DE102010027809A1

DE102010027809A1 - Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher und entsprechende Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk

Info

Publication number: DE102010027809A1
Application number: DE102010027809A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft einen Solarenergie Hochtemperatur-Wärmetauscher und eine entsprechende Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk. Der Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher umfasst: ein für Solarenergie transparentes Mantelrohr (11; 11'), welches einen ersten verschlossenen Endbereich (V; V1) und einen ersten offenen Endbereich (0) aufweist; und eine in das Mantelrohr (11; 11') eingesetzte Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a), welche einen zweiten verschlossenen Endbereich (V'; V1') und einen zweiten offenen Endbereich (0') aufweist; wobei die Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a) ein Absorberrohr (10; 10') und eine am Absorberrohr (10; 10') angebrachte Absorberkappe (10a; 10'a) aufweist; wobei die Absorberkappe (10a; 10'a) den zweiten verschlossenen Endbereich (V'; V1') bildet und auf der Seite des ersten verschlossenen Endbereich (V; V1) beabstandet vom Mantelrohr (10; 10') angeordnet ist; und wobei der Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a) ein Fluid von der Seite des ersten offenen Endbereichs (0) zuführbar und abführbar ist. Die entsprechende Kollektoranordnung weist zusätzlich zumindest einen Linienkonzentrator (14) auf, welcher in Bezug auf den Solarenergie-Hochtemperatur Wärmetauscher derart angeordnet ist, dass er auf ihn einfallende Solarenergie entlang der Längsachse des Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers konzentriert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher und eine entsprechende Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk.
Ein solarthermisches Kraftwerk ist ein Kraftwerk, welches die Strahlungsenergie der Sonne über eine Kollektoranordnung mit einem Absorber als primäre Energiequelle verwendet.
Bisherige solarthermische Kraftwerke erreichen je nach Bauart höhere Wirkungsgrade und meist niedrigere spezifischere Investitionskosten als Photovoltaikanlagen, haben jedoch höhere Betriebs- und Wartungskosten und erfordern eine bestimmte Mindestgröße. Sie sind derzeit nur in besonders sonnenreichen Regionen in der Nähe des Äquators wirtschaftlich einsetzbar.
Solarthermische Kraftwerke mit Bündelung der Direktstrahlung der Sonne verwenden fokussierende Reflektorflächen, um das einfallende Sonnenlicht auf dem Absorber zu bündeln. Der Absorber befindet sich in einem Wärmetauscher, wo er die absorbierte Primärenergie der Sonne an ein Wärmeträgerfluid, z. B. sog. Thermoöl, abgibt. In einem sekundären Wärmetauscher erwärmt bzw. verdampft das Wärmeträgerfluid ein Arbeitsfluid, wie z. B. Wasser oder einen leicht verdampfbaren Kohlenwasserstoff.
Nach dem Stand der Technik gibt es grundsätzlich zwei Bündelungsarten, die sog. punktfokussierende Konzentration und die sog. linienfokussierende Konzentration. Punktfokussierende Konzentratoren müssen zweiachsig nachgeführt werden, wohingegen die linienfokussierenden Konzentratoren mindestens einachsig nachgeführt werden müssen.
Fokussierende Systeme arbeiten üblicherweise im Hochtemperaturvereich oberhalb von etwa 300°C, wohingegen Niedertemperatursysteme bis etwas 150°C arbeiten.
10 zeigt eine bekannte Paraboloid-Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk.
Ein Beispiel eines bekannten punktfokussierenden Konzentrators ist ein Parabolspiegels 1. Der Parabolspiegel 1 reflektiert das Sonnenlicht auf einen im Brennpunkt angebrachten Absorber 1a einer Stirling-Maschine.
11 zeigt eine bekannte Solarturm-Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk, bei dem eine Mehrzahl von Heliostaten 2 (zweiachsig nachgeführte flache Reflektoren) die einfallende solare Strahlung auf einen zentral positionierten Turm 2a mit einer darin vorgesehenen Wärmekraft-Maschine reflektieren.
12 zeigt eine bekannte Linienkollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk mit dem Beispiel eines linienfokussierenden Konzentrators 3, der die Form einer Parabolrinne 3 aufweist, die die eintreffenden Strahlen auf einen in einer Brennlinie angeordneten Wärmetauscher 3a konzentriert, der von einem zum anderen Längsende hin mit einem Wärmeträgerfluid durchströmt wird.
