DE102010053065A1

DE102010053065A1 - Solarempfänger

Info

Publication number: DE102010053065A1
Application number: DE102010053065A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Hoffschmidt Bernhard; Konstantin Geimer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: WO2012072641A3; WO2012072641A2; DE102010053065B4

Abstract

Der Solarempfänger weist einen aus poröser Hochtemperaturkeramik bestehenden Absorberkörper (10) auf, dessen rückwärtiger Teil in einer Fassung (12) enthalten ist. Zur Sicherung des Absorberkörpers in der Fassung dienen Verriegelungselemente (16), die ebenfalls aus poröser Keramik bestehen und in Löcher (15) der Fassung (12) eingesteckt sind. Die Verriegelungselemente (16) ragen in entsprechende Taschen des Absorberkörpers (10) hinein. Sie sind derart schräg geführt, dass sie in der Betriebsposition des Solarempfängers unter Schwerkraftwirkung in die Taschen hineingetrieben werden. Auf diese Weise erfolgt eine dehnungsbewegliche Verbindung, die für sehr hohe Betriebstemperaturen (über 1000°C) geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger mit einem luftdurchlässigen Absorberkörper aus hochtemperaturbeständigem Material und einer den Absorberkörper haltenden Fassung, insbesondere für ein Turmkraftwerk zum Einfangen von Solarenergie.
In DE 197 44 541 C2 (DLR) ist ein Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk beschrieben, welcher zahlreiche Absorberkörper aufweist, die jeweils in einer Fassung gehalten sind. Die Absorberkörper sind in Längsrichtung gasdurchlässig. Sie können aus einem porösen Keramikmaterial bestehen, wie z. B. Siliziumkarbid. Die von einem Heliostatfeld aus zahlreichen Spiegeln reflektierte Solarstrahlung wird auf eine Tafel aus mehreren Solarempfängern konzentriert. Die auf den Absorberkörper auftreffende hochkonzentrierte Solarstrahlung entspricht etwa der 200fachen bis 600fachen Sonnenstrahlung; dadurch werden Temperaturen von über 1000°C in den Absorberkörpern erzeugt. Aufgrund derartig hoher Temperaturen kommen Metalle als Werkstoffe für den Absorber nicht in Betracht.
Grundsätzlich sind zwei Bauformen von Absorbern bekannt: Volumetrischer Absorber und direkt-absorbierender Absorber. Volumetrische Absorber weisen Absorberstrukturen aus metallischen oder keramischen Wabenstrukturen, Gestricken oder Schäumen auf. Die Absorberstrukturen absorbieren die Solarstrahlung und werden von einem Fluid, z. B. Umgebungsluft bei einem offenen volumetrischen Absorber, durchströmt, wobei das Fluid konvektiv aufgeheizt und einem nachgeschalteten Prozess, wie z. B. einen Dampfturbinenprozess, zugeführt wird. 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. Die Erfindung betrifft einen offenen volumetrischen Absorber. Üblicherweise erfolgt hierbei die Befestigung des Absorberkörpers in der Fassung durch Einkleben oder Einpressen.
Ein Solarempfänger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beschrieben in DE 10 2007 050 195 A1 (Schunk). Dieser Solarempfänger weist mehrere Absorberkörpersegmente auf, die in einer Ebene angeordnet sind und untereinander durch Federelemente. nach Art von Nut und Feder verbunden sind. Ein Unterteil des Absorberkörpers ist in eine Fassung eingesetzt und darin mit Stiften gehalten, welche durch Bohrungen in der Fassung hindurch gesteckt sind.
Wegen der hohen auftretenden Temperaturen ergeben sich bei unterschiedlichen Materialien von Absorberkörper und Fassung Materialspannungen. Zwischen beiden Komponenten müssen hinreichende Bewegungsmöglichkeiten vorgesehen sein um unterschiedliche Ausdehnungen zuzulassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Solarempfänger zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln eine sichere Verbindung zwischen Absorberkörper und Fassung gewährleistet ist unter Beibehaltung der gegenseitigen Bewegungsmöglichkeiten beider Komponenten.
Der erfindungsgemäße Solarempfänger ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Bei ihm sind die Taschen des Absorberkörpers, die die Verriegelungselemente aufnehmen, derart ausgebildet, dass in einer Betriebsposition des Solarempfängers sämtliche Verriegelungselemente allein durch Schwerkraft in den Taschen festgehalten bzw. am Herausgleiten gehindert werden. Damit ist eine Verklebung oder Zementierung des Absorberkörpers in der Fassung nicht erforderlich. Der Absorberkörper kann in der Fassung hinreichend Spielraum haben, um die thermischen Bewegungen durchzuführen. Er wird ausschließlich durch mechanische Blockierung (Verriegelung) in der Fassung festgehalten. Gesichert wird diese Blockierung durch die Schwerkraft. Im richtigen Einbauzustand kann sich der Absorberkörper nicht ohne menschlichen Eingriff aus der Fassung lösen.
