DE102010062367A1

DE102010062367A1 - Solarstrahlungsempfängervorrichtung und Verfahren zur solaren Erhitzung von Wärmeträgermedium

Info

Publication number: DE102010062367A1
Application number: DE102010062367A
Authority: DE
Inventors: Dr. Buck Reiner; Lars Amsbeck; Dr. Röger Marc; Birgit Gobereit; Wei Wu
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-02-16
Also published as: EP2646758A2; BR112013013532A2; WO2012072677A2; WO2012072677A3

Abstract

Es wird eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Behälter mit einer Wandung, einen von der Wandung umgebenen Innenraum und eine Drehantriebseinrichtung, durch welche der Behälter um eine Drehachse rotierbar ist, wobei der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung orientiert ist und wobei durch den Behälter Wärmeträgermedium unter Bildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung durchführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur solaren. Erhitzung von Wärmeträgermedium, bei dem Wärmeträgermedium durch einen solarstrahlungsbeaufschlagten Behälter geführt werden, wobei ein Wärmeträgermedium-Film an einer Wandung des Behälters ausgebildet wird.
Durch eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung lässt sich durch Solarstrahlung Wärmeträgermedium wie (Festkörper-)Partikel und insbesondere keramische Partikel auf hohe Temperaturen beispielsweise bis zu 1000°C erhitzen.
Aus der WO 2010/015515 A2 ist ein Strahlungsreceiver zur Übertragung der Energie einfallender Solarstrahlung auf Feststoffpartikel bekannt, welcher eine schiefe Ebene umfasst, die am oberen Ende einer Einlassvorrichtung für kalte Partikel und am unteren Ende einen Ablauf für heiße Partikel aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung bereitzustellen, welche einen optimierten Empfänger-Wirkungsgrad hat.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Behälter mit einer Wandung, einem von der Wandung umgebenen Innenraum und einer Drehantriebseinrichtung, durch welche der Behälter um eine Drehachse rotierbar ist, vorgesehen ist, wobei der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung orientiert ist und wobei durch den Behälter Wärmeträgermedium unter Bildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung durchführbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängervorrichtung lässt sich an der Wandung aufgrund durch Rotation des Behälters bewirkter Fliehkräfte ein Wärmeträgermedium-Film und vorzugsweise zusammenhängender Wärmeträgermedium-Film bilden. Der Behälter wird durch Solarstrahlung beaufschlagt und es erfolgt die Erhitzung des Wärmeträgermediums.
Durch entsprechend schnelle Rotation des Behälters lässt sich erreichen, dass Fliehkräfte das Wärmeträgermedium an die Wandung drücken und man dadurch eine erhöhte Wandhaftung erhält. Dadurch wiederum lässt sich die Aufenthaltszeit des Wärmeträgermediums in dem Behälter vergrößern. Weiterhin kann dadurch das Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeit erhalten. Dadurch lässt sich der Wärmeträgermediumverlust (das heißt der Durchlauf von Wärmeträgermedium ohne ausreichende Erhitzung im Behälter) reduzieren, da Wärmeträgermedium nach außen gegen die Wandung verlagert wird. Durch eine Tangentialgeschwindigkeit lässt sich auch ein Temperaturausgleich in Umfangsrichtung erreichen, da beispielsweise unterschiedliche Zonen in Umfangsrichtung mehrfach von Wärmeträgermedium durchlaufen werden. Dadurch erhält man eine homogenere Temperaturverteilung beim Austritt des Wärmeträgermediums aus dem Behälter.
Die Drehzahl wird so hoch gewählt, dass sich ein optisch dichter oder annähernd dichter Wärmeträgermedium-Film über den gesamten Umfang der Wandung ergibt.
Es lässt sich insbesondere die Aufenthaltszeit des Wärmeträgermediums in dem Innenraum erhöhen. Dadurch lässt sich der Empfänger-Wirkungsgrad erhöhen.
Es fassen sich Temperaturgradienten im Wärmeträgermedium-Film ausgleichen und es lässt sich dadurch eine homogenere Temperaturverteilung erreichen.
Durch entsprechende Steuerung der Rotation und/oder des Winkels zur Schwerkraftrichtung kann auch eine gesteuerte Anpassung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung beispielsweise im Teillastbetrieb bzw. Volllastbetrieb erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung kann beispielsweise für den ausschließlich solaren Betrieb von Hochtemperaturprozessen wie beispielsweise Mikroturbinen zur solaren Stromerzeugung verwendet werden. Erhitztes Wärmeträgermedium lässt sich auf einfache Weise speichern. Es kann dann eine bedarfsgesteuerte Leistungsbereitstellung erfolgen.
Um einen möglichst zusammenhängenden Wärmeträgermedium-Film zu erzeugen, werden vorzugsweise die Winkelstellung zur Schwerkraftrichtung und die Rotationsgeschwindigkeit des Behälters aneinander angepasst. An die Anpassung können auch noch Eigenschaften des Wärmeträgermediums und der Wandung und insbesondere die Reibungseigenschaften eingehen. Wenn beispielsweise eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung in Verbindung mit einem Heliostatenfeld eingesetzt wird, dann ist üblicherweise der Winkel zur Schwerkraftrichtung vorgegeben. Wenn dann die Wärmeträgermediumart und die Wandung vorgegeben ist, dann kann durch entsprechende Wahl bzw. Einstellung und gegebenenfalls auch variable Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit (bzw. Drehzahl) der Wärmeträgermedium-Film erzeugt werden.
Das Wärmeträgermedium ist durch Partikel und/oder ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) gebildet. Bei den Partikeln handelt es sich insbesondere um Festkörperpartikel und insbesondere keramische Partikel. Es ist auch möglich, dass als Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit wie beispielsweise ein flüssiges Salz bzw. eine Salzmischung (wie beispielsweise eine Mischung aus NaNO₃ und KNO₃) eingesetzt wird.
