luftvolumen 26 vorhanden ist, das von der zurückgeführten Abluft durchströmt wird, um von Neuem in den Absorberkörper 12 eingesaugt zu werden.
Die Abdeckung 25 weist einen seitlichen Rand 27 auf und eine aus Quarzglas bestehende strahlungsdurchlässige Scheibe 28. Der Rand 27 umgibt die Trägerkörper 11 mit seitlichem Abstand, so dass an ihm vorbei Luft einströmen kann. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Scheibe 28 einstückig.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Abdeckung 25 aus zahlreichen Streifen oder Platten 30 besteht, die dicht nebeneinander angeordnet sind und eine im Wesentlichen geschlossene Fläche bilden. 4 zeigt, dass die Streifen 30 in Querrichtung gewölbt sind, so dass sie zwischen längslaufenden Graten 31 jeweils durchhängen. Dadurch wird die mechanische Festigkeit erhöht.
5 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängers. Bei dieser Ausführungsform besteht die Abdeckung 25 aus mehreren Streifen oder Platten 33, die sich jeweils über eine Reihe von Trägerkörpern 11 erstrecken und Spalte 34 bilden, durch welche Außenluft angesaugt werden kann. Auf diese Weise wird rückgeführte Abluft mit Außenluft vermischt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19744541 C2 [0002, 0020]
- DE 10113637 C1 [0003]
- DE 10143613 C1 [0003]

Claims

Offener volumetrischer Solarstrahlungsempfänger (10) mit Trägerkörpern (11), die einen porösen Absorberkörper (12) enthalten, dessen Empfangsfläche (20) der Solarstrahlung (22) ausgesetzt wird, wobei der Absorberkörper (12) von Luft durchströmt wird, die als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt und dann an dem Trägerkörper (11) entlang zu der Empfangsfläche (20) des Absorberkörpers (12) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerkörper (11) mit einer strahlungsdurchlässigen Abdeckung (28) bedeckt sind, welche die zurückgeführte Luft zu den Absorberkörpern (12) umleitet und Wärmeverluste an die Umgebung verringert.
Solarstrahlungsempfänger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (28) aus einzelnen Platten (33) besteht, zwischen denen Spalte (34) gebildet sind.
Solarstrahlungsempfänger (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (28) in einem Durchlassbereich für Strahlungswellenlängen von 300 nm bis 800 nm geringere Reflexions- und Absorptionseigenschaften hat.
Solarstrahlungsempfänger (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung eine antireflektierende Beschichtung hat.