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Die Erfindung betrifft eine Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein solarthermisches Kraftwerk.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nutzung solarer Strahlungsenergie.
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Aus der
DE 10 2004 020 939 A1 ist ein Verfahren zur Speicherung thermischer Energie bekannt, bei dem individuelle Speichereinheiten zur Wärmeaufnahme durch eine Wärmebeaufschlagungszone transportiert werden.
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Solare Receiversysteme werden auch in den Artikeln
"High-Temperature Liquid-Fluoride-Salt Closed-Brayton-Cycle Solar Power Towers" von C. W. Forsberg et al., Journal of Solar Energy Engineering von Mai 2007, Volume 129, Seiten 141 bis 146,
"Evaluation and Application of Solid Thermal Energy Carriers in a High Temperature Solar Central Receiver System" von P. K. Falcone et al., 17th IECEC, 1982, Seiten 1498 bis 1503,
"Gas-Particle Flow Within a High Temperature Solar Cavity Receiver Including Radiation Heat Transfer" von G. Evans et al., Transactions of the ASME, Volume 109, Mai 1987, Seiten 134 bis 142 beschrieben.
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In dem Artikel
"Hydrodynamic, Thermal, and Radiative Transfer Behavior of Molten Salt Films as Applied to the Direct Absoprtion Receiver Concept" von H. J. Green, in GUPTA, B.; TRAUGOTT, W. H. (EDS.): Solar Thermal Technology – Research, Development and Applications, 4th International Symp., June 13–17, Santa Fee, NM, 1988, Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1990, Seiten 287 bis 306 sind direktabsorbierende Receiver beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung bereitzustellen, welche eine hohe Austragesicherheit hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Wärmeaufnahmebereich vorgesehen ist, welcher mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt ist oder beaufschlagbar ist, ein Wärmeabgabebereich vorgesehen ist, mindestens eine zusammenhängende Wärmemitnahmeeinrichtung aus einem Festkörpermaterial vorgesehen ist, und mindestens eine Antriebseinrichtung zum Transport der mindestens einen Wärmemitnahmeeinrichtung, wobei ein Gebiet der mindestens einen Wärmemitnahmeeinrichtung, welches in dem Wärmeaufnahmebereich aufgeheizt wurde, zu dem Wärmeabgabebereich transportiert ist.
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Die Wärmemitnahmeeinrichtung kann durch Strahlungsabsorption Wärme aufnehmen. Diese Wärme lässt sich über die zusammenhängende Wärmemitnahmeeinrichtung zu dem Wärmeabgabebereich transportieren und dort nutzen. Insbesondere lässt sie sich über Direktwärmeübertragung an ein Medium abgeben.
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Durch die zusammenhängende Wärmemitnahmeeinrichtung lässt sich ein effektiver Wärmetransport von dem Wärmeaufnahmebereich zu dem Wärmeabgabebereich erreichen. Die Wärmemitnahmeeinrichtung kann insbesondere umlaufend ausgebildet werden. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise ein kontinuierlicher Wärmetransport erreichen.
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Die Wärmemitnahmeeinreichung ist zusammenhängend, sodass die Gefahr eines Windaustrags minimiert ist.
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Die Wärmemitnahmeeinrichtung lässt sich auf einfache Weise entsprechend dimensionieren, um thermische Belastungen und mechanische Belastungen gering zu halten. Sie lässt sich beispielsweise aus einem metallischen Material herstellen.
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Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Wärmeabgabebereich bezogen auf die Schwerkraftrichtung unterhalb des Wärmeaufnahmebereichs angeordnet ist und insbesondere direkt unterhalb angeordnet ist. Dadurch lässt sich die bewegte Masse der Wärmemitnahmeeinrichtung gering halten und dadurch lassen sich die mechanischen Anforderungen minimieren.
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Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung an einem Turm angeordnet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein Transport und insbesondere umlaufender Transport realisieren. Es lässt sich dabei auch auf einfache Weise ein Turmreceiver realisieren. Es ist auch möglich, dass die Wärmemitnahmeeinrichtung im Zusammenhang mit Parabolrinnenkollektoren oder Dish-Kollektoren verwendet wird.
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Günstig ist es, wenn der Wärmeabgabebereich bezogen auf die Schwerkraftrichtung beabstandet zu einem Boden angeordnet ist. Dadurch lässt sich die bewegte Masse der Mitnahmeeinrichtung gering halten.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Antriebseinrichtung und/oder Führungselemente für die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung außerhalb des Wärmeaufnahmebereichs angeordnet sind. Diese sind dadurch an einer ”kalten Seite” des Systems angeordnet, deren thermische Belastung minimiert ist.
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Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Haupttransportrichtung für durch die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung aufgenommene Wärme in Schwerkraftrichtung oder entgegen der Schwerkraftrichtung orientiert ist. Das entsprechende System lässt sich auf konstruktiv einfache Weise realisieren. Wenn beispielsweise die Haupttransportrichtung in Schwerkraftrichtung ist, dann lässt sich, wenn die Wärmemitnahmeeinrichtung an einem Turm angeordnet ist, die Turmhöhe relativ gering halten.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmemitnahmeeinrichtung aus einem metallischen Material hergestellt ist. Dadurch kann eine hohe mechanische Stabilität erreicht werden. Ferner kann bei Wahl des entsprechenden Metalls eine hohe Wärmeaufnahmefähigkeit realisiert werden.