Günstig ist es, wenn eine Drehzahl des Behälters größer als 80% der Wurzel aus dem Verhältnis von Gravitationskonstante zu einem Innenradius des Behälters ist, wobei als Innenradius des Behälters, wenn dieser unterschiedliche Innenradien aufweist, insbesondere der kleinste Innenradius verwendet wird. Dadurch lässt sich ein optisch dichter oder annähernd dichter Wärmeträgermedium-Film über den gesamten Umfang der Wandung des Behälters erreichen. Es ist dabei insbesondere günstig, wenn die Drehzahl größer als 70% der Drehzahl ist, bei der das gesamte Wärmeträgermedium an der Wandung haftet.
Es ist insbesondere eine Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums in dem Innenraum vorgesehen. Beispielsweise ist für eine entsprechend schnelle Rotation des Behälters gesorgt, sodass die Fliehkraft das Wärmeträgermedium gegen die Wandung drückt. Dadurch erhält man erhöhte Wandhaftung bzw. erhöhte Wandreibung, um die Aufenthaltsdauer zu erhöhen. Die Aufenthaltsdauer kann beispielsweise auch durch Vibrationen und/oder durch Bereitstellung von speziellen Laufpfaden definiert eingestellt bzw. gesteuert werden. Es lässt sich dann eine größere Temperaturspreizung zwischen Eintritt und Austritt des Wärmeträgermediums an dem Behälter erreichen und dadurch lässt sich der Empfänger-Wirkungsgrad erhöhen.
Insbesondere ist die Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik als Einrichtung zur Steuerung und insbesondere variablen Steuerung der Aufenthaltszeit der Partikel in dem Innenraum ausgebildet. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen, wobei auch eine Anpassung an sich verändernde Bedingungen wie beispielsweise verändernde solare Einstrahlungsbedingungen möglich ist.
Insbesondere ist die Drehachse parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung orientiert. Dadurch erhält man einen optimierten Wirkungsgrad. Die Drehachse kann grundsätzlich auch versetzt gegenüber der Achse des Behälters sein.
Bei einer Ausführungsform ist die Drehachse koaxial zur Achse des Behälters orientiert.
Es ist günstig, wenn die Rotation des Behälters zeitlich variabel steuerbar ist, um eine Anpassung an unterschiedliche Bedingungen und insbesondere solare Einstrahlungsbedingungen durchzuführen, um so beispielsweise auch unterschiedliche Teillastbetriebe zu ermöglichen.
Es kann eine Vibrationseinrichtung vorgesehen sein, durch welche der Behälter oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters vibrierbar sind. Dadurch lässt sich beispielsweise eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente für Wärmeträgermedium erzeugen. Insbesondere durch eine Kombination von Rotation mit geeigneter Rotationsgeschwindigkeit lässt sich eine definierte Aufenthaltszeit einstellen bzw. es lässt sich die Aufenthaltszeit steuern. Ferner lässt sich eine Aufenthaltszeit auch relativ genau lokal einstellen.
Es kann dadurch beispielsweise auch eine Förderung von Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung innerhalb des Behälters erreicht werden.
Insbesondere ist die Vibrationseinrichtung so ausgebildet, dass der Behälter oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters längs der Achse des Behälters vibrierbar sind und/oder eine räumliche Lage der Achse zeitlich veränderbar ist. Es lässt sich dann beispielsweise auch eine Taumelbewegung durchführen.
Beispielsweise ist durch eine Vibration auch eine Förderung des Wärmeträgermediums entgegen der Schwerkraft möglich, da sie insbesondere wenn als Wärmeträgermedium Partikel eingesetzt werden, für eine ”Fluidisierung” sorgt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Behälter schräge Wände aufweist, das heißt wenn über eine Längsachse des Behälters der Durchmesser variiert.
Es kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, dass die Vibrationseinrichtung so ausgebildet ist, dass die Vibration zeitlich und/oder räumlich steuerbar ist. Dadurch ist eine Anpassung beispielsweise der Wärmeträgermediumdurchlaufzeit durch den Behälter an unterschiedliche solare Einstrahlungsbedingungen möglich.
Bei einer Ausführungsform weist die Wandung dem Innenraum zugewandt einen oder mehrere definierte Laufpfade oder ein oder mehrere Führungselemente für Wärmeträgermedium auf. Durch einen oder mehrere Laufpfade bzw. Führungselemente wird das Wärmeträgermedium auf einer bestimmten Bahn innerhalb des Behälters geführt und/oder die Filmausbildung wird verbessert. Bei entsprechender Ausbildung der Bahn bzw. der Führungselemente lässt sich der Laufweg zum Durchlaufen des Behälters vergrößern und dadurch lässt sich die Aufenthaltsdauer des Wärmeträgermediums im Behälter vergrößern. Weiterhin lässt sich dadurch dem Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufprägen.
Insbesondere weist ein Laufpfad oder Führungselement Bahnelemente auf, welche in einer Ebene senkrecht zu der Achse des Behälters liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene liegen. Wärmeträgermedium kontaktiert die Bahnelemente. Die Bahnelemente sorgen für eine Führung. Wenn die Bahnelemente in einer Ebene senkrecht zur Achse des Behälters liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene, dann ist es beispielsweise möglich, dem Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente zu erteilen. Weiterhin lässt sich der Laufweg innerhalb des Behälters vergrößern.
Insbesondere weisen der oder die Laufpfade bzw. das oder die Führungselemente eine Tangentialausrichtung zur Wandung auf. Dadurch lässt sich Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erteilen.