Die Verriegelungselemente sind vorzugsweise gasdurchlässig, ebenso wie der Absorberkörper. Die Verriegelungselemente bestehen beispielsweise aus poröser Hochtemperaturkeramik. Die Erfindung sieht die Möglichkeit des Einschiebens relativ kleiner Teilstücke (Verriegelungselemente) der durchströmbaren porösen Struktur als Feder in eine vorgesehene Nut vor. Dadurch wird vermieden, dass die Verriegelungselemente örtliche Störungen der Durchströmung des Absorberkörpers hervorrufen.
Die Verriegelungselemente bestehen zweckmäßig aus einer Platte mit zwei parallelen Hauptflächen. Sie sind aus demselben Material geformt wie der Absorberkörper.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Solarempfängers und
2 eine teilweise Frontansicht mit Blick auf die Empfangsfläche des Absorberkörpers.
Der Solarempfänger dient dem Einfangen von Solarenergie, die aus einem Heliostatfeld auf eine relativ kleine Fassung reflektiert bzw. konzentriert wird. Hierzu weist der Solarempfänger einen Absorber 10 aus einer porösen Hochtemperaturkeramik auf. Der Absorber ist generell quaderförmig. In Folge der offenen Porosität des Absorbers ist dieser luftdurchlässig, so dass Luft durch den Absorberkörper hindurch gesaugt werden kann. Auf ihrem Weg durch den Absorberkörper erwärmt sich die Luft durch Kontakt mit dem Absorbermaterial. Das der Strahlungsempfangsfläche 11 abgewandte hintere Teil des Absorbers 10 ist in einer Fassung 12 enthalten, die aus einem an der Vorderseite offenen Gehäuse besteht. Von der Rückseite der Fassung 12 erstreckt sich ein Rohr 13 zum Abführen der Heißluft. Der Absorber 10 kann aus einem monolithischen Block bestehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist er aus vier Absorberkörpern 10a zusammengesetzt.
Die Erfindung befasst sich mit dem Problem der Befestigung des Absorbers 10 in der Fassung 12, und zwar in dem Rand 14 des Gehäuses, der den rückwärtigen Teil des Absorberkörpers umgibt.
In dem Rand 14, der den rückwärtigen Teil des Absorbers 10 umschließt, sind Löcher 15 ausgebildet, bei denen es sich hier um Schlitze handelt. In die Löcher 15 sind Verriegelungselemente 16 eingesteckt, welche in entsprechende Nuten des Absorbers hineinragen. Die Nuten verlaufen am Umfang des Absorberkörpers und sind nach außen hin offen. Die Verriegelungselemente 16 bilden die Federn einer Nut-Feder-Verbindung. Sie sind plattenförmig ausgebildet und bestehen aus luftdurchlässigem Material, insbesondere aus demselben Material wie der Absorber. Dadurch wird vermieden, dass die Durchströmung des Absorberkörpers durch die Verriegelungselemente gestört wird.
Die Nuten im Absorber bilden Taschen 17, die nach außen hin offen sind und parallel zur Strahlungsempfangsfläche verlaufen. Mindestens eine der Taschen erstreckt sich durch zwei benachbarte Absorberkörper 10a. Die Verriegelungselemente dienen also auch dazu, benachbarte Absorberkörper 10a zusammenzuhalten. Jede der Taschen 17 verläuft zu einem Teil in einen Absorberkörper und zu einem anderen Teil in den benachbarten Absorberkörper.
Die Taschen 17 sind so ausgebildet, dass sie jeweils ein Verriegelungselement 16 aufnehmen, wobei das Verriegelungselement 16 mit einem Teil seiner Länge in dem Rand 14 bzw. dem Loch 15 verbleibt. Das Hineinbewegen der Verriegelungselemente in die Fassungen unter Schwerkraftwirkung geschieht unter Beibehaltung Ihres Eingriffs in die Löcher der Fassung.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind Verriegelungselemente 16 an drei Seiten der Fassung 12 vorgesehen, jedoch nicht an der Unterseite, weil ein dort vorhandenes Verriegelungselement durch Schwerkraft herausfallen würde. Die beiden seitlichen Verriegelungselemente 16 sind gemäß 1 mit Gefälle zum Innern des Absorberkörpers angeordnet. In gleicher Weise verlaufen auch die Taschen bzw. Nuten im Absorberkörper. Auch bei leichter Drehung des Solarempfängers aus der Betriebsposition wird die Verbindung des Absorberkörpers mit der Fassung nicht gelockert oder gar gelöst, da sie durch die Schwerkraft gesichert ist. Die Betriebsposition entspricht im Wesentlichen der in 1 dargestellten Position, wobei die Normale der Strahlungsempfangsfläche 11 leicht schräg nach unten gerichtet ist, also den Heliostaten zugewandt ist.
Sämtliche Verriegelungselemente 16 sind in der Betriebsposition entweder vertikal ausgerichtet oder mit einer vertikalen Komponente, die das Verriegelungselement in die Tasche des Absorberkörpers treibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19744541 C2 [0002]
DE 102007050195 A1 [0004]