13 zeigt einen bekannten linienfokussierenden Fresnel-Kollektor 4, bei dem mehrere flache nebeneinander angeordnete einzeln ausgerichtete Reflektoren 4a die Sonnenstrahlen auf einen zweiten, oberhalb angebrachten parabolähnlichen Reflektor (eindimensional gestrichelt angedeutet durch 4c) leiten, der die Strahlen letztendlich auf eine Brennlinie fokussiert, in der ein Wärmetauscher 4b angeordnet ist.
14a–c zeigen einen bekannten Solarenenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher, wie z. B. in der U.S. 4,300,538 oder in der U.S. 2010/0051016 A1 offenbart.
Der bekannte Wärmetauscher 5 besteht aus einem Mantelrohr 7 aus Glas und einen im Inneren konzentrisch liegenden Absorberrohr 6, welches durch einen Ringspalt VS vom Mantelrohr 7 isoliert ist. Das Absorberrohr 6 ist auf der Außenseite mit einer strahlungsselektiven Beschichtung versehen, welches den größten Teil der einfallenden Sonnenstrahlung absorbiert und an ein das Absorberrohr 6 durchströmendes Wärmeträgerfluid überträgt.
Der Ringspalt VS zwischen dem Absorberrohr 6 und dem Mantelrohr 7 wird meist vollständig evakuiert, um die Wärmeverluste durch Wärmeübertragung sowie Konvektion zu minimieren. Dafür wird an den beiden Enden des Wärmetauschers jeweils eine Dehnungsausgleichseinrichtung in Form eines Balges 8 installiert, welche einerseits die unterschiedlichen Längenausdehnungen des Absorberrohrs 6 und des Glasrohrs 7 kompensiert und andererseits das innen anliegende Vakuum nach außen hin abschirmt.
Der Balg 8 ist bei herkömmlichen Wärmetauschern zwingend notwendig, da das Absorberrohr 6 aus Stahl und das Mantelrohr 7 aus Glas einerseits unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen, sowie andererseits stark differierende Betriebstemperaturen aufweisen. Diese Faktoren führen zu beachtlichen Längenunterschieden, welche unbedingt kompensiert werden müssen, um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.
Im Bereich der konzentrierenden solarthermischen Kraftwerke richten sich die meisten am Markt befindlichen Unternehmen aufgrund des hohen Strahlungsangebots sowie dem hohen Direktstrahlungsanteil auf Regionen mit Nähe zum Äquator hinaus. Dies spiegelt sich im Segment der linienfokussierenden Systeme, welche bisher die kommerzielle Großkraftwerkstechnik bilden, in horizontal ausgerichteten bis zu 150 Meter langen Kollektoren wider, welche ausschließlich um ihre Längsachse herum nachgeführt werden.
Das Konzept dieser bekannten solarthermischen Kraftwerke müßte für eine mögliche Nutzung außerhalb der äquatornahen Zonen modifiziert werden. Dies liegt an der vergleichsweise geringeren Strahlungsdauer- und Leistung der Sonne sowie dem geographisch abhängigen größeren Einfallswinkel. Um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, müssen die einachsig nachgeführten linienfokussierenden Kollektoren entweder starr aufgerichtet oder um eine zweite Nachführachse erweitert werden. Der optimale Neigungswinkel eines einachsig nachgeführten Kollektors liegt beispielsweise für Süddeutschland je nach Nachführ-Methodik (Nord-Süd-Achsenausrichtung, parallaktische Montierung, azimutale Nachführung) zwischen ungefähr 40 und knapp über 50°.