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Insbesondere ist es günstig, wenn die Wärmemitnahmeeinrichtung mit einer Strahlungsabsorptionsoberfläche und/oder reflexionsverminderten Oberfläche versehen ist. Beispielsweise ist die Wärmemitnahmeeinrichtung mit schwarzer Farbe beschichtet.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von Wärmemitnahmeeinrichtungen verteilt um eine Achse angeordnet sind. Dadurch lässt sich konzentrierte Solarstrahlung von verschiedenen Richtungen her einstrahlen, um eine effektive Nutzung zu erreichen.
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Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn unterschiedliche Wärmemitnahmeeinrichtungen unterschiedliche Wärmeaufnahmebereichszonen mit unterschiedlichen Solarstrahlungs-Einfallsrichtungen aufweisen. Dadurch kann eine entsprechende Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung an einem Turm realisiert sein, welcher von unterschiedlichen Richtungen her mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt wird.
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Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung eine Mehrzahl von Lagen aufweist, welche bezogen auf eine Solarstrahlungs-Einfallsrichtung hintereinander angeordnet sind. Dadurch lässt sich gegebenenfalls eine Wärmeabsorptionsfläche erhöhen. Es ist dadurch beispielsweise auch möglich, dass in einer oder mehreren vor deren Lagen eine direkte Strahlungsabsorption erfolgt und in hinteren Lagen eine konvektive Erhitzung über vorherige Lagen. Es lässt sich dadurch ein effektiver Wärmetransport erreichen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn an dem Wärmeabgabebereich die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung Wärme an ein Medium abgibt und insbesondere durch Direktwärmeübertragung Wärme an das Medium abgibt. Dadurch lassen sich Wärmeübertragungsverluste minimieren. Das Medium lässt sich direkt als thermisches Speichermedium und/oder Wärmeübertragungsmedium nutzen.
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Günstig ist es, wenn an dem Wärmeabgabebereich mindestens ein Tank angeordnet ist, welcher ein Medium aufnimmt, durch welches die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung geführt ist. Dadurch kann in einem kontinuierlichen Prozess die Wärmemitnahmeeinrichtung unter Minimierung von Übertragungsverlusten direkt das Medium erhitzen.
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Günstigerweise ist das Medium fließfähig und insbesondere gasförmig oder flüssig. Die Wärmemitnahmeeinrichtung ist vorzugsweise durch ein Mediumbad durchgeführt. Dadurch lässt sich in einem kontinuierlichen Transportprozess auch kontinuierlich eine Beheizung des Mediums erreichen.
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Günstigerweise ist die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung durch einen oberen Bereich des mindestens einen Tanks durchgeführt, welcher beabstandet zu einem Boden des mindestens einen Tanks ist. Die Wärmemitnahmeeinrichtung ist dann bezogen auf eine Gesamthöhe des Tanks über dem Boden nur durch einen oberen Teilbereich durchgeführt. Wenn die Wärmemitnahmeeinrichtung Wärme an das Medium in dem Tank abgibt, wird die Wärmemitnahmeeinrichtung in dem entsprechenden Gebiet abgekühlt. Wenn sie nur in dem oberen Bereich des mindestens einen Tanks geführt ist, dann ist dadurch erreicht, dass ein abgekühltes Gebiet der Mitnahmeeinrichtung nicht wieder durch eine heiße Schicht des Mediums durchgeführt werden muss.
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Insbesondere ist in dem oberen Bereich mindestens ein Einlass einer Fluidleitung angeordnet. Es lässt sich dadurch aus dem Tank heißes Medium zur weiteren Nutzung (insbesondere als Wärmeübertragungsmedium und/oder thermisches Speichermedium) auskoppeln.
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Günstigerweise ist in einem unteren Bereich, welcher zwischen dem Boden und dem oberen Bereich liegt, mindestens ein Auslass für eine Fluidleitung angeordnet. Über diesen mindestens einen Auslass lässt sich ”kaltes” Medium wieder in den Tank einkoppeln. Dadurch lässt sich insbesondere ein Mediumpegel in dem Tank mindestens näherungsweise konstant halten.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung umlaufend geführt ist. Dadurch lässt sich ein kontinuierlicher Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabe-Prozess realisieren und konzentrierte Solarstrahlung lässt sich effektiv nutzen.
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Insbesondere ist die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung eine Endloseinrichtung. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein kontinuierlicher Wärmeaufnahme-Prozess und Wärmeabgabe-Prozess realisieren.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung ein oder mehrere Seile. Diese sind entsprechend geführt. An dem Wärmeaufnahmebereich nimmt ein entsprechender Teilbereich eines Seils Wärme auf. Durch Weitertransport zu dem Wärmeabgabebereich kann dieser Bereich des Seils Wärme an ein Medium abgeben. Auf ein Seil können oberflächenvergrößernde Elemente aufgefädelt sein.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung eine Mehrzahl von verbundenen Gliedern. Durch die verbundenen Glieder lässt sich beispielsweise eine Endloseinrichtung realisieren, welche umlaufend transportierbar ist. Wenn verbundene Glieder vorgesehen sind, dann lässt sich auch auf einfache Weise eine mehrlagige Wärmemitnahmeeinrichtung ausbilden.
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Beispielsweise sind Glieder ineinander gefügt und/oder durch Gelenke verbunden. Dadurch ist eine relative Beweglichkeit von miteinander verbundenen Gliedern möglich, um beispielsweise eine Mitnahmeeinrichtung in einer Endlosschleife zu führen und kontinuierlich zu transportieren.
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Bei einer Ausführungsform sind die Glieder als geschlossene Schleifen ausgebildet.
