DE102010020061A1

DE102010020061A1 - Method for high speed switching-off of solar energy converter, involves guiding solar radiation to common receiver, and producing mist in optical path before receiver by atomizing device, where mist disperses and/or absorbs radiation

Info

Publication number: DE102010020061A1
Application number: DE102010020061A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Bayer Botero; Dennis Thomey
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-11-17
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: DE102010020061B4

Abstract

The method involves guiding solar radiation (12) to a common receiver (13), and producing mist (22) in an optical path before the receiver by an atomizing device (21), where the mist disperses and/or absorbs the solar radiation. The solar radiation coming from mirrors (11) are absorbed by the receiver, where the receiver is arranged in a tower (15). Compressed external air is produced as propulsion gas for absorption or dispersion medium by a compressor, and the mist is produced when the solar radiation is released. An independent claim is also included for a solar energy converter comprising a receiver.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schnellabschaltung einer Solarenergieumwandlungsanlage, welche ein Heliostatfeld aus Spiegeln aufweist, die Solarstrahlung auf einen gemeinsamen Empfänger lenken.The invention relates to a method for rapid shutdown of a solar energy conversion plant, which has a heliostat field of mirrors, direct the solar radiation to a common receiver.

Solarenergieumwandlungsanlagen mit auf einem Turm angeordneten Empfänger weisen ein Heliostatfeld aus zahlreichen Spiegeln auf, die so ausgerichtet werden, dass Sie die Solarstrahlung sämtlich auf einen gemeinsamen Empfänger (Receiver) lenken. Der Empfänger weist einen Absorber auf, welcher die Solarstrahlung in Wärme umsetzt. Die Wärme kann auf ein Wärmeträgermedium übertragen werden. Wegen der starken Konzentration der Strahlung am Empfänger kann dieser hohe Temperaturen in der Größenordnung von 800–1200°C annehmen und die Temperaturen können zur Energiegewinnung ausgenutzt werden oder auch zur solaren Stoffumwandlung. Solarenergieumwandlungsanlagen können eine Nennleistung von mehreren MW bereitstellen und stellen daher großtechnische Anlage dar. Im Bereich der Stoffumwandlung werden in solchen Anlagen unter anderem umweltgefährdende Chemikalien, wie z. B. Schwefelsäure, verarbeitet.Solar energy conversion plants with receivers mounted on a tower have a heliostat array of numerous mirrors that are aligned so that you direct the solar radiation all to a common receiver. The receiver has an absorber, which converts the solar radiation into heat. The heat can be transferred to a heat transfer medium. Due to the high concentration of radiation at the receiver, it can assume high temperatures of the order of 800-1200 ° C and the temperatures can be exploited for energy production or for solar conversion. Solar energy conversion plants can provide a rated power of several MW and therefore represent large-scale plant. In the field of material conversion in such facilities include environmentally hazardous chemicals such. As sulfuric acid processed.

Wegen der hohen Energie, die von einer Solarenergieumwandlungsanlage in einem relativ kleinen Volumen umgesetzt wird, kann es zu Überhitzungen und anderen Defekten kommen, die eine Schnellabschaltung der Anlage erfordern, um die Anlage in einen gesicherten Zustand zu überführen. Solche Einrichtungen werden je nach Gefährdungspotential der Anlage redundant oder diversitär ausgelegt.Because of the high energy dissipated by a solar energy conversion plant in a relatively small volume, overheating and other defects can occur which require an emergency shutdown of the plant to bring the plant into a safe state. Such facilities are designed redundant or diversified depending on the risk potential of the system.

Gegenwärtig erfolgt die Abschaltung solarer Turmsysteme über die Steuerungseinrichtungen, die die Heliostaten dem Sonnenstand nachführen und somit für den normalen Betrieb benötigt werden. Dies setzt ein komplexes und verzweigtes Steuersystem voraus. Eine Fehlfunktion der Heliostatsteuerung kann zu schwerwiegenden Beschädigungen der Anlage oder zur Gefährdung der Umwelt führen.Currently, the shutdown of solar tower systems via the control devices that track the heliostats the sun and thus required for normal operation. This requires a complex and complex tax system. A malfunction of the heliostat control can lead to serious damage to the system or endangering the environment.

