DE102010046831A1 - Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen, mit zahlreichen Absorbern, die einfallende Solarstrahlung in Wärme umsetzen, um damit Heißluft zu erzeugen, welche die Antriebsenergie für Arbeitsmaschinen bilden kann.
- In
DE 197 44 541 C2 ist ein Solarempfänger beschrieben, der mehrere Absorbermodule aufweist. Jedes Absorbermodul enthält einen der einfallenden Solarstrahlung zugewandten Absorber, der porös ist. Durch den Absorber hindurch wird Luft angesaugt, die sich beim Passieren des Absorbers erwärmt. - Der Receiver eignet sich für große Energiegewinnungsanlagen, bei denen zahlreiche Heliostaten auf ein Feld verteilt angeordnet sind, die Solarstrahlung auf den Receiver reflektieren. An dem Receiver entsteht somit eine hohe Strahlungskonzentration, wodurch sich am Absorber Temperaturen im Bereich von 1100°C ergeben. Bei dem Solarempfänger nach
DE 197 44 541 C2 ist eine Tragstruktur vorgesehen, welche zahlreiche Absorbermodule trägt. Jedes Absorbermodul besteht aus einem Heißluftrohr aus Keramik und einem von dem Heißluftrohr gehaltenen Absorberkörper. Die erzeugte Heißluft wird für den Betrieb von Arbeitsmaschinen, beispielsweise Turbinen für Stromgeneratoren, benutzt und kühlt sich dabei ab, enthält aber noch Restwärme. Zur Nutzung dieser Restwärme wird die Luft zum Solarempfänger zurückgeführt und an den Wänden der Heißluftkanäle entlang geführt, um diese zu kühlen. Diese Rückluft strömt zwischen den Absorbermodulen hindurch, um an der Frontseite nach vorne hin auszutreten. Sie wird anschließend zusammen mit der Umgebungsluft in den Absorberkörper eingesaugt. Bei der bekannten Konstruktion wird die Rückluft zwischen den Absorbermodulen hindurch rechtwinklig zur Frontfläche ausgeblasen. Damit dringt sie weit in die Umgebungsluft ein und verteilt sich in dieser, insbesondere bei starken Windverhältnissen. Auf diese Weise geht ein Teil der in der Rückluft enthaltenen thermischen Energie verloren. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Receiver oder Solarempfänger im Hinblick auf eine Erhöhung des Wirkungsgrades zu verbessern.
- Der Receiver nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Erfindungsgemäß sind ausgewählte Absorbermödule gegenüber benachbarten Absorbermodulen unter Bildung einer Stufe nach vorne versetzt. An den Stufen sind Austrittsdüsen vorgesehen, welche derart ausgerichtet sind, dass ihre ausgestoßene Rückluft die Frontseiten mehrerer benachbarter Absorbermodule überstreicht. Die Rückluft wird also nicht zwischen die Absorbermodule geleitet, um durch sämtliche Zwischenräume nach außen zu strömen. Vielmehr wird ein großer Teil der Rückluft im Receiver zurückgehalten, um an definierten Stellen, nämlich an den ausgewählten Absorbermodulen, mit hoher kinetischer Energie auszuströmen. Hierdurch ist der Thermoschock für den Absorber geringer und die Wärmeverluste an den Absorbermodulen werden reduziert. Die Rückluft wird beispielsweise in vier Absorberreihen pro Receivermodul gesammelt und dann an einem ausgewählten Absorbermodul ausgeblasen. Es ist eine Anpassung des ausgewählten Absorbermoduls erforderlich, um genügend Raum für die Ausblasung zu schaffen. Dies geschieht durch das Versetzen des ausgewählten Absorbermoduls nach vorne (von der Frontseite nach außen). Dadurch wird auch vermieden, dass die Düsen frontseitig über das ausgewählte Absorbermodul hinaus vorstehen. Die Düsen sind in der Regel aus Metall und dürfen daher der direkten hochkonzentrierten Sonneneinstrahlung nicht ausgesetzt werden, weil sie sonst schmelzen würden. Erfindungsgemäß sind sie gegenüber dem ausgewählten Absorbermodul zwar zurückgesetzt, in Bezug auf die benachbarten Absorbermodule aber vorstehend.