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Beispielsweise umfasst die mindestens eine Wärmeaufnahmeeinrichtung eine Kette. Als Kette wird hier eine Reihe aus beweglichen Gliedern verstanden, welche direkt (beispielsweise durch Ineinanderfügen oder durch Gelenke) oder indirekt (beispielsweise durch Auffädeln auf einem Seil) verbunden sind.
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Über die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung erhitztes Medium lässt sich einer thermischen Speichereinrichtung und/oder einer Wärmeübertragereinrichtung zur späteren Nutzung bereitstellen. Dadurch lässt sich beispielsweise Prozesswärme bereitstellen bzw. es lässt sich ein Stromgenerator betreiben.
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Insbesondere ist mindestens ein Kreislauf für durch die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung erhitztes Medium vorgesehen.
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Günstig ist es, wenn eine Pufferspeichereinrichtung für Medium vorgesehen ist. Dadurch lässt sich ein Medium wie beispielsweise Zinn verwenden, welches bei ruhendem System nicht flüssig ist, sondern fest. In der Pufferspeichereinrichtung lässt sich bei ruhendem System dieses Medium speichern, sodass in entsprechenden Leitungen des Systems außerhalb der Pufferspeichereinrichtung kein solches Medium verbleibt.
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Insbesondere entspricht ein Volumen der Pufferspeichereinrichtung einem Systemvolumen für Medium (wie beispielsweise Zinn), wenn das System mit Medium befüllt ist. Dadurch lässt sich dann das System aus der Pufferspeichereinrichtung heraus vollständig mit Medium (insbesondere flüssigem Medium) im Betrieb bzw. für den Betrieb des Systems befüllen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Pufferspeichereinrichtung an einer thermischen Speichereinrichtung angeordnet ist und insbesondere in diese integriert ist. Dadurch kann das Medium durch entsprechende Beheizung in der Pufferspeichereinrichtung in flüssigem Zustand gehalten werden, auch wenn das System (wie beispielsweise nachts) angehalten ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Pufferspeichereinrichtung eine Heizeinrichtung umfasst. Dadurch lässt sich beispielsweise zum einmaligen Anfahren des Systems oder nach längeren Wartungsarbeiten festes Medium in der Pufferspeichereinrichtung aufheizen, um das System mit Medium zu befüllen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Wärmemitnahmeeinrichtung oder eine mehrlagige Wärmemitnahmeeinrichtungs-Einheit so angeordnet und ausgebildet ist, dass auf sie konzentrierte Solarstrahlung von mindestens zwei Seiten her trifft. Beispielsweise trifft konzentrierte Solarstrahlung auf eine Außenseite und auf eine Innenseite. Dadurch lässt sich eine effektive Aufheizung erreichen und Aufheizzeiten lassen sich minimieren. Dadurch wiederum kann eine hohe Geschwindigkeit für den Transport der Wärmemitnahmeeinrichtung realisiert werden.
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Erfindungsgemäß wird ein solarthermisches Kraftwerk bereitgestellt, welches mindestens eine erfindungsgemäße Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung und eine Solarstrahlungskonzentratoreinrichtung umfasst, wobei ein Wärmeaufnahmebereich (der Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung) an einer fokalen Zone der Solarkonzentratoreinrichtung liegt.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich ein effektiver Wärmeübertrag erreichen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine zusammenhängende Wärmemitnahmeeinrichtung durch einen Wärmeaufnahmebereich transportiert wird, wobei ein Gebiet der Wärmemitnahmeeinrichtung durch konzentrierte Solarstrahlung erhitzt wird, dieses Gebiet zu einem Wärmeabgabereich transportiert wird und dort Wärme an ein Medium abgibt.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung erläutert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere an der erfindungsgemäßen Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung durchführen.
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Günstig ist es, wenn die Wärmemitnahmeeinrichtung an dem Wärmeabgabebereich durch ein Mediumbad geführt wird. Dadurch lässt sich auf einfache Weise und insbesondere in einem kontinuierlichen Prozess ein Medium aufheizen.
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Erhitztes Medium wird zur Nutzung beispielsweise einer Wärmeübertragungseinrichtung und/oder einer thermischen Speichereinrichtung zugeführt.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wärmemitnahmeeinrichtung umlaufend transportiert wird, wobei ein bestimmtes Gebiet der Wärmemitnahmeeinrichtung den Wärmeaufnahmebereich durchläuft, anschließend dem Wärmeabgabebereich zugeführt wird und anschließend wieder zum Wärmeaufnahmebereich transportiert wird. Durch einen kontinuierlichen Transport der Wärmemitnahmeeinrichtung lässt sich dadurch kontinuierlich Wärme von dem Wärmeaufnahmebereich zu dem Wärmeabgabebereich transportieren.
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Günstig ist es, wenn Medium vor einer Systemanfahrt in einer Pufferspeichereinrichtung gespeichert wird. Dadurch lässt sich als Medium auch ein Material verwenden, welches bei einem Nichtbetrieb des Systems erstarrt. Ein solches Medium lässt sich insbesondere vor einem Systemherunterfahren in der Pufferspeichereinrichtung speichern, sodass keine Erstarrung in Leitungen außerhalb der Pufferspeichereinrichtung stattfinden kann.
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Insbesondere sind vor der Systemanfahrt Systemvolumina außerhalb der Pufferspeichereinrichtung mit Luft befüllt, sodass dort kein erstarrtes Medium vorliegt. Dadurch muss außerhalb der Pufferspeichereinrichtung nicht für eine Verflüssigung von Medium gesorgt werden.
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Im Betrieb des Systems ist die Pufferspeichereinrichtung zumindest teilweise mit Luft befüllt.