Bekannt sind ferner Shutter. Dies sind Verschlussmechanismen, die aus beweglichen Blechen oder Lamellen bestehen und den Strahlengang unterbrechen können. Solche Shutter sind sehr aufwendig. Sie benötigen zusätzlichen Bauraum und eröffnen die Gefahr einer ungewollten Abschattung des Empfängers.Also known are shutters. These are locking mechanisms, which consist of moving plates or lamellas and can interrupt the beam path. Such shutters are very expensive. They require additional space and open the risk of unwanted shading of the recipient.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Schnellabschaltung einer Solarenergieumwandlungsanlage anzugeben, das mit geringem technischen Aufwand und ohne das Erfordernis aufwendiger Einbauten den Strahlengang der hochenergetischen Solarstrahlung sicher unterbricht.The present invention has for its object to provide a method for rapid shutdown of a solar energy conversion plant, which safely interrupts the beam path of high-energy solar radiation with little technical effort and without the requirement of complex installations.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Es sieht vor, dass im Strahlengang vor dem Empfänger mit einer Vernebelungsvorrichtung ein Nebel erzeugt wird, der die Solarstrahlung dispergiert bzw. absorbiert.The inventive method is defined by the patent claim 1. It provides that in the beam path in front of the receiver with a fogging device, a mist is generated, which disperses or absorbs the solar radiation.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die Verwendung eines Aerosolnebels zum Schutz einer Receiver-Apertur vor konzentrierter solarer Strahlung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit bekannten und ausgereiften Techniken ohne größeren Aufwand ausführbar. Die Nebelerzeugung kann durch Ausstoßen von Aerosolnebel aus einer druckluftbetriebenen Ausstoßvorrichtung erfolgen. Da der Nebel sich über einen größeren Bereich ausdehnt, ist es nicht erforderlich, die Ausstoßvorrichtung unmittelbar am Empfänger zu positionieren. Hinsichtlich der Anbringung von Nebeldüsen besteht ein großer Gestaltungsspielraum. Unter dem Begriff ”Nebel” fallen nicht nur Aerosolnebel, sondern auch Nebel, die Feststoffpartikel enthalten, wie z. B. Staub oder Pulver.An essential aspect of the invention is the use of an aerosol mist to protect a receiver aperture from concentrated solar radiation. The inventive method can be carried out with known and mature techniques without much effort. Mist generation can be accomplished by ejecting aerosol mist from an air powered ejector. Since the mist expands over a larger area, it is not necessary to position the ejector directly on the receiver. With regard to the attachment of mist nozzles, there is a great deal of creative freedom. The term "fog" not only aerosol mist, but also fog containing solid particles such. As dust or powder.

Die Erfindung betrifft ferner eine Solarenergieumwandlungsanlage mit einer Schnellabschaltvorrichtung entsprechend dem Patentanspruch 2.The invention further relates to a solar energy conversion system with a Schnellabschaltvorrichtung according to claim 2.

Vorzugsweise erfolgt die Nebelerzeugung unter Verwendung von Treibgasbehältern, welche ein unter Druck stehendes Gas enthalten. Solche Treibgasbehälter können, ähnlich wie bei Gas-Feuerlöschanlagen, durch Öffnen eines Ventils ausgelöst werden. Sie können relativ nahe am Einsatzort untergebracht werden, so dass im Auslösefall Gas schnell und ohne längere Laufzeiten am Einsatzort wirksam wird.Preferably, mist generation is accomplished using propellant gas tanks containing a pressurized gas. Such propellant gas can, similar to gas fire extinguishing systems, be triggered by opening a valve. They can be accommodated relatively close to the place of use, so that in case of release gas becomes effective quickly and without longer running times at the place of use.