An der Wandung sind beispielsweise Stufen und/oder Rillen und/oder Rippen und/oder Dellen und/oder Wandungsrauhigkeiten gebildet. Dadurch kann die Filmbildung verbessert werden und die Aufenthaltsdauer im Innenraum vergrößert werden.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik eine Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds und/oder magnetischen Felds, wobei das Wärmeträgermedium Partikel umfasst und wobei die Partikel elektrisch und/oder magnetisch geladen sind. Es lassen sich dadurch Lorentzkräfte bilden (wenn die Partikel elektrisch geladen sind und ein Magnetfeld auf sie wirkt) bzw. elektrostatische Kräfte (wenn die Partikel elektrisch geladen sind und elektrische Felder auf sie wirken) erzeugen, durch welche bei geeigneter Ausbildung eine Bewegung der Partikel nach außen zu der Wandung hin erfolgt. Diese werden dadurch gegen die Wandung gedrückt. Dadurch lässt sich die Aufenthaltsdauer erhöhen. Es ist beispielsweise auch möglich, eine Beeinflussung der Aufenthaltsdauer bei magnetisch geladenen Partikeln über entsprechende Wahl der Curie-Temperatur zu erreichen. Wenn beispielsweise innerhalb des Behälters oder beim Austritt des Behälters die Curie-Temperatur erreicht ist, dann erfolgt keine magnetische Kopplung der Partikel mehr an das entsprechende Feld und die Partikel lassen sich dann auf einfache Weise aus dem Behälter abführen. Die Kraft zwischen dem Feld der Felderzeugungseinrichtung und dem magnetisch geladenen Partikel wird gewissermaßen bei der Curie-Temperatur intrinsisch abgeschaltet.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Einhüllende der Wandung am Innenraum einen variierenden Querschnitt hat und insbesondere kegelförmig ist. Dadurch ist die Wandung an ihrer Innenseite allseitig bezüglich der Einhüllenden einer schiefen Ebene, an der Wärmeträgermedium entlang gleiten bzw. fließen kann.
Insbesondere verjüngt sich der Innenraum in Schwerkraftrichtung, sodass der Behälter trichterförmig ausgebildet ist. Die Solarstrahlungsbeaufschlagung erfolgt dabei insbesondere über eine Seite des Behälters, welche den kleineren Durchmesser aufweist.
Günstig ist es, wenn der Behälter einen Einkopplungsbereich für Wärmeträgermedium und einen Auskopplungsbereich für Wärmeträgermedium aufweist. Bei einer Ausführungsform liegt der Einkopplungsbereich bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb des Auskopplungsbereichs. An dem Einkopplungsbereich wird ”kaltes” Wärmeträgermedium eingekoppelt und an dem Auskopplungsbereich wird ”heißes”, durch Solarstrahlung erhitztes Wärmeträgermedium ausgekoppelt. Das Wärmeträgermedium wird entgegen der Schwerkraftrichtung durch den Behälter durchgeführt.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung in dem Behälter geführt wird, das heißt Wärmeträgermedium bezogen auf die Schwerkraftrichtung unten an den Behälter eingekoppelt wird und oben bezogen auf die Schwerkraftrichtung ausgekoppelt wird. Dies lässt sich insbesondere durch eine Kombination von Vibration und Rotation mit der geeigneten Rotationsgeschwindigkeit und gegebenenfalls entsprechender Wandungsausbildung (insbesondere über eine schräge Wandung) erreichen.
Günstig ist es, wenn eine Zuführungseinrichtung für Wärmeträgermedium zu dem Behälter vorgesehen ist, mit welcher Wärmeträgermedium auf einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit dem Behälter zuführbar ist. Dadurch lässt sich bei entsprechender Einstellung der Umfangsgeschwindigkeit bei der Einkopplung des Wärmeträgermediums in den Behälter erreichen, dass durch die Zuführung die Filmbildung minimal gestört wird.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Abführungseinrichtung für Wärmeträgermedium von dem Behälter vorgesehen ist, mit welcher Wärmeträgermedium mit einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit vom Behälter abführbar ist. Dadurch wird durch die Abführung die Filmbildung minimal gestört.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches einen optimierten Empfänger-Wirkungsgrad ergibt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Behälter um eine Drehachse rotiert wird, welche parallel oder in einem Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung liegt und/oder der Behälter vibriert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängervorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere an der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführen.
Insbesondere wird dabei das Wärmeträgermedium in dem Behälter direkt bestrahlt. Solarstrahlung wird insbesondere an einer Unterseite des Behälters in den Behälter eingekoppelt.
Günstig ist es, wenn der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel zur Schwerkraftrichtung oder in einem Winkel kleiner 80° zur Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist. Dadurch lasst sich ein optimierter Wirkungsgrad erreichen.
Günstig ist es, wenn der Behälter bezüglich einer Achse des Behälters vibriert wird und/oder die räumliche Lage der Achse verändert wird. Dadurch lässt sich die Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums in dem Behälter gezielt beeinflussen, um insbesondere den Empfänger-Wirkungsgrad zu erhöhen und/oder eine Anpassung an sich verändernde Bedingungen und insbesondere solare Einstrahlungsbedingungen durchführen zu können.
Es kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium Partikel umfasst und die Partikel elektrisch und/oder magnetisch geladen sind und eine elektrische Feldbeaufschlagung und/oder magnetische Feldbeaufschlagung der Partikel erfolgt. Dadurch lassen sich bei geeigneter Ausbildung entsprechende Kräfte auf die Partikel ausüben, welche diese beispielsweise gegen die Wandung des Behälters drücken, um so die Aufenthaltsdauer zu erhöhen.
Insbesondere ist die Kraftbeaufschlagung derart, dass die Partikel in Richtung der Wandung gezwungen werden.
Bei einer Ausführungsform sind magnetische Partikel so gewählt, dass die Curie-Temperatur bei oder unterhalb einer Soll-Temperatur liegt, welche im Behälter erreicht wird. Wenn die Curie-Temperatur erreicht ist, dann verschwindet gewissermaßen die magnetische Ladung der Partikel und die entsprechende Kraft ist dann nicht mehr wirksam. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Auskopplung der Partikel erreichen. Beispielsweise entspricht die Curie-Temperatur der Soll-Temperatur für die Auskopplung.
Günstig ist es, wenn eine Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums so beeinflusst wird, dass die Aufenthaltszeit des Wärmeträgermediums im Behälter vergrößert wird. Dadurch ergibt sich ein vergrößerter Empfänger-Wirkungsgrad.
Es ist auch günstig, wenn die Aufenthaltsdauer des Wärmeträgermediums im Behälter variablen Lastanforderungen angepasst wird. Dadurch erhält man eine variable Einstellung von Volllastbetrieb und Teillastbetrieb und es ist eine Anpassung an sich verändernde solare Einstrahlungsbedingungen möglich.