- Der Receiver kann derart ausgebildet sein, dass die Tragstruktur einen Hohlraum umschließt, den die Heißluftrohre durchqueren, so dass sie an der Rückseite des Hohlraums heraustreten. Hierbei können die Heißluftrohre innerhalb des Hohlraums mit Rückluft, die von einer mit der Heißluft gespeisten Wärmeverbraucher kommt, gekühlt werden. Wegen der Kühlung der Heißluftrohre brauchen diese nicht aus hochtemperaturbeständigem Material zu bestehen. Sie können aus Stahl hergestellt werden, was die Konstruktion des Receivers vereinfacht. Ein Receiver mit durch Rückluft gekühlten Heißluftrohren wird als Kaltreceiver oder Warmreceiver bezeichnet, je nach dem Grad der Kühlung.
- Die ausgewählten Absorbermodule können schräge Frontseiten haben, die unter einem Winkel zu den Frontseiten der übrigen Absorbermodule verlaufen. Die Absorbermodule sind in Reihen angeordnet. Die ausgewählten Absorbermodule können sich in einer Reihe befinden. Hierzu benachbart sind mehrere Reihen normaler Absorbermodule angeordnet. Von dem ausgewählten Absorbermodul, an dem die Düsen angeordnet sind, wird aus den Düsen Rückluft auf die Frontseiten der benachbarten Absorbermodule verteilt. Das Ausstoßen der Luft erfolgt im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Frontseiten der normalen Absorbermodule (zur Unterscheidung von den ”ausgewählten Absorbermodulen”).
- Eine andere Art der Anordnung bzw. Orientierung der Absorbermodule besteht darin, dass die ausgewählten Absorbermodule jeweils eine Steilflanke einer aus den Absorbermodulen gebildeten Sägezahnstruktur definieren. Hierbei bilden die Steilflanken die Stufen und die Frontseiten der ausgewählten Absorbermodule befinden sich in einer Ebene mit den Frontseiten der benachbarten Absorbermodule.
- Vorzugsweise sind die Austrittsdüsen durch die ausgewählten Absorbermodule gegen die einfallende Solarstrahlung abgeschattet. Dadurch wird vermieden, dass die Düsen von der hochkonzentrierten Solarstrahlung direkt getroffen werden. Die Düsen können entweder aus Schlitzdüsen, Lochdüsen oder anders geformten Düsen bestehen.
- Eine weitere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Tragstruktur ein Betongehäuse aus Hochtemperaturbeton aufweist. Hierbei ist eine Kühlung der Tragstruktur nicht erforderlich. Dies bedeutet, dass die Tragstruktur sich auf eine hohe Temperatur aufheizt. Dieser Typ von Receiver wird als Heißreceiver bezeichnet. Die Rückluft wird zu 100% ausschließlich als Ausströmluft verwendet.
- Bei einem Warmreceiver kann eine Ausblasluftleitung vorgesehen sein, die zu den Austrittsdüsen führt. Von dieser Ausblasluftleitung kann ein Abzweig vorgesehen sein, der mit Kühlmänteln der Heißluftrohre verbunden ist. Durch Variieren des abgezweigten Anteils der Rückluft kann das Maß der Kühlung der Heißluftrohre verändert werden.
- Der Receiver eignet sich für einen modularen Aufbau. Er kann hierzu aus mehreren quaderförmigen länglichen Receivermodulen bestehen, die an einer Seite die Absorbermodule aufweisen und auf der gegenüberliegenden Seite mit Auslässen der Heißluftrohre versehen sind. Die Hohlräume von in Längsrichtung hintereinander angeordneten Receivermodulen sind untereinander verbunden. Diese Hohlräume bilden bei einem Kaltreceiver Kanäle für die Zuführung der Rückluft. Bei einem Warmreceiver nehmen sie den abgezweigten Anteil der Rückluft auf, der den Kühlmänteln der Heißluftrohre zugeführt wird.
- Mehrere Receivermodule können zu einem Subreceiver zusammengesetzt werden und mehrere Subreceiver können aneinandergesetzt den Receiver bilden. Im Allgemeinen ist der Receiver keine ebene Wand, sondern eine nach Art einer Leinwand gerundete Fläche, auf die die Solarstrahlung reflektiert wird.
- Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Frontansicht des Receivers mit dem Stutzen zum Zuführen der Rückluft, -
2 einen von mehreren Subreceivern, aus denen der Receiver zusammengesetzt ist, -
3 eines von mehreren Receivermodulen, aus denen der Subreceiver zusammengesetzt ist, -
4 einen schematischen Längsschnitt durch ein Receivermodul eines Kaltreceivers, -
5 einen schematischen Längsschnitt durch ein Receivermodul eines Warmreceivers und -
6 einen schematischen Längsschnitt durch ein Receivermodul eines Heißreceivers. - Der in
1 dargestellte Receiver10 besteht aus einer Wandstruktur, die aus mehreren Subreceivern11 zusammengesetzt ist. Die Subreceiver11 sind in Frontansicht rechteckig und bilden gemeinsam eine konvex gewölbte Rechteckstruktur. Die Subreceiver haben Hohlräume, welche untereinander verbunden sind und mit einem Rücklufteinlass12 in Verbindung stehen. - Ein Subreceiver
11 ist in2 dargestellt. Er besteht aus mehreren Receivermodulen13 , die untereinander gleich ausgebildet sind und jeweils eine als Zylindersegment geformte Tragstruktur14 aufweisen, welche aus Stahl besteht. Die Tragstruktur14 ist an ihren beiden Stirnseiten offen, so dass die Hohlräume15 von hintereinander angeordneten Absorbermodulen20 miteinander in Fluidverbindung stehen. In den2 und3 sind die Strömungsrichtungen der Rückluft durch Pfeile eingezeichnet. Die randseitigen Receivermodule an dem oberen Rand16 des Receivers10 sind an ihren Stirnseiten geschlossen. Eine Verteilerleitung führt vom Rücklufteinlass12 zu den unteren Enden der Receivermodule13 , die am unteren Rand17 angeordnet sind, um die Kanäle aus hintereinander liegenden Hohlräumen der Receivermodule mit Rückluft zu speisen. - Das Receivermodul
13 gemäß3 hat an einer Frontseite mehrere Löcher18 , in die Absorbermodule20 eingesteckt sind. Das Absorbermodul20 besteht aus hochtemperaturbeständiger Keramik oder anderem Material und hat die Form eines Rohres mit kelchförmigem Kopf21 . An der Rückseite (der Unterseite in3 ) des Receivermoduls13 befinden sich Auslässe22 für die Heißluft eines jeden Absorbermoduls20 . Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Absorbermodule20 in Reihen von 3 × 9 angeordnet. -
4 zeigt die Ausbildung des Receivermoduls13 für einen Kaltreceiver. In die Tragstruktur14 sind die Receivermodule13 eingesteckt. Jedes Absorbermodul weist angrenzend an den Kopf21 einen Heißluftkanal23 auf, an den sich ein aus Stahl bestehendes Heißluftrohr24 anschließt. Das Heißluftrohr dient zum Abführen der eingesaugten Heißluft25 und führt zu dem der Öffnung22 . - Das Heißluftrohr
24 ist innerhalb des Hohlraums15 von einem rohrförmigen Kühlmantel26 umgeben, der einen Ringraum27 umschließt. Der Kühlmantel26 hat einen unteren Einlass28 und einen oberen Auslass29 . In Höhe der Köpfe21 der Absorbermodule ist ein Absperrblech30 angeordnet, das die Spalte zwischen den Absorberkelchen absperrt. Das Absperrblech30 ist eine Lochplatte. Unter dem Absperrblech30 ist ein Ausströmraum31 außerhalb der Tragstruktur14 gebildet, der mit einem seitlichen Auslass32 in Verbindung steht. Durch das Absperrblech30 wird verhindert, dass die Rückluft auch die Absorberkelche kühlt und dann mit der aufgenommenen Wärme in die Umgebungsluft ausgeblasen wird. -
4 zeigt neben drei normalen Absorbermodulen ein ausgewähltes Absorbermodul20a . Dieses unterscheidet sich von den normalen Absorbermodulen dadurch, dass es unter Bildung einer Stufe35 nach vorne versetzt ist. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Kelchstruktur asymmetrisch, wobei der der vorspringenden Stufe35 gegenüberliegende Randbereich sich in einer Flucht befindet mit den Frontseiten der benachbarten Absorbermodule20 . - Jedes Absorbermodul
20 ,20a enthält einen Absorberkörper36 aus poröser hochtemperaturbeständiger Keramik. Die Frontfläche36a des Absorberkörpers36 bildet die Strahlungsempfangsfläche. Durch den Absorberkörper36 wird Umgebungsluft eingesaugt, die sich beim Durchgang durch den heißen Absorberkörper erhitzt. - An der Außenseite des ausgewählten Absorbermoduls