Dabei treten jedoch Probleme wegen der großen Länge bekannter einachsig nachgeführten linienfokussierenden Kollektoren auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher und eine entsprechende Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk zu schaffen, welche auch in höheren Breitengeraden mit nicht allzu hohem konstruktivem Aufwand flexibel einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 und eine entsprechende Kollektoranordnung gemäß Anspruch 11 für ein solarthermisches Kraftwerk, wie in Anspruch 15 angegeben, gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass das Mantelrohr und die darin eingesetzte Absorbereinrichtung einen jeweiligen verschlossenen Endbereich und einen jeweiligen offenen Endbereich aufweisen. Die Absorbereinrichtung weist ein Absorberrohr und eine am Absorberrohr angebrachte Absorberkappe auf, wobei die Absorberkappe den verschlossenen Endbereich der Absorbereinrichtung bildet und auf der Seite des verschlossenen Endbereich des Mantelrohrs beabstandet vom Mantelrohr angeordnet ist. Der Absorbereinrichtung ist ein Fluid von der Seite des offenen Endbereichs des Mantelrohrs zuführbar und abführbar.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Solarenenergie-Hochenergie-Wärmetauschers besteht darin, dass aufgrund der einseitigen Verbindung zwischen Absorbereinrichtung und Mantelrohr auf eine konstruktiv aufwändige und kostspielige Dehnungsausgleichseinrichtung verzichtet werden kann, da sich das Absorberrohr aufgrund seiner einseitigen Befestigung am Mantelrohr unabhängig vom Mantelrohr ausdehnen kann. Somit lässt sich auch die Gefahr dynamisch bedingter Lecks durch die erfindungsgemäße Konstruktion nahezu vollkommen ausschließen. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass die Absorbereinrichtung zweiteilig gestaltet ist, d. h. Absorberrohr und Absorberkappe sind verschweißt oder verschraubt o. ä. Damit können Absorberkappe und Absorberrohr im Wesentlichen unabhängig voneinander thermisch und mechanisch optimiert werden.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung besteht darin, dass sie mit nicht allzu hohem konstruktiven Aufwand flexibel für ein solarthermisches Kraftwerk anwendbar ist, welches in höheren Breitengeraden liegt, und kompakt und zumindest einachsig, vorzugsweise zweiachsig, nachführbar ist.
Beider Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung mit einer Kombination von Linienkonzentrator und Punktkonzentrator lässt sich sogar eine Verdampfung des Arbeitsfluids im verschlossenen Endbereich der Absorberkappe erzielen und somit der Wirkungsgrad erhöhen, wenn die Konzentrationsfaktoren entsprechend gewählt werden und die Absorberkappe entsprechend thermobeständig bzw. druckbeständig ist.
Aus den Unteransprüchen ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen. dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1a, b eine jeweilige schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers zur Erläuterung des Funktionsprinzips;
2a, b eine jeweilige schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse;
3a, b eine jeweilige schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse;
4a, b eine jeweilige schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse
5a, b eine jeweilige schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse;
6a, b eine jeweilige schematische, Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung im Querschnitt bzw. in Draufsicht;
7a, b eine jeweilige schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung im Querschnitt bzw. in Draufsicht;
8 eine schematische Darstellung eines kollektiven Antriebs zur Drehwinkeleinstellung für eine erfindungsgemäße Kollektoranordnung;
9 eine schematische Darstellung eines kollektiven Antriebs zur Drehwinkeleinstellung für eine erfindungsgemäße Kollektoranordnung;
10 eine bekannte Paraboloid-Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk;
11 eine bekannte Solarturm-Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk;
12 eine bekannte Linienkollektoranordnung in Form einer Parabolrinne für ein solarthermisches Kraftwerk;
13 eine bekannte Fresnel-Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk; und
14a–c einen üblichen Wärmetauseher einer bekannten Linienkollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk in Draufsicht bzw. in zwei Querschnitten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1a, b sind eine jeweilige schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers zur Erläuterung des Funktionsprinzips.
In 1a ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers 9 (erste Ausführungsform), 9' (zweite Ausführungsform) und 9'' (dritte Ausführungsform) gezeigt. In 1b ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers 9''' (vierte Ausführungsform) gezeigt.
Der Wärmetauseher 9, 9', 9'' gemäß 1a weist "ein für Solarenergie transparentes Mantelrohr 11 aus Glas auf, welches einen ersten verschlossenen Endbereich V und einen ersten offenen Endbereich O aufweist.
Eingesetzt in das Mantelrohr 11 aus Glas ist ein Absorberrohr 10 mit einer daran angebrachten (z. B. geschraubten oder durch ein Gewinde eingedrehten) Absorberkappe 10a (z. B. beide aus mit einer Absorptionsschicht beschichtetem Stahl oder mit einer Absorptionsschicht beschichteter Keramik o. ä.), wobei letztere einen zweiten verschlossenen Endbereich V' und ersteres einen zweiten offenen Endbereich 0' aufweist, wie in den beiden Aufrissen von 1a erkennbar.