Bei einer Ausführungsform wird Wärmeträgermedium als Teilstrom oder Gesamtmassenstrom entgegen der Schwerkraftrichtung gefördert. Dies lässt sich insbesondere durch eine Kombination von Vibration und Rotation mit geeigneter Rotationsgeschwindigkeit erreichen. Unter Umständen sind dazu auch schräge Wände, wie sie beispielsweise bei einer trichterförmigen Ausbildung des Behälters vorliegen, vorteilhaft. Dadurch lässt sich insbesondere durch Ausbildung eines vorteilhaften Temperaturprofils der Empfängerwirkungsgrad erhöhen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines solarthermischen Kraftwerks;
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängervorrichtung;
3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung; und
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel eines solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Heliostatenfeld 12 mit einer Mehrzahl von Heliostaten 14. Ein Heliostat 14 hat eine Spiegelfläche 16, welche sich um mindestens eine Achse ausrichten lässt.
Solarstrahlung 18 lässt sich über die Spiegelflächen 16 des Heliostatenfelds 12 auf eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 insbesondere gebündelt richten. Auf die Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 20 gerichtete Solarstrahlung ist in 1 mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das solarthermische Kraftwerk 10 (mindestens) einen Turmreceiver 23, bei welchem die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 an einem Turm 21 beabstandet zu einem Boden 24 (bezogen auf die Schwerkraftrichtung g) angeordnet ist, das heißt erhöht angeordnet ist. Die Heliostaten 14 sind ebenfalls an dem Boden 14 angeordnet.
Die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 ist eine Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung, welche mit Partikeln als Wärmeübertragungsmedium betrieben wird. Die Partikel sind beispielsweise Keramikpartikel. Bei einer Ausführungsform werden Bauxit-Partikel mit typischen Durchmessern zwischen 0,3 mm bis 1 mm eingesetzt.
Das solarthermische Kraftwerk 10 umfasst dazu einen ersten Kreislauf 26, welcher ein Partikelkreislauf ist. In diesem ersten Kreislauf 26 werden Partikel durch einen Wärmeübertrager 28 durchgeführt. Der erste Kreislauf 26 weist einen Hochtemperaturzweig 30 und einen Niedertemperaturzweig 32 auf. Der Niedertemperaturzweig 32 führt von einem Ausgang 34 des Wärmeübertragers 28 zu einem Eingang 36 der (Partikel-)Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20. Der Hochtemperaturzweig 30 führt von einem Ausgang 38 der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 zu einem Eingang 40 des Wärmeübertragers 28. Partikel lassen sich dadurch über den Niedertemperaturzweig 32 der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 zuführen und werden dort über Solarstrahlung aufgeheizt. Aufgeheizte Partikel lassen sich über den Hochtemperaturzweig 30 dem Wärmeübertrager 28 zuführen und können dort Wärme an einen zweiten Kreislauf 42 abgeben.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass in dem Niedertemperaturzweig 32 ein Wärmespeicher 44 (Niedertemperatur-Wärmespeicher) angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass in dem Hochtemperaturzweig 30 ein Wärmespeicher 46 (Hochtemperatur-Wärmespeicher) angeordnet ist.
Der zweite Kreislauf 42 ist ein Turbinenkreislauf. In ihm ist eine Turbine 48 und insbesondere Dampfturbine angeordnet, welche an einen elektrischen Generator 50 zur thermischen Stromerzeugung gekoppelt ist.
Der zweite Kreislauf 42 umfasst dabei einen Hochtemperaturzweig 52, welcher von einem Ausgang 55 des Wärmeübertragers 28 zu der Turbine 48 führt. Ferner umfasst der zweite Kreislauf 42 einen Niedertemperaturzweig 54, welcher von der Turbine 48 oder einem der Turbine nachgeschalteten Kondensator 56 zu einem Eingang 58 des Wärmeübertragers 28 führt.
In dem Niedertemperaturzweig 54 ist insbesondere eine Pumpe 60 angeordnet, welche ein Fluid durch den zweiten Kreislauf 42 fördert.
An dem Wärmeübertrager 28 wird im Fluid des zweiten Dampfkreislaufs 42 (insbesondere Wasser) Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird in den Hochtemperaturzweig 52 der Turbine 48 zur Entspannung zugeführt. An der Turbine 48 wird thermische Energie in mechanische Energie gewandelt, welche den elektrischen Generator 50 zur Stromerzeugung antreibt.
Der Dampf entspannt und an dem Kondensator 46 erfolgt eine Kondensation zu Wasser. Dieses Kondensat wird in dem Niedertemperaturzweig 54 dem Wärmeübertrager 28 zur erneuten Dampferzeugung zurückgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine einstufige Turbinenanordnung gezeigt. Es ist auch möglich, dass die Turbinenanordnung mehrstufig ist.
Alternativ oder zusätzlich zur Stromerzeugung ist es beispielsweise auch möglich, dass eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung eingesetzt wird, um Prozesswärme zu erzeugen bzw. chemische Umwandlungen zu bewirken bzw. Brennstoffe herzustellen. Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen (Partikel-)Solarstrahlungsempfängervorrichtung, welche in 2 gezeigt und dort mit 62 bezeichnet ist, umfasst einen Behälter 64 mit einer Wandung 66. Die Wandung 66 umgibt einen Innenraum 68 des Behälters 64.
Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktion der Solarstrahlungsempfängervorrichtung im Zusammenhang mit Partikeln als Wärmeträgermedium beschrieben. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Fluide und insbesondere Flüssigkeiten wie Salzschmelzen als Wärmeträgermedium eingesetzt werden.
Der Behälter 64 weist eine Achse 70 auf, wobei insbesondere eine Innenseite 72 des Behälters 64 mindestens bezüglich einer Einhüllenden rotationssymmetrisch zu der Achse 70 ausgebildet ist.