Eine Anlage kann auch derart konzipiert werden, dass die Nebelerzeugung mit der Auslösung der Treibgasbehälter lediglich begonnen, dann aber mit einem motorgetriebenen Verdichter fortgeführt wird.An installation can also be designed in such a way that the generation of mist only begins with the activation of the propellants, but then continues with a motor-driven compressor.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Nebelauslösung mit einem Treibgas, das mit einem Absorptionsmedium unter Erzeugung eines Aerosolnebels vermischt wird. Das Treibgas kann beispielsweise Luft sein und das Absorptionsmedium kann aus Wasser bestehen.Expediently, the mist release takes place with a propellant, which is mixed with an absorption medium to produce an aerosol mist. The propellant may be, for example, air and the absorption medium may be water.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the single FIGURE of the drawing.

In der Zeichnung ist eine Solarenergieumwandlungsanlage mit Schnellabschaltvorrichtung schematisch dargestellt.In the drawing, a solar energy conversion system with Schnellabschaltvorrichtung is shown schematically.

Die Solarenergieumwandlungsanlage weist ein Heliostatfeld 10 aus einer großen Anzahl von Spiegeln 11 auf, die die einfallende Solarstrahlung 12 auf einen gemeinsamen Empfänger 13 richten. Die Spiegel 11 werden dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt, so dass jeder der Spiegel zu jeder Tageszeit die Solarstrahlung auf den Empfänger 13 leitet. Da hunderte oder tausende von Spiegeln 11 vorgesehen sind, ist die am Empfänger auftretende Strahlungskonzentration sehr groß.The solar energy conversion plant has a heliostat field 10 from a large number of mirrors 11 on that the incident solar radiation 12 to a common recipient 13 judge. The mirror 11 are tracked to the respective position of the sun, so that each of the mirrors at any time of day the solar radiation to the receiver 13 passes. There are hundreds or thousands of mirrors 11 are provided, the radiation concentration occurring at the receiver is very large.

Der Empfänger 13 ist ein Strahlungsabsorber, der aus hochtemperaturbeständiger Keramik besteht. Er ist auf einem Turm 15 montiert, so dass er von der Reflektionsstrahlung jedes der Spiegel 11 erreicht wird.The recipient 13 is a radiation absorber, which consists of high-temperature-resistant ceramic. He is on a tower 15 mounted so that it reflects from the reflection radiation of each of the mirrors 11 is reached.

Als Schnellabschaltvorrichtung 20 ist eine Vernebelungsvorrichtung 21 vorgesehen, die im Strahlengang vor dem Empfänger 13 einen Nebel 22 erzeugen kann. Die Vernebelungsvorrichtung 21 weist Düsen 23 auf, die hier auf einem Kranz um den Empfänger 13 herum angeordnet sind. Die Düsen 23 sind Aerosoldüsen, die ein Absorptionsmedium mit einem Treibgas vermischen und als Aerosolnebel ausstoßen. Der Neben 22 kann auch dispergierende Teilchen enthalten, die die Solarstrahlung zerstreuen und bewirken, dass nur ein geringer Teil der Strahlung auf den Empfänger 13 fällt.As an emergency shutdown device 20 is a fogger 21 provided in the beam path in front of the receiver 13 a fog 22 can generate. The fogging device 21 has nozzles 23 on top, here on a wreath around the receiver 13 are arranged around. The nozzles 23 are aerosol nozzles that mix an absorption medium with a propellant gas and eject as aerosol mist. The side 22 may also contain dispersing particles that disperse the solar radiation and cause only a small portion of the radiation to the receiver 13 falls.

Die Vernebelungsvorrichtung 21 ist über ein Schnellöffnungsventil 25 mit Treibgasbehältern 26 verbunden. Die Treibgasbehälter 26 sind Druckbehälter, die ein Treibgas unter Druck enthalten. Das Treibgas kann aus jedem beliebigem Gas bestehen.The fogging device 21 is via a quick opening valve 25 with propellant tanks 26 connected. The propellant tanks 26 are pressure vessels containing a propellant gas under pressure. The propellant may consist of any gas.