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Günstig ist es, wenn die Pufferspeichereinrichtung beheizt wird. Dadurch lässt sich beispielsweise zu einem erstmaligen Anfahren bzw. nach einer längeren Systembetriebsunterbrechung (wie beispielsweise für Wartungsarbeiten) festes Medium in der Pufferspeichereinrichtung verflüssigen.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines solarthermischen Kraftwerks mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung;
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2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 gemäß 1;
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3 eine schematische Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung in Teilansicht;
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5 eine Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung;
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6 eine Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Mitnahmeeinrichtung;
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7 eine Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Mitnahmeeinrichtung; und
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8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel eines solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Solarkonzentratoreinrichtung 12. Diese konzentriert Solarstrahlung (in 1 mit dem Bezugszeichen 14 angedeutet) in eine oder mehrere fokale Zonen 16.
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Die Solarkonzentratoreinrichtung 12 ist beispielsweise durch ein Heliostatenfeld 18 mit einer Mehrzahl von Heliostaten 20 gebildet. Ein solcher Heliostat weist eine bündelnde Reflektorfläche 22 auf. Die Reflektorfläche 22 ist beispielsweise zweiachsig beweglich.
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Das solarthermische Kraftwerk 10 umfasst (mindestens) eine Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24. Es ist beispielsweise vorgesehen, dass einem jeweiligen Teilbereich des Heliostatenfelds 18 eine jeweils eigene Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24 zugeordnet ist.
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Die Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24 umfasst einen Turm 26, welcher sich entgegen der Schwerkraftrichtung g über einem Boden 28 erhebt. Dieser Boden 28 ist der Boden, auf dem die Heliostate 20 aufgestellt sind.
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An dem Turm 26 ist (mindestens) eine Mitnahmeeinrichtung 30 geführt. Die Mitnahmeeinrichtung 30 ist dabei zwischen einem Wärmeaufnahmebereich 32 und einem Wärmeabgabebereich 34 geführt. Sie ist ferner zwischen Wärmeabgabebereich 34 und dem Wärmeaufnahmebereich 32 geführt.
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Der Wärmeaufnahmebereich 32 ist dabei an der fokalen Zone 16 angeordnet. An dem Wärmeaufnahmebereich 32 lässt sich ein Gebiet (ein Teilbereich) der Mitnahmeeinrichtung 30 durch Beaufschlagung mit konzentrierter Solarstrahlung aufheizen. Dieses aufgeheizte Gebiet lässt sich dann dem Wärmeabgabebereich 34 zur Nutzung der entsprechenden Wärme zuführen.
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Die Mitnahmeeinrichtung 30 ist zusammenhängend ausgebildet. Der Transport der Mitnahmeeinrichtung 30 ist über eine Antriebseinrichtung 36 angetrieben. Die Antriebseinrichtung 36 sorgt für die Bewegung eines bestimmten Teilbereichs der Mitnahmeeinrichtung durch den Wärmeaufnahmebereich 32 hinzu zu dem Wärmeabgabebereich 34, durch den Wärmeabgabebereich 34 hindurch und dann wieder zu dem Wärmeaufnahmebereich 32.
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Die Mitnahmeeinrichtung 30 ist insbesondere durch eine Endloseinrichtung ausgebildet, welche an dem Turm 26 umläuft. Es sind dazu entsprechende Umlenkrollen 38 vorgesehen. Eine oder mehrere Umlenkrollen sind dabei durch die Antriebseinrichtung 36 angetrieben bzw. Teil der Antriebseinrichtung, um eine umlaufende Bewegung der Mitnahmeeinrichtung 30 anzutreiben.
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Es sind ferner Führungselemente 40 (wie Führungsrollen) zur definierten Führung der Mitnahmeeinrichtung 30 vorgesehen.
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Die Antriebseinrichtung 36, Umlenkrollen 38 und Führungselemente 40 sind vorzugsweise außerhalb des Wärmeaufnahmebereichs 32 an einer ”Kaltseite” angeordnet, um deren thermische Belastung zu minimieren.
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Beispielsweise sind eines oder mehrere der genannten Elemente in einem Innenraum des Turms 26 angeordnet.
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Der Wärmeaufnahmebereich 32, durch welchen die Mitnahmeeinrichtung 30 zur Wärmeaufnahme geführt ist, ist vorzugsweise an einer Außenseite des Turms 26 gebildet. Es kann dabei eine Öffnung 42 in dem Turm 26 vorgesehen sein, durch welche hindurch die Mitnahmeeinrichtung 30 geführt ist. Ferner kann eine weitere Öffnung 44 beispielsweise in einer Decke des Turms 26 vorgesehen sein, durch welche die Mitnahmeeinrichtung 30 geführt ist. Dadurch lässt sich ein Teilbereich der Mitnahmeeinrichtung 30 außerhalb des Turms führen und durch den Wärmeaufnahmebereich 32 durchführen. Ein weiterer Teilbereich der Mitnahmeeinrichtung 30 lässt sich innerhalb des Turms 26 führen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Haupttransportrichtung 46, in welcher die Mitnahmeeinrichtung 30 durch den Wärmeaufnahmebereich 32 transportiert wird, eine vertikale Richtung, das heißt parallel zur Schwerkraftrichtung g.