Die Achse 70 ist parallel zur Schwerkraftrichtung g orientiert oder liegt in einem spitzen Winkel zu der Schwerkraftrichtung g, wobei dieser spitze Winkel höchstens 80° beträgt. Er ist üblicherweise durch die Ausrichtung der Heliostate 14 vorgegeben.
Die Innenseite 72 des Behälters 64 ist durch eine entsprechende Innenseite der Wandung 66 gebildet. Der Behälter 64 ist dabei trichterförmig; der Innenraum 68 verjüngt sich von einer Oberseite 74 zu einer Unterseite 76. An der Unterseite 76, welche bezogen auf die Schwerkraftrichtung g unterhalb der Oberseite 74 liegt, weist der Behälter 64 eine Öffnung 78 auf, welche insbesondere kreisrund ist. Solarstrahlung 22 wird über die Öffnung 78 in den Behälter 64 eingekoppelt; die Heliostaten 14 des Heliostatenfelds 12 richten die Solarstrahlung 22 auf die Öffnung 78.
Der Behälter 64 weist an der Oberseite 74 eine Öffnung 80 auf, welche ebenfalls bevorzugterweise kreisrund ist.
Die Öffnung 80 hat einen größeren Durchmesser als die Öffnung 78.
Partikel 82 werden über einen Einkopplungsbereich 84 in den Innenraum 68 des Behälters 64 geführt. Dieser Einkopplungsbereich 84 umfasst dabei die Öffnung 80 oder ist durch diese gebildet und ist durch den Eingang 36 gebildet bzw. steht mit diesem in für die Partikel fluidwirksamer Verbindung. Über den Einkopplungsbereich 84 werden ”kalte” Partikel 82 in den Innenraum 68 des Behälters 64 eingeführt.
Über einen Auskopplungsbereich 86, welcher die Öffnung 78 umfasst und durch diese gebildet ist, und welcher durch den Ausgang 38 gebildet ist oder mit diesem in für die Partikel fluidwirksamer Verbindung steht, werden ”heiße” Partikel 82 abgeführt und dem Wärmeübertrager 28 zugeführt.
Die Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung 62 ist so ausgebildet und wird so betrieben, dass sich an der Innenseite 72 der Wandung 66 ein möglichst zusammenhängender Partikelfilm als Wärmeträgermedium-Film ausbilden kann. Die Partikel 82 rutschen an der Innenseite 62 von den Einkopplungsbereich 84 zu dem Auskopplungsbereich 86 und werden dabei durch die Solarstrahlung 22 insbesondere direkt bestrahlt und erhitzt.
Es ist eine Einrichtung 88 zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik vorgesehen, welche insbesondere dafür sorgt, dass der Fallfilm nicht zu stark ausdünnt und eine hohe Aufenthaltszeit in dem Innenraum 68, das heißt eine hohe Aufenthaltszeit für die Solarstrahlungsbeaufschlagung erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich kann über die Einrichtung 88 die Wärmeaufnahme der Partikel in den Behälter 64 gesteuert werden, um so beispielsweise eine Anpassung an variierende Lastverhältnisse (beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Solareinstrahlung) zu ermöglichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Einrichtung 88 eine Drehantriebseinrichtung 90, durch welche der Behälter 64 um eine Drehachse 92 rotierbar ist. Die Drehachse 92 ist dabei parallel zur Schwerkraftrichtung g ausgerichtet oder liegt höchstens in einem spitzen Winkel von 80° oder weniger zur Schwerkraftrichtung g. Insbesondere fällt die Drehachse 92 mit der Achse 70 zusammen.
Die Einrichtung 88 kann eine Vibrationseinrichtung 94 umfassen, durch welche der Behälter 64 vibrierbar ist (in 2 durch das Bezugszeichen 96 angedeutet). Die Vibration kann dabei so sein, dass beispielsweise der Behälter 64 längs seiner Achse 70 rotiert. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass durch die Vibration beispielsweise die räumliche Lage der Achse 70 oszillierend verändert wird. Beispielsweise kann der Behälter 64 eine Art Taumelbewegung durchführen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung 88 eine Felderzeugungseinrichtung 98 zur Erzeugung eines elektrischen Felds und/oder magnetischen Felds, mit welchem der Innenraum 68 beaufschlagbar ist. In diesem Falle sind die Partikel 82 elektrisch und/oder magnetisch geladen.
Wenn beispielsweise die Partikel 82 elektrisch geladen sind und die Felderzeugungseinrichtung 98 ein magnetisches Feld erzeugt, dann erfahren die Partikel 82 im Magnetfeld eine Lorentzkraft, wobei bei entsprechender Ausrichtung des Magnetfelds die Partikel eine Bewegung nach außen in Richtung der Innenseite 72 der Wandung 66 erfahren können.
Wenn beispielsweise die Partikel 82 elektrisch geladen sind und die Felderzeugungseinrichtung 98 ein elektrisches Feld erzeugt, dann kann über elektrostatische Kräfte ebenfalls eine Bewegung nach außen erfolgen.
Wenn beispielsweise die Partikel 82 magnetisch geladen sind, dann kann auch durch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld eine Bewegung nach außen auf die Wandung 66 zu erfolgen. Es ist dabei auch möglich, die Partikel so auszuwählen, dass die Curie-Temperatur bei oder unterhalb einer Solltemperatur (Auslasstemperatur) der Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung 62 liegt. Wenn die entsprechende Curie-Temperatur erreicht ist, dann verlieren die Partikel 82 ihre magnetische Ladung und die über die Felderzeugungseinrichtung 98 erzeugte Kraft lässt nach. Dadurch lassen sich entsprechende Partikel 82 auf einfache Weise abführen. Es wird dadurch gewissermaßen die Wirkung der Felderzeugungseinrichtung 98 auf die Partikel 82 abgeschaltet.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt:
Zu erhitzende ”kalte” Partikel werden über den Einkopplungsbereich 84 in den Behälter 64 eingekoppelt. Dort werden sie von der Öffnung 78 her mit Solarstrahlung 22 beaufschlagt und erhitzt.