Ein Vorratsbehälter 30 enthält ein Absorptions- bzw. Dispersionsmedium für die Nebelerzeugung, insbesondere Wasser. Der Vorratsbehälter 30 ist über eine Pumpe 31 mit der Vernebelungsvorrichtung 21 verbunden. In den Düsen 23 werden das Treibgas und das Absorptionsmedium miteinander verwirbelt und unter Erzeugung eines feinen Nebels 22 ausgestoßen. Entsprechende Nebelerzeugungsdüsen sind aus der Löschtechnik bekannt.A storage container 30 contains an absorption or dispersion medium for mist production, in particular water. The storage tank 30 is about a pump 31 with the fogging device 21 connected. In the nozzles 23 For example, the propellant gas and the absorption medium are entangled with each other to form a fine mist 22 pushed out. Corresponding mist-generating nozzles are known from the extinguishing technique.

Es ist auch möglich die Düsen als Venturidüsen auszubilden, die mit Hilfe des strömenden Treibgases das Absorptionsmedium ansaugen.It is also possible to design the nozzles as Venturi nozzles which suck in the absorption medium with the aid of the flowing propellant gas.

Der vor dem Empfänger 13 erzeugte dichte Nebel 22 kann in kürzester Zeit ausgebracht werden, so dass die Schnellabschaltvorrichtung eine geringe Ansprechzeit hat. Mechanische Komponenten sind für die Schnellabschaltung nicht erforderlich. Die Schnellabschaltung erfordert auch keinen Eingriff in das Steuerungssystem der Spiegel 11.The front of the receiver 13 generated dense fog 22 can be deployed in the shortest possible time, so that the Schnellabschaltvorrichtung has a low response time. Mechanical components are not required for the quick shutdown. The quick shutdown does not require any intervention in the control system of the mirror 11 ,

Es besteht die Möglichkeit, nur den ersten Teil der Nebelbildung unter Verwendung der Treibgasbehälter 26 durchzuführen, um das System so lange mit Trägergas zu versorgen, bis ein zusätzlicher Verdichter arbeitsfähig gemacht wird, um das System mit Treibgas zu versorgen.There is the possibility of only the first part of the mist formation using the LPG tank 26 to supply the system with carrier gas until an additional compressor is made operable to supply the system with propellant gas.

Das Absorptionsmedium kann ohne die Verwendung von Pumpen ausschließlich durch Schwerkraft gefördert werden. Dadurch wird der Wartungsaufwand minimiert und die Zuverlässigkeit wird erhöht.The absorption medium can be conveyed exclusively by gravity without the use of pumps. This minimizes maintenance and increases reliability.

Claims

Method for rapid shutdown of a solar energy conversion plant, which uses a heliostat field ( 10 ) from mirrors ( 11 ), the solar radiation ( 12 ) to a common recipient ( 13 ), characterized in that in the beam path in front of the receiver ( 13 ) with a fogging device ( 21 ) a fog ( 22 ) is generated, which disperses or absorbs the solar radiation.

Solar energy conversion plant with one on a tower ( 15 ) ( 13 ) which consists of numerous mirrors ( 11 ) absorbed solar radiation, characterized in that a Schnellabschaltvorrichtung ( 20 ) is provided, which in the case of triggering in the beam path in front of the receiver ( 13 ) a fog ( 22 ) generated.

Solar energy conversion plant according to claim 2, characterized in that the Schnellabschaltvorrichtung ( 20 ) LPG tank ( 26 ) containing a propellant gas under pressure and reservoir ( 30 ) containing an absorption medium.

Solar energy conversion plant according to claim 2 or 3, characterized in that nozzles ( 23 ) are provided, in which flowing propellant entrains the absorption medium with mixing.

Solar energy conversion plant according to one of claims 2-4, characterized in that a compressor is provided which generates compressed outside air as a propellant gas for an absorption or dispersion medium.