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An dem Turm 26 können eine Mehrzahl von Mitnahmeeinrichtungen 30a, 30b, 30c, 30d usw. angeordnet sein (vgl. 2). Solchen jeweiligen Mitnahmeeinrichtungen 30a, 30b, 30c, 30d sind Wärmeaufnahmebereichszonen 32a, 32b, 32c, 32d des Wärmeaufnahmebereichs 32 zugeordnet, wobei unterschiedliche Wärmeaufnahmebereichszonen unterschiedliche Einstrahlungsrichtungen 48 für konzentrierte Solarstrahlung haben. Die entsprechenden Mitnahmeeinrichtungen 30a, 30b, 30c, 30d sind verteilt um eine Achse 50 angeordnet. Die Achse 50 ist eine Achse des Turms 26 und insbesondere parallel zur Schwerkraftrichtung g ausgerichtet.
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An dem Turm 26 lassen sich dadurch Mitnahmeeinrichtungen 30a, 30b, 30c, 30d von unterschiedlichen Richtungen her mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagen.
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Der Wärmeabgabebereich 34 ist bei einem Ausführungsbeispiel unterhalb (bezogen auf die Schwerkraftrichtung g) des Wärmeaufnahmebereichs 32 angeordnet und vorzugsweise direkt unterhalb angeordnet, sodass der Transportweg für einen bestimmten Bereich der Mitnahmeeinrichtung 30 von dem Wärmeaufnahmebereich 32 zu dem Wärmeabgabebereich 34 minimiert ist. Der Wärmeabgabebereich 34 ist dabei an dem Turm 26 angeordnet in einem Abstand A zu dem Boden 28.
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Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmeaufnahmebereich (mindestens) einen Tank 52, welcher ein fließfähiges und insbesondere flüssiges Medium 54 aufnimmt. Das flüssige Medium ist beispielsweise Zinn. Der Tank 52 nimmt ein Mediumbad 56 auf. Durch dieses Mediumbad 56 ist die Mitnahmeeinrichtung 30 durchgeführt. Die Mitnahmeeinrichtung 30, welche an dem Wärmeaufnahmebereich 32 aufgeheizt wurde, kann dann an das Medium 54 in dem Mediumbad 56 Wärme abgeben, wobei insbesondere eine Direktwärmeübertragung an das Medium 54 folgt, das heißt eine Wärmeübertragung ohne zwischengeschalteten Wärmeübertrager; das Medium 54 steht im direkten Wärmekontakt mit der Mitnahmeeinrichtung 30.
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Der Tank 52 weist einen oberen Bereich 58, einen unteren Bereich 60 und einen Boden 62 auf. Der untere Bereich 60 liegt zwischen dem Boden 62 und dem oberen Bereich 58. In dem oberen Bereich 58 und dem unteren Bereich 60 ist Medium 54. Die Mitnahmeeinrichtung 30 ist nur durch den oberen Bereich 58 durchgeführt.
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Ein Bereich der Mitnahmeeinrichtung 30, welcher durch das Mediumbad 56 geführt wird, gibt Wärme an das Medium 54 ab und wird dabei abgekühlt. Durch die Durchführung in dem oberen Bereich 58 ist erreicht, dass ein entsprechend abgekühlter Teil vor dem Verlassen des Mediumbads 56 nicht wieder durch eine aufgeheizte Mediumschicht durchgeführt werden muss.
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Das erhitzte Medium 54 kann in dem solarthermischen Kraftwerk 10 genutzt werden, um beispielsweise Prozesswärme und/oder einen elektrischen Stromgenerator zu betreiben.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist an dem Wärmeabgabebereich 34 mindestens ein Druckbehälter (Drucktank) angeordnet, in welchem ein unter Druck stehendes Medium aufgenommen ist. Die Mitnahmeeinrichtung 30 oder ein Teil der Mitnahmeeinrichtung 30 ist durch eine Schleuseneinrichtung durch den Druckbehälter geführt, um dort das unter Druck stehende Medium aufzuheizen. Dieses Medium wiederum kann genutzt werden, um beispielsweise Prozesswärme zu erzeugen und/oder einen elektrischen Stromgenerator zu betreiben.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Kreislauf 64 für Medium vorgesehen.
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Der Kreislauf 64 umfasst eine erste Leitungseinrichtung 66 mit (mindestens) einem Einlass 68. Dieser Einlass 68 ist in dem Mediumbad 56 in den oberen Bereich 58 angeordnet. Die erste Leitungseinrichtung 66 umfasst eine oder mehrere (Heiß-)Leitungen, in welchen heißes Medium (mittels der Mitnahmeeinrichtung 30 erhitztes Medium) befördert wird.
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Es ist ferner eine zweite Leitungseinrichtung 70 vorgesehen, welche (mindestens) einen Auslass 72 aufweist. Dieser Auslass 72 mündet in den unteren Bereich 60. In der zweiten Leitungseinrichtung 70 wird ”kaltes” Medium transportiert und dem Tank 52 zugeführt, um dort insbesondere einen Mediumpegel 74 während des Betriebs mindestens näherungsweise konstant halten zu können.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der ersten Leitungseinrichtung 66 und der zweiten Leitungseinrichtung 70 eine Wärmeübertragereinrichtung 76 angeordnet. An der Wärmeübertragereinrichtung 76 kann das Medium 54, welches dann ein Wärmeübertragungsmedium ist, an ein weiteres Arbeitsmedium Wärme übertragen. Beispielsweise wird an der Wärmeübertragungseinrichtung 76 Dampf zur Verwendung in einer Dampfturbine erzeugt.
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Heißes Medium aus der ersten Leitungseinrichtung 66 durchströmt die Wärmeübertragungseinrichtung 76 und gibt dabei Wärme an das Arbeitsmedium ab und kühlt sich selber ab. Abgekühltes Medium wird dann über die zweite Leitungseinrichtung 70 dem Tank 52 zugeführt.