Die Achse 70 ist dabei parallel zur Schwerkraftrichtung g oder höchstens in einem kleinen spitzen Winkel (insbesondere kleiner 80°) zur Schwerkraftrichtung g geneigt. Der Behälter 64 ist trichterförmig ausgebildet.
Über die Einrichtung 88 lassen sich Maßnahmen treffen, um die Partikel 82 an der Wandung 66 zu ”halten” und gegebenenfalls dies auch variabel zu steuern. Bei entsprechender Verfahrensdurchführung ist sogar grundsätzlich eine Förderung von Partikeln 82 (als Teilstrom oder Gesamtmassenstrom) entgegen der Schwerkraftrichtung g möglich (in 2 mit dem Bezugszeichen 100 angedeutet).
Der Behälter 64 wird rotiert. Die Rotation ist dabei so schnell, dass sich der Partikelfilm aufgrund von Fliehkräften und Partikel-Wand-Reibung an der Innenseite 72 der Wandung 66 ausbilden kann. Der Behälter 64 wird so schnell gedreht, dass sich ein optisch dichter Partikelfilm über den gesamten Umfang der Wandung ergibt. Insbesondere ist dabei die Drehzahl so gewählt, dass sie größer als 70% der Drehzahl ist, bei der alle Partikel 82 an der Wandung 66 haften. Insbesondere ist die Drehzahl (in der Einheit rad/s) größer als 80% des Verhältnisses aus der Wurzel der Gravitationskonstante g zu dem Innenradius R der Wandung 66: n > 0,8 (g/R)^1/2.
Durch die Rotation des Behälters wird eine erhöhte Wandhaftung bzw. Randreibung erzeugt; die Fliehkraft drückt die Partikel 82 gegen die Innenseite 72 der Wandung 66. Dadurch lässt sich die Aufenthaltsdauer erhöhen.
Wenn der Rotation eine Vibration überlagert wird, kann mindestens für einen Teilstrom insbesondere bei entsprechender Ausbildung der Wandung 66 (siehe unten) eine Förderung entgegen der Schwerkraftrichtung g erreicht werden.
Es ist dabei auch möglich, dass die Vibration und/oder Rotation zeitlich variiert wird, um insbesondere eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente zu erzeugen. Auch dadurch können insbesondere bei geeigneter Neigung der Achse 70 zur Schwerkraftrichtung g eine Förderung entgegen der Schwerkraftrichtung g erreicht werden.
Durch entsprechende variable Steuerung der Rotation und/oder Vibration kann auch eine Anpassung an sich verändernde Lastverhältnisse insbesondere aufgrund unterschiedlicher solarer Einstrahlungsbedingungen erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Felderzeugungseinrichtung 98 durch entsprechende Kraftausübung auf elektrisch und/oder magnetisch geladene Partikel 82 die Bewegungscharakteristik beeinflussen und insbesondere die Aufenthaltsdauer im Behälter 64 erhöhen.
Durch die Einrichtung 88 lässt sich beispielsweise die ”Fallgeschwindigkeit” (axiale Durchtrittsgeschwindigkeit) der Partikel 82, welche den Partikelfilm ausbilden, reduzieren und insbesondere gesteuert reduzieren. Auf die Partikelgeschwindigkeit lässt sich eine Tangentialkomponente aufbringen. Partikel 82 lassen sich gesteuert zu der Innenseite 72 hinführen. Dort erfolgt durch Reibung eine Abbremsung, um die Aufenthaltsdauer zu vergrößern.
Es ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass die Zuführung und die Abführung der Partikel mit einer Geschwindigkeit erfolgt, welche mindestens näherungsweise der Umfangsgeschwindigkeit des Behälters 64 entspricht. Wenn die Zuführung entsprechend erfolgt, dann wird dadurch verhindert, dass aufgrund des Zuführungsprozesses die Filmbildung erschwert wird. Wenn bei der Abführung der Partikel die Umfangsgeschwindigkeit mit aufgenommen wird, dann wird eine zu starke Abweichung der Partikel von ihrer Bewegungscharakteristik innerhalb des Behälters vermieden. Dadurch wiederum wird eine Störung der Filmbildung aufgrund Abführung minimiert. Weiterhin werden dann Abriebsverluste bei der Abführung und Zuführung minimiert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung, welches in 3 in einer Teildarstellung gezeigt und dort mit 102 bezeichnet ist, umfasst einen Behälter 104. Der Behälter 104 weist wiederum eine Wandung 106 auf, die einen Innenraum 108 begrenzt und dabei den Innenraum umgibt. Eine Einhüllende einer Innenseite 110 der Wandung 106 verjüngt sich von einem Einkopplungsbereich 112 zu einem Auskopplungsbereich 114. Der Einkopplungsbereich 112 liegt bezogen auf die Schwerkraftrichtung g oberhalb des Auskopplungsbereichs 114. Über den Auskopplungsbereich 114 wird Solarstrahlung 22 in den Innenraum 108 eingekoppelt.
Der Behälter 104 hat eine Achse 116, wobei insbesondere die Innenseite der Wandung 110 bezüglich ihrer Einhüllenden rotationssymmetrisch zu der Achse 116 ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Achse 116 leicht geneigt (in einem Winkel kleiner oder gleich 80°) bezüglich der Schwerkraftrichtung g.
An der Wandung 106 ist eine Einrichtung 118 zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik von Partikeln 82 ausgebildet, welche über den Einkopplungsbereich 112 in den Innenraum 108 eingeführt werden. Diese Einrichtung 118 umfasst (mindestens) einen Laufpfad 120 bzw. Führungselement an der Innenseite 110 der Wandung 106.
Ein Laufpfad 120 bzw. Führungselement weist Bahnelemente 122 auf, auf welchen Partikel 82 gestützt geführt sind, wobei ein Bahnelement 122 parallel zu einer Ebene 124 orientiert ist, welche senkrecht zu der Achse 116 liegt oder in einem kleinen spitzen Winkel insbesondere kleiner oder gleich 30° zu dieser Achse 116 liegt.