Der erste und zweite verschlossene Endbereich V, V' und der erste und zweite offene Endbereich 0, 0' liegen jeweils auf dergleichen Seite des Wärmetausehers 9, 9', 9''. weiterhin stehen das Mantelrohr 11 und Absorberrohr 10/Absorberkappe 10a nicht miteinander in Berührung, sondern sind voneinander um einen Abstand G beabstandet und über einen Anschlussflansch F, F', F' an dem ersten und zweiten offenen Ende 0, 0' miteinander verbunden, so dass dazwischen ein Ringspalt gebildet ist. Der Anschlussflansch F verschließt das offene Ende 0 des Mantelrohrs, sodass im Ringspalt zwischen Absorberrohr 10 und Absorberkappe 10a und Mantelrohr 11 ein Isolationsvolumen I, vorzugsweise ein Isolationsvakuum oder eine bestimmte Gasatmosphäre, gebildet sein kann.
Der aus Absorberrohr 10, Absorberkappe 10a bestehenden Absorbereinrichtung kann ein wärmeträgerfluid, z. B. Thermoöl, von der Seite des ersten offenen Endbereichs 0 in Richtung INL zugeführt und in Richtung OUTL abgezogen werden. Der Wärmetauscher 9''' gemäß 1b weist ein für Solarenergie transparentes Mantelrohr 11' aus Glas auf, welches einen ersten verschlossenen Endbereich V1 und einen ersten offenen Endbereich 0 aufweist.
Eingesetzt in das Mantelrohr 11 aus Glas ist ein Absorberrohr 10' mit einer daran angebrachten Absorberkappe 10'a (z. B. beide aus Stahl oder Keramik), wobei letztere einen zweiten verschlossenen Endbereich V1' und ersteres einen zweiten offenen Endbereich 0' aufweist, wie in den beiden Aufrissen von 1b erkennbar.
Beim Wärmetauscher 9''' gemäß 1b sind der erste und zweite verschlossene Endbereich V1, V1' gegenüber dem Absorberrohr 10' bzw. dem entsprechenden Bereich des Mantelrohrs 11' aufgeweitet. Zudem ist der Abstand G' im aufgeweiteten Bereich größer als der Abstand G im nicht aufgeweiteten Bereich im Ringspalt um das Absorberrohr 10'.
Ansonsten sind die Ausführungsformen 9, 9', 9'' einerseits und 9''' andererseits gleich konzipiert.
Obwohl gemäß 1a, b das Absorberrohr 10 und die Absorberkappe 10a aus dem gleichen Material sind, könnte beispielsweise ein unterschiedliches Material bzw. eine unterschiedliche Wandstärke verwendet werden. Insbesondere könnte die Absorberkappe 10a thermisch, und oder mechanisch stabiler gestaltet werden, da sie einerseits bei bestimmten Ausführungsformen einen stärker belasteten Fluidumkehrbereich und Punktabsorbtionsbereich bildet.
Ein besonderer Vorteil der Ausführungsformen 9, 9', 9'' einerseits und 9''' andererseits ist zudem, dass sie kompakt gestaltet und montierbar sind, da sie nur auf einer Seite eine Fluidzuführung/Fluidabführung benötigen. Somit sind sie insbesondere für eine Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk anwendbar, welche auch in höheren Breitengeraden mit nicht allzu hohem konstruktiven Aufwand flexibel einsetzbar ist, d. h. kompakt und zweiachsig nachführbar ist.
Durch die Konstruktion gemäß 1a, b resultiert, dass das innen liegende Absorberrohr 10, 10' an dem ersten verschlossenen Endbereich V, V1 des Mantelrohrs 11, 11' nicht mit dem Mantelrohr 11, 11' verbunden sein muss. Dies ermöglicht, dass das Absorberrohr 10, 10' z. B. durch den Flansch F fest mit dem Mantelrohr 11, 11' verbunden werden kann, wobei der Abstand G, G' derart gewählt wird, dass genug Platz für unterschiedliche thermische Ausdehnungen des Mantelrohrs 11, 11' und des Absorberrohrs 10, 10' vorhanden ist.
