DE102013221884B4 - Receiver for solar energy generation - Google Patents
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Abstract
Receiver (1) für Solarenergiegewinnungsanlagen (100), mit einer Tragstruktur (7), die an einer Frontseite mehrere Absorbermodule (11) trägt, die jeweils einen in einem Absorberkopf (13) aufgenommenen frontseitigen Absorberkörper (17) und eine an den Absorberkopf (13) anschließende Heißluftkanalstruktur (23) aufweisen, wobei der Absorberkörper (17) von Prozessluft durchströmt wird, die über die Heißluftkanalstruktur (23) als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird, wobei ein mit einem Kühlfluid betriebenes Kühlsystem (29) die Heißluftkanalstruktur (23) und/oder die Tragstruktur (7) kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (29) einen von den Absorberköpfen (13) beabstandet angeordneten Kühlmittelauslass (31) aufweist, wodurch ein Kontakt des Kühlfluids mit den Absorberköpfen verhindert wird.Receiver (1) for solar energy production plants (100), having a support structure (7) which carries on a front side a plurality of absorber modules (11), each having a front in an absorber head (13) absorber body (17) and one to the absorber head (13 ), wherein the absorber body (17) is flowed through by process air, which is supplied via the hot air duct structure (23) as a heat transfer medium to a consumer, wherein a cooling system operated with a cooling fluid (29) the hot air duct structure (23) and / / or cooling the support structure (7), characterized in that the cooling system (29) has a coolant outlet (31) spaced from the absorber heads (13), thereby preventing contact of the cooling fluid with the absorber heads.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen mit einer Tragstruktur, die an einer Frontseite mehrere Absorbermodule trägt, die in einem Absorberkopf aufgenommene frontseitige Absorberkörper und eine an den Absorberkopf anschließende Heißluftkanalstruktur aufweisen, wobei der Absorberkörper von Prozessluft durchströmt wird, die über die Heißluftkanalstruktur als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird.The present invention relates to a receiver for solar energy recovery systems with a support structure which carries on a front side a plurality of absorber modules, which have received in an absorber head front absorber body and a subsequent to the absorber head hot air duct structure, wherein the absorber body is flowed through by process air, via the hot air duct structure as the heat transfer medium a consumer is supplied.
In
Der Receiver eignet sich für große Energiegewinnungsanlagen, bei denen zahlreiche Heliostaten auf einem Feld verteilt angeordnet sind, die Solarstrahlung auf den Receiver reflektieren. An dem Receiver entsteht somit eine hohe Strahlungskonzentration, wodurch sich am Absorbermodul Temperaturen im Bereich von bis zu 1.100°C ergeben. Bei dem vorbekannten Solarempfänger ist eine Tragstruktur vorgesehen, welche zahlreiche Absorbermodule trägt. Jedes Absorbermodul besteht aus einem Absorberkopf aus Keramik und einem von dem Absorberkopf gehaltenen Absorberkörper. An den Absorberkopf schließt eine Heißluftkanalstruktur an, beispielsweise ein Heißluftrohr. Die erzeugt Heißluft wird für den Betrieb von Arbeitsmaschinen, beispielsweise Turbinen für Stromgeneratoren, benutzt und kühlt sich dabei ab, enthält jedoch noch Restwärme.The receiver is suitable for large power generation plants, where numerous heliostats are distributed in a field that reflect solar radiation on the receiver. Thus, a high radiation concentration is produced at the receiver, which results in temperatures of up to 1100 ° C. at the absorber module. In the prior art solar receiver, a support structure is provided which carries numerous absorber modules. Each absorber module consists of a ceramic absorber head and an absorber body held by the absorber head. The absorber head is adjoined by a hot air duct structure, for example a hot air duct. The generated hot air is used for the operation of work machines, such as turbines for power generators, and cools down, but still contains residual heat.
Zur Nutzung dieser Restwärme wird die Luft zum Solarempfänger zurückgeführt und an den Wänden der Heißluftkanäle entlang geführt, um diese zu kühlen. Diese Rückluft strömt zwischen den Absorbermodulen hindurch, um an der Frontseite nach vorne hin auszutreten. Sie wird anschließend zusammen mit der Umgebungsluft in den Absorberkörper eingesaugt. Derartige Receiver sind aus
Die Rückführung der Luft auf diese Weise führt zu einem relativ komplizierten Strömungsweg, der zu einer komplizierten Konstruktion führt. Darüber hinaus muss die rückgeführte Luft vollständig durch die Receiverstruktur geführt werden, wobei es zu signifikanten Druckverlusten kommt. Dadurch muss die Gebläseleistung des Gesamtsystems relativ hoch ausgelegt sein.The return of the air in this way leads to a relatively complicated flow path, which leads to a complicated construction. In addition, the recirculated air must be passed completely through the receiver structure, resulting in significant pressure losses. As a result, the blower power of the entire system must be designed relatively high.