Durch solche Laufpfade 120 bzw. Führungselemente, welche durch eine Profilierung der Wandung 106 an der Innenseite 110 gebildet sind, lässt sich die Aufenthaltsdauer von Partikeln 82 in dem Innenraum 108 vergrößern, da die axiale Durchtrittsgeschwindigkeit reduziert bzw. die Aufenthaltsdauer erhöht wird.
Dies lässt sich dabei in Kombination mit einer Rotation und/oder Vibration und/oder Felderzeugung, wie im Zusammenhang mit der Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung 62 beschrieben, erreichen.
Durch ein oder mehrere Laufpfade 120 bzw. Führungselemente, welche insbesondere eine Tangentialausrichtung mindestens komponentenweise aufweisen, um eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente der Partikel 82 bei der Bewegung an der Innenseite 110 der Wandung 106 zu erzwingen, lässt sich die Aufenthaltsdauer der Partikel 82 im Innenraum 108 erhöhen.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Laufpfade 120 bzw. Führungselemente durch Stufen 126 an der Innenseite der Wandung 106 gebildet. Es ist dabei eine Mehrzahl von beabstandeten Stufen 126 vorgesehen, wobei die Stufen 126 insbesondere parallel zueinander ausgerichtet sind.
Die Laufpfade 120 bzw. Führungselemente können beispielsweise auch durch Rillen, Rippen, Dellen, Wandrauhigkeiten usw. gebildet werden.
Die Stufen 126 des Behälters 104 sind beabstandet zueinander. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Laufpfade 120 bzw. Führungselemente vorliegen, welche zusammenhängend mindestens durch einen Teil des Behälters 104 durchgehen und dabei eine axiale Erstreckung mit einer Komponente parallel zur Achse 116 aufweisen.
Die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 wird wie oben beschrieben betrieben.
Wenn eine Tangential-Geschwindigkeitskomponente für die Partikel 82 in dem Innenraum 68 bzw. 108 erzeugt wird, dann lassen sich Partikelverluste reduzieren, das heißt der Anteil derjenigen Partikel, welche eine reduzierte Strahlungsbeaufschlagung haben und daher nicht ausreichend erhitzt werden, ist reduziert. Durch die tangentiale Geschwindigkeitskomponente werden Partikel 82 immer wieder nach außen an die Innenseite 110 der Wandung 106 gezwungen.
Grundsätzlich kann im Film der Partikel 82 in dem Innenraum 108 ein Temperaturgradient entstehen. Eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente führt zu einem Temperaturausgleich in Umfangsrichtung, da insbesondere unterschiedliche Zonen in der Umfangsrichtung mehrfach durchlaufen werden. Dadurch ist die Temperaturverteilung für die Partikeltemperatur bei Auskopplung der Partikel homogener.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer (Partikel-)Solarstrahlungsempfängervorrichtung, welche in 4 gezeigt und dort mit 128 bezeichnet ist, ist ein Behälter 130 mit einer Achse 132 vorgesehen. Die Achse 132, welche eine Längsachse ist, ist in einem Winkel zu der Schwerkraftrichtung g geneigt. Der Winkel liegt dabei beispielsweise bei 45°.
Der Behälter 130 ist rotierbar um eine Drehachse, welche beispielsweise mit der Achse 132 zusammenfällt. Ferner ist er gegebenenfalls vibrierbar.
Der Behälter 130 weist ein Zuführungsende 134 für (kaltes) Wärmeträgermedium auf und ein Abführungsende 136 für (heißes) Wärmeträgermedium.
Solarstrahlung 18 wird in den Behälter 130 im Bereich des Abführungsendes 136 eingekoppelt.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Teilstrom oder ein Gesamtmassenstrom von Wärmeträgermedium in dem Behälter 130 entgegen der Schwerkraftrichtung gefördert wird.
Dem Behälter 130 ist eine Zuführungseinrichtung 138 für Wärmeträgermedium zugeordnet. Diese sitzt an dem Zuführungsende 134. Die Zuführungseinrichtung 138 ist trichterförmig ausgebildet mit einem ersten Ende 140 und einem zweiten Ende 142. Über das erste Ende 140 sitzt die Zuführungseinrichtung 138 an dem Zuführungsende 134. Der Durchmesser der Zuführungseinrichtung 138 an dem zweiten Ende 142 ist kleiner als an dem ersten Ende 140.
Die Zuführungseinrichtung 138 ist so ausgebildet, dass sich Wärmeträgermedium und insbesondere Partikel dem Behälter 130 mit einer Umfangsgeschwindigkeit zuführen lassen, welche für die Filmbildung in dem Behälter 130 optimiert ist.
Es kann weiterhin eine Abführungseinrichtung vorgesehen sein, welche im Bereich des Abführungsendes 136 angeordnet ist.
Eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung lässt sich in einem solarthermischen Kraftwerk oder beispielsweise auch zur Bereitstellung von Prozesswärme verwenden. Insbesondere lässt es sich verwenden, wenn hohe Prozesstemperaturen vorliegen und insbesondere eine kleine bis mittlere Leistung geliefert wird.