Nachstehend wird mit Bezug auf die Ausführungsformen gemäß 2a, b–5a, b die 'Beschickung der Absorbereinrichtung mit dem Wärmeträgerfluid bzw. Arbeitsfluid näher erläutert, was bei diesen Bespielen derart geschieht, dass die Beschickung mit kühlem Fluid und die Entnahme des erwärmten bzw. verdampften Fluids vom zweiten offenen Endbereich 0' des Absorberrohrs 10, 10' aus gegenstrommäßig verläuft. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, und es könnte, wenn auch konstruktiv aufwendiger eine Zuleitung für das Fluid durch das Isolationsvolumen I bis zum zweiten verschlossenen Endbereich V', V1' geführt werden und die Ableitung am zweiten offenen Endbereich 0' vorgesehen werden.
2a, b sind eine jeweilige schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse.
Bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers 9 gemäß 2a, b ist der Verbindungsbereich zwischen Absorberrohr 10 und Absorberkappe 10a mit Bezugszeichen AB bezeichnet und ist eine Schweissnaht. Absorberrohr 10 und Absorberkappe 10a sind bei diesem Beispiel aus beschichtetem Stahl.
Weiterhin ist eine Trennröhre 12a in das Absorberrohr 10 eingesetzt, welche sich bis zum Ende des Absorberrohrs 10 also bis zum verschlossenen Endbereich V' in Form der Absorberkappe 10a erstreckt und welches sich andererseits bis zur Außenseite des Flansches F erstreckt.
Die Trennröhre 12a teilt das Absorberrohr 10 in einen ersten Fluidkanal K1 und einen zweiten Fluidkanal K2. Die Absorberkappe 10a, wo der erste Fluidkanal K1 und der zweite Fluidkanal K2 in Fluidverbindung stehen, bildet einen Fluidumkehrbereich, um so die Realisierung des Gegenstromprinzips zu ermöglichen.
Beim vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel würde eine Beschickung mit Fluid durch die Trennröhre 12a entlang der Richtung des Pfeils IN stattfinden, wobei das erwärmte bzw. verdampfte Fluid durch den Fluidkanal K2 entlang der Richtung der Pfeile OUT wieder austritt.
3a, b sind eine jeweilige schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse.
Bei der zweiten Ausführungsform des Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers 9' gemäß 3a, b ist eine Trennplatte 12b im Absorberrohr 10 vorgesehen, welche das Absorberrohr 10 in einen ersten Fluidkanal K1' und einen zweiten Fluidkanal K2' aufteilt, die ausgehend vom zweiten offenen Endbereich 0' bis zum zweiten geschlossenen Endbereich V' in Form der Absorberkappe 10a getrennt sind, wobei es auch hier die Fluidverbindung zur Fluidumkehr im zweiten geschlossenen Endbereich V' gibt, sodass auch bei dieser Ausführungsform das Gegenstromprinzip realisiert ist. Beim vorliegenden Beispiel geschieht die Beschickung mit Fluid entlang der Richtung des Pfeils IN' durch den Flansch F' und die Entnahme des Fluids entlang der Richtung des Pfeils OUT' im Flansch F', wobei der erste Fluidkanal K1' der Einflusszweig ist und der zweite Fluidkanal K2' der Ausflusszweig ist.
Ansonsten sind die erste und zweite Ausführungsform gleich aufgebaut.
4a, b sind eine jeweilige schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse.
Bei der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers 9'' sind eine erste und zweite Trennplatte 12c, 12d im Absorberrohr 10 vorgesehen, welche das Absorberrohr in einen ersten Fluidkanal K1'', einen zweiten Fluidkanal K2'' und einen dritten Fluidkanal K3'' aufteilen. Wiederum ist wie bei den beiden oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine Fluidkommunikation der Fluidkanäle K1'', K2'', K3'' nur im verschlossenen Endbereich V' in Form der Kappe 10a vorgesehen, wodurch auch hier das Gegenstromprinzip realisierbar ist.
Bei diesem Beispiel erfolgt die Beschickung mit Fluid entlang des Pfeils IN'' durch den Fluidkanal K1'' zwischen der ersten und zweiten Trennplatte 12c, 12d und die Rückleitung des Fluids im zweiten bzw. dritten Fluidkanal K2'' bzw. K3'' in Richtung der Pfeile OUT1'' und OUT2''.
Ansonsten sind die erste, zweite und dritte Ausführungsform 20 gleich aufgebaut.
5a, b sind eine jeweilige schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers im Querschnitt entlang der Linien A-A und B-B parallel bzw. senkrecht zu seiner Längsachse.