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Beispielsweise wird an dem Kreislauf 64 ein überkritischer Clausius-Rankine-Prozess durchgeführt.
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Alternativ oder zusätzlich ist zwischen der ersten Leitungseinrichtung 66 und der zweiten Leitungseinrichtung 70 eine thermische Speichereinrichtung 78 angeordnet. Diese umfasst einen oder mehrere Behälter 80. In diesem Behälter 80 ist beispielsweise ein Rohrregister 82 angeordnet, welches eine Mehrzahl von Rohren 84 umfasst. Die Rohre 84 münden an einem Ende in einen ersten Verteiler 86a und an einem anderen Ende in einen zweiten Verteiler 86b. Der erste Verteiler 86a steht in fluidwirksamer Verbindung mit der ersten Leitungseinrichtung 66 und der zweite Verteiler 86b steht in fluidwirksamer Verbindung mit der zweiten Leitungseinrichtung 70.
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Bei einer Ausführungsform sind die Rohre 84 mindestens näherungsweise parallel zur Schwerkraftrichtung g orientiert.
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Der Behälter 80 ist thermisch isoliert. In ihm ist Speichermedium 88 um die Rohre 84 angeordnet. Das Speichermedium ist beispielsweise durch NaCl-Briketts, Graphit, Basalt, Cofalit usw. gebildet. Durch heißes Medium, welches sich in den Rohren 84 befindet, lässt sich das Speichermedium durch Direktkontaktwärmeübertragung mittels erzwungener Konvektion aufheizen.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass der erste Verteiler 86a bezogen auf die Schwerkraftrichtung g an einem oberen Bereich des Behälters 80 angeordnet ist und der zweite Verteiler 86b an einem bezogen auf die Schwerkraftrichtung unteren Bereich des Behälters 80 angeordnet ist.
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Der zweite Verteiler 86b steht über eine Leitung 90 in fluidwirksamer Verbindung mit der zweiten Leitungseinrichtung 70. Die Leitung 90 mündet in eine entsprechende Sammelstelle 92. Es können ein oder mehrere Sperrventile 94 an der Leitung 90 vorgesehen sein. Ferner können im Bereich der Sammelstelle 92 Sperrventile 96a, 96b vorgesehen sein.
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Es ist ferner vorgesehen, dass in der zweiten Leitungseinrichtung 70 eine oder mehrere Pumpen 98 angeordnet sind, um Medium in dem Kreislauf 84 zu fördern. Vorzugsweise ist eine Pumpe 98 an einer Kaltseite des Kreislaufs 64, das heißt an der zweiten Leitungseinrichtung 70 angeordnet.
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Die Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24 umfasst eine Pufferspeichereinrichtung 100 für Medium. Diese Pufferspeichereinrichtung 100 weist dabei eine Heizeinrichtung 102 auf, mittels welcher Medium aufheizbar und insbesondere verflüssigbar ist. Die Heizeinrichtung 102 ist beispielsweise elektrisch betätigt oder über Solarstrahlung betätigt.
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Vorzugsweise weist die Pufferspeichereinrichtung 100 ein Aufnahmevolumen 104 für Medium auf, welches einem Systemvolumen für Medium außerhalb der Pufferspeichereinrichtung 100 entspricht, wenn das System mit flüssigem Medium befüllt ist. Insbesondere entspricht dieses Systemvolumen den Volumina der entsprechenden Leitungen für Medium in dem Kreislauf 64.
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Von der Pufferspeichereinrichtung 100 führt eine Leitung 106 zu einer Sammelstelle 108, wobei an der Sammelstelle 108 die Leitung 106 in die zweite Leitungseinrichtung 66 mündet.
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Es kann eine weitere Pumpe 110 nachfolgend der Sammelstelle 108 vorgesehen sein.
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An der Leitung 106 ist ein Sperrventil 112 angeordnet.
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Es ist beispielsweise vorgesehen, dass vor Anfahren des Systems sich das Medium in der Pufferspeichereinrichtung 100 befindet. Durch die Heizeinrichtung 102 lässt sich eventuell verfestigtes Medium verflüssigen. Vor dem Anfahren sind die Systemvolumina außerhalb der Pufferspeichereinrichtung 100 mit Luft befüllt. Im Betrieb des Systems ist die Pufferspeichereinrichtung 100 mit Luft befüllt und abgeschlossen. Das System ist mit flüssigem Medium befüllt.
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In einem Nicht-Betriebszustand oder wenn eine Mitnahmeeinrichtung 30 nicht mehr gekühlt werden muss, befindet sich ein entsprechender Teil des Mediums in der Pufferspeichereinrichtung 100.
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Bei einer Ausführungsform ist die Pufferspeichereinrichtung 100 in der thermischen Speichereinrichtung 78 angeordnet und insbesondere innerhalb des Behälters 80 angeordnet. Dadurch verhindert beispielsweise nachts die Speicherwärme der thermischen Speichereinrichtung 78 eine Verfestigung des Mediums in der Pufferspeichereinrichtung 100. Die Heizeinrichtung 102 dient dann zum erstmaligen Aufheizen und Verflüssigen bzw. für das Aufheizen und Verflüssigen des Mediums nach längeren Wartungsarbeiten.