Claims

Solarempfänger mit einem luftdurchlässigen Absorber (10) aus hochtemperaturbeständigem Material und einer den Absorber haltenden Fassung (12), wobei die Fassung Löcher (15) aufweist, in die Verriegelungselemente (16) eingreifen, welche in entsprechende Taschen (17) des Absorbers hineinragen und dadurch den Absorber in der Fassung (12) festhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (17) derart ausgerichtet sind, dass in einer Betriebsposition des Solarempfängers sämtliche Verriegelungselemente (16) allein durch Schwerkraft am Herausgleiten aus den Taschen (17) gehindert werden.
Solarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungselemente (16) gasdurchlässig sind.
Solarempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (17) des Absorbers (10) Nuten sind.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einige Verriegelungselemente (16) parallelogrammförmig sind.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungselemente (16) jeweils aus einer Platte mit zwei parallelen Hauptflächen bestehen.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (17) gegenüber den Verriegelungselementen (16) überdimensioniert sind und dass die Verriegelungselemente mit den Taschen des Absorbers und/oder den Löchern (15) der Fassung (12) in der Weise zusammengreifen, dass die Ausrichtung der Verriegelungselemente mit Gefälle zur vertikalen Längsmittelebene des Absorberkörpers (10) festgelegt ist.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei an entgegengesetzten Seiten der Fassung (12) angeordnete Verriegelungselemente (16) im eingesetzten Zustand V-förmig nach unten konvergieren.
Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (10) aus mehreren Absorberkörpern (10a) besteht und dass eine Tasche (17) in mindestens zwei Absorberkörpern verläuft.