20a ist ein Blechkasten40 vorgesehen, der mit dem Hilfsraum31 in Verbindung steht und daher die Rückluft, nachdem diese durch die Kühlmäntel26 geströmt ist, aufnimmt. Wenn das vordere Ende des Blechkastens40 ragt über die Ebene der Frontseiten36a der in4 links angrenzenden Absorbermodule hinaus und ist dort mit Austrittsdüsen41 versehen, die die Rückluft im Wesentlichen parallel zu den Frontflächen36a ausblasen. Der Blasimpuls reicht über mehrere hintereinander angeordnete Reihen von Absorbermodulen hinweg, wobei die als Querströmung zugeführte Rückluft zusammen mit der Außenluft in die Absorbermodule eingesaugt wird. Dadurch wird ein hoher Ausnutzungsgrad der in der Rückluft enthaltenen Restwärme erreicht, wobei Wärmeverluste in die Umgebungsluft hinein gering gehalten werden. - Durch (nicht dargestellte) Blenden wird die Luftentnahme aus dem Hohlraum
15 an jedem Receivermodul bzw. an jedem Absorbermodul so eingestellt, dass nur ein begrenztes Luftvolumen entnommen wird, so dass für die nachfolgenden Absorbermodule genügend Rückluft zur Verfügung steht und sämtliche Absorbermodule mit im Wesentlichen gleichem Rückluftvolumen versorgt werden. Entsprechendes gilt auch für die Volumenströme von Heißluft, die durch die Heißluftrohre24 hindurch strömen. Hierzu sind Blenden vorgesehen, die so eingestellt werden können, dass die Strömungsraten untereinander gleich sind. -
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Absorbermodule20 untereinander gleich sind und eine Sägezahnstruktur bilden, wobei sich die Schrägflanken über mehrere Absorbermodule erstrecken und die Steilflanke von einer Stufe35 gebildet wird. Der Hohlraum15 der Tragstruktur14 dient hier nicht der Zuführung von Rückluft. Er ist vielmehr an beiden Enden geschlossen und dient nur der Aufnahme eines geringen Teiles der Rückluft (20%), der zum Kühlen der Heißluftrohre24 abgezweigt wird. - Gemäß
5 wird die Rückluft durch ein Rückluftrohr50 von der Rückseite her durch die Tragstruktur14 hindurchgeführt, so dass die Austrittsdüse41 sich vor der Frontfläche36a des angrenzenden Absorbermoduls20 befindet. Auch hier blasen die Austrittsdüsen41 die Rückluft über mehrere Reihen von Absorbermodulen hinweg. - Das in
5 rechts von den Austrittsdüsen41 – also in Ausströmrichtung hinter diesen – angeordnete Absorbermodul20a bildet das ausgewählte Absorbermodul, welches die Stufe35 definiert. - Wie aus
5 erkennbar ist, sind bei der sägezahnförmigen Anordnung der Absorbermodule Ausgleichskeile52 an der Unterseite des Receivermoduls13 erforderlich. - Gemäß
5 wird die Rückluft zu 100% dem Rückluftrohr50 zugeführt. Von dem Rückluftrohr50 führt ein Abzweig55 in den Hohlraum15 des Receivermoduls. Dort befinden sich die Kühlmäntel26 , die die Heißluftrohre24 der Receivermodule umgeben. Die Ausströmöffnungen29 der Kühlmäntel26 führen in die Umgebungsluft, wobei die Kühlluft zunächst an der Außenseite des Absorbermoduls entlangströmt. Die zugeführte Rückluft wird derart aufgeteilt, dass über den Abzweig55 nur ein geringer Anteil der Rückluft strömt (hier: 20%), während der weitaus größere Anteil (hier: 80%) den Austrittsdüsen41 zugeführt wird. Wegen des geringen Anteils der zur Kühlung verwendeten Rückluft kann dieser ohne eine größere Beeinträchtigung des Wirkungsgrades des Receivers in die Umgebungsluft geblasen werden. Die Rückluft wird durch die horizontal mit höherer Kinetik strömende Luft auch horizontal umgelenkt. - In
6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Heißreceivers dargestellt. Bei dem Heißreceiver besteht die die Heißluftrohre24 bildende Struktur aus Hochtemperaturbeton, der die Temperaturen der Heißluft aushält. Daher ist eine Kühlung der Heißluftrohre nicht erforderlich. Die Tragstruktur14 besteht ebenfalls aus Beton, so dass das gesamte Receivermodul13 einstückig aus demselben Material geformt werden kann. - Wie bei dem Ausführungsbeispiel von
4 ist das ausgewählte Absorbermodul20a ein besonders geformtes Absorbermodul mit schräger Frontfläche, während die übrigen (normalen) Absorbermodule Frontflächen haben, die alle in einer Ebene liegen. - Von dem Hohlraum
15 der Tragstruktur14 führt gemäß6 an dem ausgewählten Absorbermodul ein Rückluftkanal60 , ggf. ein Metallrohr, zu den Austrittsdüsen41 , die auch hier unmittelbar an der Stufe35 , die von dem ausgewählten Absorbermodul20a gebildet wird, angeordnet ist. Rückluftkanal60 und Absorbermodul35 sind natürlich voneinander getrennt. - Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen sind die Austrittsdüsen