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Es kann vorgesehen sein, wenn wie in den 2 und 3 angedeutet, dass eine Mitnahmeeinrichtung 30 eine Mehrzahl von Lagen 114a, 114b, 114c an wärmeaufnehmendem Material umfasst, wobei diese Lagen 114a, 114b, 114c bezogen auf die Einfallsrichtung 48 von Solarstrahlung hintereinander angeordnet sind. Dadurch lässt sich unter Umständen die Wärmeaufnahmefähigkeit verbessern. Beispielsweise können eine oder mehrere vordere Lagen direkt durch konzentrierte Solarstrahlung beheizt werden. Hintere Lagen können konvektiv Wärme aufnehmen. Es ist dadurch auch möglich, eine größere Absorptionsfläche für Solarstrahlung bereitzustellen.
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Eine Mitnahmeeinrichtung 30 kann auf unterschiedliche Arten und Weisen ausgebildet sein.
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Bei einem in 4 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Mitnahmeeinrichtung 30 vorgesehen, bei welcher eine Haupttransportrichtung im Wesentlichen parallel und antiparallel zur Schwerkraftrichtung g erfolgt.
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Bei einem in 5 angedeuteten Ausführungsbeispiel einer Mitnahmeeinrichtung 116 ist diese an dem Wärmeaufnahmebereich 32 so geführt, dass konzentrierte Solarstrahlung auf die Mitnahmeeinrichtung 116 von einer ersten Seite 118 und von einer zweiten Seite 120 her auf diese trifft. Dadurch wird die Mitnahmeeinrichtung 116 gewissermaßen von vorne und von hinten beheizt.
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Die Mitnahmeeinrichtung 116 ist dabei so geführt, dass konzentrierte Solarstrahlung 48' auch auf die zweite Seite 120 auftreffen kann.
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Beispielsweise wird die Mitnahmeeinrichtung 116 auf einer nichtgeraden oder gekrümmten Bahn geführt. Sie wird beispielsweise entlang eines Kegelmantels geführt oder spiralförmig geführt.
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Bei dem in 4 angedeuteten Ausführungsbeispiel wird die Mitnahmeeinrichtung 30 an einem Zylindermantel vertikal geführt.
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Die Mitnahmeeinrichtung 30 ist zusammenhängend ausgebildet und insbesondere durch ein Endlosband gebildet.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Mitnahmeeinrichtung 30 eine Kette 122 bzw. 124 (6 und 7).
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Die Kette 122 (6) umfasst eine Mehrzahl von zusammenhängenden Gliedern 126. Die Glieder 126 sind aus einem Festkörpermaterial und insbesondere Metall hergestellt. Sie sind vorzugsweise mit einer Absorptionsschicht und/oder reflexionsvermindernden Schicht versehen. Insbesondere sind sie mit einer schwarzen Farbschicht versehen.
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Bei der Kette 122 sind die Glieder 126 als Schleifen 128 ausgebildet, wobei benachbarte Glieder 126 ineinander gefügt sind. Durch entsprechende Ineinanderfügung lässt sich auch eine mehrlagige Kette realisieren.
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Bei der Kette 124 sind Glieder 130 vorgesehen. Diese Glieder 130 können als Schleifen oder anders ausgebildet sein. Benachbarte Glieder 130 sind über eine Gelenkeinrichtung 132 miteinander gelenkig verbunden. Bei dem in 7 angedeuteten Beispiel ist die Gelenkeinrichtung 132 dabei zwischen benachbarten Gliedern 130 angeordnet. Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass die Gelenkeinrichtung neben Gliedern 130 angeordnet ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 8 angedeutet ist, ist eine Mitnahmeeinrichtung 30 durch Seile 134 und insbesondere Strahlseile gebildet, welche umlaufend mit insbesondere vertikaler Orientierung geführt werden.
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Die erfindungsgemäße Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24 funktioniert wie folgt:
Eine Mitnahmeeinrichtung 30 ist umlaufend an dem Turm 26 geführt. Konzentrierte Solarstrahlung trifft auf die Mitnahmeeinrichtung 30 an dem Wärmeaufnahmebereich 32. Ein entsprechender Bereich der Mitnahmeeinrichtung 30 wird dort durch die Solarstrahlung aufgeheizt. Die Mitnahmeeinrichtung 30 wird über die Antriebseinrichtung 36 umlaufend bewegt. Der Transport ist dabei insbesondere kontinuierlich. Die Transportgeschwindigkeit ist angepasst an die Wärmeaufnahmefähigkeit des Festkörpermaterials der Mitnahmeeinrichtung 30 an dem Wärmeaufnahmebereich 32.
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Das Gebiet der Mitnahmeeinrichtung 30, welches in dem Wärmeaufnahmebereich 32 aufgeheizt wurde, wird durch den Transport der Mitnahmeeinrichtung 30 an das Mediumbad 56 transportiert. Dort gibt es durch Direktkontakt Wärme an das Medium 54 ab und erhitzt dieses.
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Wenn das Medium 54 beispielsweise flüssiger Zinn ist, dann ist die ”Kalttemperatur” beispielsweise ca. 300°C. Durch die Mitnahmeeinrichtung 30 lässt sich dieses Medium auf beispielsweise ca. 700°C aufheizen.
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Das entsprechende Gebiet der Mitnahmeeinrichtung 30 kühlt sich durch die Wärmeabgabe an das Medium 54 ab. Es wird durch das Mediumbad 56 geführt und nach der Abkühlung wieder zurück zu dem Wärmeaufnahmebereich 32 geführt. Es lässt sich dadurch ein kontinuierlicher Kreisprozess der Wärmeaufnahme an dem Wärmeaufnahmebereich 32 und der Wärmeabgabe an dem Wärmeabgabebereich 34 realisieren.