Beim Wärmetauscher 9''' gemäß 5a, b sind der erste und zweite verschlossene Endbereich V1, V1' gegenüber dem Absorberrohr 10' bzw. dem entsprechenden Bereich des Mantelrohrs 11' aufgeweitet. Zudem ist der Abstand G' im aufgeweiteten Bereich größer als der Abstand G im nicht aufgeweiteten Bereich im Ringspalt um das Absorberrohr 10'.
Weiterhin ist eine Trennröhre 12a in das Absorberrohr 10' eingesetzt, welche sich bis zum Ende des Absorberrohrs 10' also bis zum verschlossenen Endbereich V' in Form der Absorberkappe 10a erstreckt und welche sich andererseits bis zur Außenseite des Flansches F''' erstreckt.
Die Trennröhre 12a teilt das Absorberrohr 10' in einen ersten Fluidkanal K1''' und einen zweiten Fluidkanal K2'''. Die Absorberkappe 10'a, wo der erste Fluidkanal K1''' und der zweite Fluidkanal K2''' in Fluidverbindung stehen, bildet einen Fluidumkehrbereich, um so die Realisierung des Gegenstromprinzips zu ermöglichen.
Beim vorliegenden vierten Ausführungsbeispiel würde eine Beschickung mit Fluid durch die Trennröhre 12a entlang der Richtung des Pfeils IN''' stattfinden, wobei das erwärmte bzw. verdampfte Fluid durch den Fluidkanal K2''' entlang der Richtung der Pfeile OUT''' wieder austritt.
Ansonsten sind die erste, zweite, dritte und vierte Ausführungsform gleich aufgebaut.
6a, b sind eine jeweilige schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung Im Querschnitt bzw. in Draufsicht.
In 6a, b bezeichnet Bezugszeichen 14 einen linienfokussierenden Konzentrator in Form einer Parabolrinne, in deren Brennlinie ein Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher 9, 9', 9'' nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen angeordnet ist.
Der Linienkonzentrator 14 konzentriert also die auf ihn einfallende Solarenergie entlang der Längsachse des Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers 9, 9', 9''.
Wie aus 6a entnehmbar, ist eine Drehvorrichtung 15 vorgesehen, um die die Kollektoranordnung um eine zu einer Aufstellungsebene AO senkrechte Achse Z um einen Winkel F drehbar ist. Des Weiteren ist eine Versteileinrichtung 16 vorgesehen, durch die der Neigungswinkel P bezüglich der z-Achse verstellbar ist. Beim vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist die Verstelleinrichtung 16 manuell bedienbar.
Aufgrund des besonderen Aufbaus des Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers 9, 9', 9'' ist die Kollektoranordnung gemäß 6a, b für ein solarthermisches Kraftwerk anwendbar, welche auch in höheren Breitengeraden mit nicht allzu hohem konstruktiven Aufwand flexibel einsetzbar ist, d. h. kompakt und zumindest einachsig nachführbar ist.
7a, b sind eine jeweilige schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung im Querschnitt bzw. in Draufsicht.
Bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung ist ein Überstand U des Wärmetauschers 9, 9', 9'', 9''' über ein Längsende des Linienkonzentrators 14 vorgesehen.
Dieser Überstand U ist so gewählt, das das verschlossene Ende V, V1 des Mantelrohrs 11 und das verschlossene Ende V', V1' der Absorbereinrichtung also die Absorberkappe 10a, 10'a außerhalb des Bereichs des Linienkonzentrators 14 fallen.
Angrenzend an eine Endlinie TL des Linienkonzentrators 14 ist ein Punktkonzentrator 18 angeordnet, der eine teilparaboloidförmige Gestalt aufweist. Der Brennpunkt des Punktkonzentrators 18 ist derart in Bezug auf den Wärmetauscher 9, 9', 9'', 9''' gewählt, dass er auf ihn einfallende Solarenergie auf das verschlossene Ende V', V1' der Absorbereinrichtung, also die Absorberkappe 10a, 10b konzentriert. Somit erfolgt im Fluidumkehrbereich des durch den Wärmetauscher 9, 9', 9'' geleiteten Fluids eine zusätzliche starke Erwärmung durch den Punktfokus des Punktkonzentrators 18, die bei richtiger Dimensionierung sogar eine Verdampfung eines Arbeitsfluids in diesem Bereich ermöglicht. Typische Konzentrationsfaktoren sind 50 bis 100 im Bereich des Linienkonzentrators 14 und 1000 bis 5000 im Bereich des Punktkonzentrators 18. Somit könnte ggfs. auf das Wärmeträgerfluid vollkommen verzichtet werden.
Wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kollektoranordnung ist eine Drehbarkeit um die z-Achse um einen Winkel F durch eine entsprechende Dreheinrichtung 15 realisiert, sowie eine Einstellung des Neigungswinkels T durch eine automatische Verstelleinrichtung 16'.
Aufgrund der Kombination von Linienkonzentrator 14 und Punktkonzentrator 18 ist bei dieser Ausführungsform eine zweiachsige Nachführung erforderlich.
Somit lässt sich für jeden Breitengrad der optimale Neigungswinkel T finden und zudem eine kontinuierliche Nachführung der Kollektoranordnung mit der Sonne erzielen.
8 ist eine schematische Darstellung eines kollektiven Antriebs zur Drehwinkeleinstellung für eine erfindungsgemäße Kollektoranordnung.
Bei der in 8 gezeigten Anordnung sind mehrere Linienkonzentratoren 14a, 14b, 14c gemäß 6a, b mit entsprechenden Wärmetauschern 9, 9', 9''' vorgesehen, welche über eine Verstelleinrichtung 16' und ein entsprechendes Gestänge 16a, 16b, 16c, 16d mit Gelenken 17a, 17b, 17c, 17d kollektiv in ihrem Drehwinkel F verstellbar sind.
9 ist eine schematische Darstellung eines kollektiven Antriebs zur Drehwinkeleinstellung für eine erfindungsgemäße Kollektoranordnung.
Bei der in 9 gezeigten Anordnung sind mehrere Linienkonzentratoren 14a', 14b', 14c' gemäß 7a, b mit entsprechenden Wärmetauschern 9, 9', 9'', 9''' vorgesehen, welche über eine Verstelleinrichtung 16'' und eine entsprechende biegeschlaffe Kette 21 oder einen Zahnriemen kollektiv in ihrem Drehwinkel F verstellbar sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt.
Es können bei der oben beschriebenen Kollektoranordnung beliebige Kombinationen von Punkt- und Linienkonzentratoren verwendet werden und nicht die erläuterte Parabolrinne/Teilparaboloid-Kombination. Der Punktkonzentrator und der Linienkonzentrator können insbesondere einteilig oder segmentiert sein.
Auch ist das Gegenstromprinzip für den Wärmetauscher nicht zwingend erforderlich, wenn auch konstruktiv einfach und zweckmäßig. Es könnte z. B. auch eine Zuleitung für das Fluid durch das Isolationsvolumen bis zum verschlossenen Endbereich der Absorbereinrichtung geführt werden und die Ableitung am offenen Endbereich der Absorbereinrichtung vorgesehen werden.
Auch die erläuterten Materialien sind nur beispielhaft, und anstelle von Glas könnte z. B. ein Kunststoff für das Mantelrohr verwendet werden. Auch könnte das Mantelrohr analog zur Absorbereinrichtung zweiteilig gestaltet werden in Form von Mantelrohr und Mantelrohrkappe, und zwar entweder in einem festen Verbund oder in einem lösbaren Verbund.