41 so angeordnet, dass sie gegenüber der auftreffenden hochkonzentrierten Solarstrahlung abgeschattet sind. Sie befinden sich ganz oder teilweise unter dem Kelch des Kopfes21 des ausgewählten Absorbermoduls. Dadurch wird verhindert, dass die Düsen thermisch beschädigt werden. - Die Erfindung umfasst die folgenden Receivertypen: den Kaltreceiver, bei dem die gesamte Rückluft zur Kühlung der Heißluftrohre benutzt und anschließend wieder eingesaugt wird; den Warmreceiver, bei dem ein großer Anteil der Rückluft direkt der Wiedereinsaugung zugeführt wird, während ein kleiner Teil abgezweigt und zum Kühlen der Heißluftrohre benutzt wird; den Heißreceiver, bei dem keine Kühlung der Heißrohre mit Rückluft erfolgt und die gesamte Rückluft ausgeblasen wird.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 19744541 C2 [0002, 0003]
Claims (10)
- Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen, mit einer Tragstruktur (
14 ), die an einer Frontseite mehrere Absorbermodule (20 ,20a ) trägt, die einen frontseitigen Absorber (36 ) und einen Heißluftkanal (23 ) enthalten, wobei sich an den Heißluftkanal ein Heißluftrohr (24 ) anschließt und rückgeführte Rückluft an der Frontseite austritt, um in die Absorbermodule eingesaugt zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählte Absorbermodule (20a ) gegenüber benachbarten Absorbermodulen (20 ) unter Bildung einer Stufe (35 ) nach vorne versetzt sind, und dass an jeder Stufe Austrittsdüsen (41 ) vorgesehen sind, welche derart ausgerichtet sind, dass ihre ausgestoßene Rückluft die Frontseiten mehrerer benachbarter Absorbermodule überstreicht, so dass die aus einer Austrittsdüse austretende Rückluft mehrere Absorbermodule nacheinander überstreicht und in diese eingesaugt wird. - Receiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (
14 ) einen Hohlraum (15 ) umschließt, den die Heißluftrohre (24 ) durchqueren, so dass sie an der Rückseite des Hohlraumes (15 ) heraustreten, und dass die Heißluftrohre (24 ) innerhalb des Hohlraumes (15 ) jeweils einen mit Rückluft aus dem Hohlraum (15 ) gespeisten Kühlmantel (26 ) aufweisen. - Receiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Absorbermodule (
20a ) schräge Frontseiten (36a ) haben, die unter einem Winkel zu den Frontseiten der übrigen Absorbermodule (20 ) verlaufen. - Receiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Absorbermodule (
20a ) jeweils die Steilflanke einer aus den Absorbermodulen gebildeten Sägezahnstruktur definieren. - Receiver nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsdüsen (
41 ) durch die ausgewählten Absorbermodule (20a ) gegen die einfallende Solarstrahlung abgeschattet sind. - Receiver nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (
14 ) ein Betongehäuse aus Hochtemperaturbeton aufweist und die Heißluftrohre (24 ) von dem Betongehäuse gebildet werden, und dass in dem Betongehäuse Rückluftkanäle (60 ) zum Zuführen von Rückluft zu den Austrittsdüsen vorgesehen sind. - Receiver nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückluftkanal (
60 ) zu einem Blechkasten (40 ) außen am Betongehäuse entlanggeführt ist. - Receiver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Austrittsdüsen (
41 ) an eine Rückluftleitung (55 ) angeschlossen sind, dass von der Rückluftleitung ein Abzweig (55 ) in den Hohlraum (15 ) führt, und dass der Hohlraum (15 ) mit Kühlmänteln (26 ) der Heißluftrohre (24 ) in Strömungsverbindung steht. - Receiver nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver (
10 ) aus mehreren quaderförmigen länglichen Receivermodulen (13 ) besteht, die an einer Frontseite die Absorbermodule (20 ) aufweisen, dass auf der gegenüberliegenden Seite Auslässe (22 ) der Heißluftrohre vorgesehen sind, und dass die Hohlräume (15 ) von in Längsrichtung hintereinander angeordneten Receivermodulen (13 ) untereinander verbunden sind. - Receiver nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Receivermodule (
13 ) zu einem Subreceiver (11 ) zusammengesetzt sind, und dass mehrere Subreceiver aneinander gesetzt den Receiver (10 ) bilden.
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