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Die Mitnahmeeinrichtung 30 ist zusammenhängend und ist mittels eines Festkörpermaterials gebildet. Dadurch kann das Material der Mitnahmeeinrichtung 30 nicht frei mit der Umgebung interagieren und insbesondere nicht durch Wind ausgetragen werden.
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Es ist möglich, die Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24 ohne einen kostenintensiven Abstrahlungsschutz zu betreiben bzw. die Turmhöhe 26 lässt sich verhältnismäßig niedrig halten.
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Da eine Mitnahmeeinrichtung 30 sich aus ”konventionellen” Festkörpermaterialien und insbesondere metallischen Materialien herstellen lässt, lassen sich Probleme bezüglich Materialermüdung bei hohen Temperaturen gering halten. Es ist beispielsweise möglich, Kettenglieder ohne Einbußen bei dem Wirkungsgrad der Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24 zu überdimensionieren. Es lässt sich auch eine mechanische Belastung der Mitnahmeeinrichtung 30 reduzieren, wenn diese nicht bis zu dem Boden 28 geführt wird sondern die aufgenommene Wärme unmittelbar nach dem Wärmeaufnahmebereich 32 an den Wärmeabgabebereich 34 abgegeben wird.
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Weiterhin lässt sich über die Mitnahmeeinrichtung 30 ohne Wärmeübertrager direkt an das Medium 54 abgeben.
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Das aufgeheizte Medium kann beispielsweise in einem Kreislaufprozess verwendet werden als Wärmeübertragungsmedium und/oder thermisches Speichermedium. Grundsätzlich kann die Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 24 bei unterschiedlichen Typen von solarthermischen Kraftwerken verwendet werden. Oben wurde die Verwendung im Zusammenhang mit einem solarthermischen Kraftwerk mit Turmreceiver beschrieben. Es ist aber auch möglich, eine erfindungsgemäße Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung beispielsweise im Zusammenhang mit Parabolrinnenkollektoren oder Dish-Kollektoren als Solarkonzentratoreinrichtung 12 zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Solarthermisches Kraftwerk
- 12
- Solarkonzentratoreinrichtung
- 14
- Konzentrierte Solarstrahlung
- 16
- Fokale Zone
- 18
- Heliostatenfeld
- 20
- Heliostate
- 22
- Reflektorfläche
- 24
- Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung
- 26
- Turm
- 28
- Boden
- 30
- Mitnahmeeinrichtung
- 30a, b, c, d
- Mitnahmeeinrichtung
- 32
- Wärmeaufnahmebereich
- 32a, b, c, d
- Wärmeaufnahmebereichszone
- 34
- Wärmeabgabebereich
- 36
- Antriebseinrichtung
- 38
- Umlenkrolle
- 40
- Führungselement
- 42
- Öffnung
- 44
- Öffnung
- 46
- Haupttransportrichtung
- 48, 48'
- Einfallsrichtung
- 50
- Achse
- 52
- Tank
- 54
- Medium
- 56
- Mediumbad
- 58
- Oberer Bereich
- 60
- Unterer Bereich
- 62
- Boden
- 64
- Kreislauf
- 66
- Erste Leitungseinrichtung
- 68
- Einlass
- 70
- Zweite Leitungseinrichtung
- 72
- Auslass
- 74
- Mediumpegel
- 76
- Wärmeübertragereinrichtung
- 78
- Thermische Speichereinrichtung
- 80
- Behälter
- 82
- Rohrregister
- 84
- Rohre
- 86a
- Erster Verteiler
- 86b
- Zweiter Verteiler
- 88
- Speichermedium
- 90
- Leitung
- 92
- Sammelstelle
- 94
- Sperrventil
- 96
- Sperrventil
- 98
- Pumpe
- 100
- Pufferspeichereinrichtung
- 102
- Heizeinrichtung
- 104
- Aufnahmevolumen
- 106
- Leitung
- 108
- Sammelstelle
- 110
- Pumpe
- 112
- Sperrventil
- 114a, b, c
- Lage
- 116
- Mitnahmeeinrichtung
- 118
- Erste Seite
- 120
- Zweite Seite
- 122
- Kette
- 124
- Kette
- 126
- Glied
- 128
- Schleife
- 130
- Glied
- 132
- Gelenkeinrichtung
- 134
- Seile
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004020939 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”High Flux Central Receivers of Molten Salts for the New Generation of Commercial Stand-Alone Solar Power Plants” von J. M. Lata et al., Journal of Solar Energy Engineering, Volume 130, 021002-1 bis 021002-5 [0005]
- ”High-Temperature Liquid-Fluoride-Salt Closed-Brayton-Cycle Solar Power Towers” von C. W. Forsberg et al., Journal of Solar Energy Engineering von Mai 2007, Volume 129, Seiten 141 bis 146 [0006]
- ”Evaluation and Application of Solid Thermal Energy Carriers in a High Temperature Solar Central Receiver System” von P. K. Falcone et al., 17th IECEC, 1982, Seiten 1498 bis 1503 [0006]
- ”Gas-Particle Flow Within a High Temperature Solar Cavity Receiver Including Radiation Heat Transfer” von G. Evans et al., Transactions of the ASME, Volume 109, Mai 1987, Seiten 134 bis 142 [0006]
- ”Hydrodynamic, Thermal, and Radiative Transfer Behavior of Molten Salt Films as Applied to the Direct Absoprtion Receiver Concept” von H. J. Green, in GUPTA, B.; TRAUGOTT, W. H. (EDS.): Solar Thermal Technology – Research, Development and Applications, 4th International Symp., June 13–17, Santa Fee, NM, 1988, Hemisphere Publishing Corporation, New York, 1990, Seiten 287 bis 306 [0007]