Eine Anwendung wie ein solarthermisches Kraftwerk weist vorteilhafterweise einen oder mehrere Speicher auf, welche jeweils mindestens einen Behälter aufweisen, welcher thermisch isoliert ist, und in dem heiße Partikel gesammelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Solarthermisches Kraftwerk
12: Heliostatenfeld
14: Heliostat
16: Spiegelfläche
18: Solarstrahlung
20: Solarstrahlungsempfängervorrichtung
21: Turm
22: Solarstrahlung
23: Turmreceiver
24: Boden
26: Erster Kreislauf
28: Wärmeübertrager
30: Hochtemperaturzweig
32: Niedertemperaturzweig
34: Ausgang
36: Eingang
38: Ausgang
40: Eingang
42: Zweiter Kreislauf
44: Wärmespeicher
46: Wärmespeicher
48: Turbine
50: Elektrischer Generator
52: Hochtemperaturzweig
54: Niedertemperaturzweig
55: Ausgang
56: Kondensator
58: Eingang
60: Pumpe
62: Solarstrahlungsempfängervorrichtung
64: Behälter
66: Wandung
68: Innenraum
70: Achse
72: Innenseite
74: Oberseite
76: Unterseite
78: Öffnung
80: Öffnung
82: Partikel
84: Einkopplungsbereich
86: Auskopplungsbereich
88: Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik
90: Drehantriebseinrichtung
92: Drehachse
94: Vibrationseinrichtung
96: ”Vibration”
98: Felderzeugungseinrichtung
100: Förderung entgegen der Schwerkraftrichtung
102: Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung
104: Behälter
106: Wandung
108: Innenraum
110: Innenseite
112: Einkopplungsbereich
114: Auskopplungsbereich
116: Achse
118: Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik
120: Laufpfad
122: Bahnelemente
124: Ebene
126: Stufe
128: Solarstrahlungsempfängervorrichtung
130: Behälter
132: Achse
134: Zuführungsende
136: Abführungsende
138: Zuführungseinrichtung
140: Erstes Ende
142: Zweites Ende
g: Gravitationskonstante
R: Innendurchmesser des Behälters

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

WO 2010/015515 A2 [0003]

Claims

Solarstrahlungsempfängervorrichtung; umfassend einen Behälter (64; 104) mit einer Wandung (66; 106), einen von der Wandung (66; 106) umgebenen Innenraum (68; 108) und eine Drehantriebseinrichtung (90), durch welche der Behälter (64; 104) um eine Drehachse (92) rotierbar ist, wobei der Behälter (64; 104) eine Achse (70; 116) aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung (g) orientiert ist und wobei durch den Behälter (64; 104) Wärmeträgermedium (82) unter Bildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite (72; 110) der Wandung (66; 106) durchführbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium durch Partikel (82) und/oder ein Fluid und insbesondere Flüssigkeit gebildet ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl des Behälters (64; 104) größer als 80% von (g/R)^1/2 ist, wobei g die Gravitationskonstante ist und R ein Innendurchmesser des Behälters (64; 104).
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums in dem Innenraum (68; 108).
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik als Einrichtung zur Vergrößerung der Aufenthaltszeit ausgebildet ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik als Einrichtung zur Steuerung und insbesondere variablen Steuerung der Aufenthaltszeit des Fluids im Innenraum (68; 108) ausgebildet ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (92) parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung (g) liegt.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (92) koaxial zur Achse (70; 116) des Behälters (64; 104) ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Behälters (64; 104) zeitlich variabel steuerbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vibrationseinrichtung (94), durch welche der Behälter (64; 104) oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters (64; 104) vibrierbar sind.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung (94) so ausgebildet ist, dass der Behälter (64; 104) oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters (64; 104) längs der Achse (70; 116) des Behälters (64; 104) vibrierbar sind und/oder eine räumliche Lage der Achse (70; 116) zeitlich veränderbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung (94) so ausgebildet ist, dass die Vibration zeitlich und/oder räumlich steuerbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (106) dem Innenraum (108) zugewandt ein oder mehrere definierte Laufpfade (120) und/oder Führungselemente (120) für Wärmeträgermedium aufweist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laufpfad (120) oder Führungselement Bahnelemente (122) aufweist, welche in einer Ebene (124) senkrecht zu der Achse (116) des Behälters (104) liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene (124) liegen.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Laufpfade (120) oder das oder die Führungselemente eine Tangentialausrichtung zur Wandung (106) aufweisen.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wandung (106) des Behälters (104) Stufen (126) und/oder Rillen und/oder Rippen und/oder Dellen und/oder Wandrauhigkeiten gebildet sind.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik eine Felderzeugungseinrichtung (98) zur Erzeugung eines elektrischen Felds und/oder magnetischen Felds umfasst, wobei Partikel (82) als Wärmeträgermedium elektrisch und/oder magnetisch geladen sind.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einhüllende der Wandung (66; 106) am Innenraum (68; 108) einen variierenden Querschnitt hat und insbesondere kegelförmig ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenraum (68; 108) in Schwerkraftrichtung (g) verjüngt.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (64; 104) einen Einkopplungsbereich (84) für Wärmeträgermedium und einen Auskopplungsbereich (86) für Wärmeträgermedium aufweist, wobei der Einkopplungsbereich (84) bezogen auf die Schwerkraftrichtung (g) oberhalb des Auskopplungsbereichs (86) liegt.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuführungseinrichtung (138) für Wärmeträgermedium zu dem Behälter (130), mit welcher Wärmeträgermedium auf einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit dem Behälter (130) zuführbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abführungseinrichtung für Wärmeträgermedium vom Behälter (130), mit welcher Wärmeträgermedium mit einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit vom Behälter (130) abführbar ist.
Verfahren zur solaren Erhitzung von Wärmeträgermedium, bei dem Wärmeträgermedium durch einen solarstrahlungsbeaufschlagten Behälter geführt wird, bei dem durch Fliehkraftwirkung ein Wärmeträgermedium-Film an einer Wandung des Behälters ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter um eine Drehachse rotiert wird, welche parallel oder in einem Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung liegt und/oder der Behälter vibriert wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium direkt bestrahlt werden.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel zur Schwerkraftrichtung oder in einem Winkel kleiner 80° zur Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter bezüglich einer Achse des Behälters vibriert wird und/oder die räumliche Lage der Achse verändert wird.
Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 23 oder einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium Partikel umfasst, welche elektrisch und/oder magnetisch geladen sind und eine elektrische Feldbeaufschlagung und/oder magnetische Feldbeaufschlagung der Partikel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung derart ist, dass die Partikel in Richtung der Wandung gezwungen werden.
Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass magnetische Partikel so gewählt werden, dass die Curie-Temperatur bei oder unterhalb einer Solltemperatur liegt, welche im Behälter erreicht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums so beeinflusst wird, dass die Aufenthaltszeit der Partikel im Behälter vergrößert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufenthaltsdauer des Wärmeträgermediums im Behälter variabel an die Lastanforderungen angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium in dem Behälter entgegen der Schwerkraftrichtung gefördert wird.