Auch wäre des denkbar, den gesamten Absorber bzw. nur die Absorberkappe durch eine entsprechende Verschraubung mit dem Absorberrohr austauschbar zu gestalten, falls sie sehr starkem Verschleiß, z. B., aufgrund der Verwendung in einem Punktkonzentrator unterliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4300538 [0012]
US 2010/0051016 A1 [0012]

Claims

Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') mit: einem für Solarenergie transparenten Mantelrohr (11; 11'), welches einen ersten verschlossenen Endbereich (V; V1) und einen ersten offenen Endbereich (0) aufweist; und einer in das Mantelrohr (11; 11') eingesetzten Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a), welche einen zweiten verschlossenen Endbereich (V'; V1') und einen zweiten offenen Endbereich (0') aufweist; wobei die Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a) ein Absorberrohr (10; 10') und eine am Absorberrohr (10; 10') angebrachte Absorberkappe (10a; 10'a) aufweist; wobei die Absorberkappe (10a; 10'a) den zweiten verschlossenen Endbereich (V'; V1') bildet und auf der Seite des ersten verschlossenen Endbereich (V; V1) beabstandet vom Mantelrohr (10; 10') angeordnet ist; und wobei der Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a) ein Fluid von der Seite des ersten offenen Endbereichs (0) zuführbar und abführbar ist.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach Anspruch 1, wobei mindestens ein in die Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a) eingesetztes Trennungselement (12a; 12b; 12c," 12d) vorgesehen ist, welches die Absorbereinrichtung (10, 10a; 10', 10'a) in mindestens einen ersten und einen zweiten Fluidkanal (K1, K2; K1', K2'; K1'', K2'', K3''; K1''', K2''') aufteilt, welche derart voneinander getrennt sind, dass das Absorberrohr (10; 10') gegenstrommäßig mit Fluid beschickbar sind, und wobei ein Strömungsumkehrbereich in der Absorberkappe (10a; 10'a) gebildet ist.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach Anspruch 2, wobei der erste und zweite Fluidkanal (K1, K2; K1', K2'; K1'', K2'', K3''; K1''', K2''') ausgehend vom zweiten offenen Ende (0') bis in die Nähe des zweiten verschlossenen Endbereichs (V'; V1') getrennt sind und welche in der Nähe des zweiten verschlossenen Endbereichs (V'; V1') in Fluidverbindung stehen.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach Anspruch 1, wobei ein Anschlussflansch (F; F'; F''; F''') zum Verschließen des ersten offenen Endbereichs (0) des Mantelrohrs (11; 11') und zum Leiten des Fluids in das und aus dem Absorberrohr (10; 10') vorgesehen ist.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach Anspruch 2, wobei das Trennungselement (12a; 12b; 12c, 12d) eine Trennröhre (12a) aufweist, welche das Absorberrohr (10; 10') in den ersten und zweiten Fluidkanal (K1, K2) aufteilt.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach Anspruch 2, wobei das Trennungselement (12a; 12b; 12c, 12d) eine Trennplatte (12b) aufweist, welche das Absorberrohr (10; 10') in den ersten und zweiten Fluidkanal (K1', K2') aufteilt.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach Anspruch 2, wobei das Trennungselement (12a; 12b; 12c, 12d) eine erste und eine zweite Trennplatte (12c, 12d) aufweist, welche das Absorberrohr (10; 10') in den ersten und zweiten und einen dritten Fluidkanal (K1, K2; K1', K2'; K1'', K2'', K3''; K1''', K2''') aufteilt.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach Anspruch 2, wobei das Mantelrohr (11; 11') und das Absorberrohr (10; 10') ausschließlich über den Anschlussflansch (F; F'; F''; F''') miteinander in Berührung stehen.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite verschlossene Endbereich (V, V') gegenüber dem Absorberrohr (10; 10') aufgeweitet sind.
Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Absorberkappe (10a; 10'a) mechanisch und/oder thermisch stabiler gestaltet ist.
Kollektoranordnung für ein solarthermisches Kraftwerk mit: einem Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und zumindest einem Linienkonzentrator (14), welcher in Bezug auf den Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9'', 9''') derart angeordnet ist, dass er auf ihn einfallende Solarenergie entlang der Längsachse des Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauschers (9; 9'; 9''; 9''') konzentriert.
Kollektoranordnung nach Anspruch 11, wobei erste und zweite verschlossene Endbereich (V, V') über ein Längsende des Linienkonzentrators (14) überstehen und wobei ein Punktkonzentrator (18) vorgesehen ist, der derart gestaltet angeordnet ist, dass er auf ihn einfallende Solarenergie auf den zweiten verschlossenen Endbereich (V, V') konzentriert.
Kollektoranordnung nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Punktkonzentrator (18) eine teilparaboliodförmige Gestalt aufweist.
Kollektoranordnung nach Anspruch 11, 12 oder 13, welche derart gelagert ist, dass sie um eine zu einer Aufstellungsebene (AO) senkrechte Achse (z) drehbar und/oder ihre Neigung bezüglich der Achse (z) verstellbar ist.
Solarthermisches Kraftwerk mit einer Mehrzahl von kollektiv um eine zu einer Aufstellungsebene (AO) senkrechte Achse (z) drehbaren Kollektoranordnungen nach einem der Ansprüche 11 bis 14.
Verwendung von einem Solarenergie-Hochtemperatur-Wärmetauscher (9; 9'; 9''; 9''') nach einem der Ansprüche 1 bis 10, um ein Arbeitsfluid im zweiten verschlossenen Endbereich (V'; V1') zu verdampfen.