Ferner besitzt die rückgeführte Luft vor dem Umströmen der Heißluftkanäle eine Temperatur von 80°C und mehr, so dass nur ein relativ schlechter Kühleffekt bewirkt wird. Der vorbekannte Solarempfänger sieht vor, dass die rückgeführte Luft zwischen den Absorbermodulen ausgeblasen wird, so dass diese die sehr heißen Absorberköpfe überströmt. Dabei kommt es an der Außenseite des Absorberkopfes zu einer signifikanten Wärmeübertragung von der heißen Prozessluft innerhalb des Absorberkopfes an die rückgeführte Luft. Die rückgeführte Luft wird vor die Frontseite geblasen, wobei kein vollständiges Einsaugen gewährleistet werden kann, so dass ein Teil der rückgeführten Luft verloren geht. Dadurch kommt es u. a. auch zu einem Energieverlust der auf die rückgeführte Luft übertragenen Wärmeenergie.Further, the recirculated air before the flow around the hot air ducts has a temperature of 80 ° C and more, so that only a relatively poor cooling effect is effected. The previously known solar receiver provides that the recirculated air is blown between the absorber modules, so that it flows over the very hot absorber heads. This results in significant heat transfer from the hot process air inside the absorber head to the recirculated air on the outside of the absorber head. The recirculated air is blown in front of the front, whereby no complete suction can be ensured, so that a part of the recirculated air is lost. This causes u. a. also to an energy loss of the heat energy transferred to the recirculated air.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen bereitzustellen, der einen im Vergleich zu den vorbekannten Receivern verbesserten Wirkungsgrad hat, wobei gleichzeitig eine vorteilhafte Kühlung der Tragstruktur und/oder der Heißluftkanäle gewährleistet ist.It is therefore an object of the present invention to provide a receiver for solar energy plants, which has an improved compared to the prior art receivers efficiency, at the same time an advantageous cooling of the support structure and / or the hot air channels is ensured.
Der Receiver nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert.The receiver according to the present invention is defined by
Der erfindungsgemäße Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen weist eine Tragstruktur, die an einer Frontseite mehrere Absorbermodule trägt, auf. Die Absorbermodule weisen jeweils einen in einem Absorberkopf aufgenommenen frontseitigen Absorberkörper und eine an den Absorberkopf anschließende Heißluftkanalstruktur auf. Die Absorberkörper werden von Prozessluft durchströmt, die über die Heißluftkanalstruktur als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem Kühlfluid betriebenes Kühlsystem die Heißluftkanalstruktur und/oder die Tragstruktur kühlt, wobei das Kühlsystem einen von den Absorberköpfen beabstandet angeordneten Kühlmittelauslass aufweist. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Kühlsystem wird verhindert, dass Kühlfluid in Kontakt mit den sehr heißen Absorberköpfen kommt, so dass eine Wärmeübertragung von den Absorberköpfen auf das Kühlfluid und ein dadurch bedingter Wärmeenergieverlust vermieden wird.The receiver for solar energy production systems according to the invention has a support structure which carries a plurality of absorber modules on a front side. The absorber modules each have a front absorber body accommodated in an absorber head and a hot air duct structure adjoining the absorber head. Process air flows through the absorber body, which is supplied via the hot air duct structure as a heat transfer medium to a consumer. The invention is characterized in that a cooling system operated with a cooling fluid cools the hot air duct structure and / or the support structure, the cooling system having a coolant outlet arranged at a distance from the absorber heads. The inventively provided cooling system prevents cooling fluid comes into contact with the very hot absorber heads, so that a heat transfer from the absorber heads to the cooling fluid and a consequent heat energy loss is avoided.
Bei dem erfindungsgemäßen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen hat sich herausgestellt, dass eine Kühlung von beispielsweise aus Keramik hergestellten Absorberköpfe mittels eines Kühlfluids von außen nicht notwendig ist, da diese aufgrund ihrer Beschaffenheit den hohen Temperaturen in vorteilhafter Weise standhalten und darüber hinaus eine ausreichende Wärmeabfuhr über die Prozessluft gegeben ist.In the receiver for solar energy recovery systems according to the invention has been found that a cooling of absorber heads made for example of ceramic by means of a cooling fluid from the outside is not necessary because they withstand the high temperatures in an advantageous manner due to their nature and beyond given a sufficient heat dissipation via the process air is.
Der erfindungsgemäße Receiver vermeidet somit eine aufwändige Luftrückführung durch die Receiverstruktur und entlang der Absorberköpfe, wodurch neben der Vermeidung des Wärmeenergieverlustes auch der durch die Luftrückführung beim Stand der Technik bedingte Druckverlust vermieden wird. Dadurch kann die für die Strömung der Prozessluft notwendige Gebläseleistung reduziert werden, was zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades einer mit einem erfindungsgemäßen Receiver ausgerüsteten Solarenergiegewinnungsanlage führt. The receiver according to the invention thus avoids a complicated air return through the receiver structure and along the absorber heads, which in addition to avoiding the loss of heat energy and the condition caused by the air return in the prior art pressure loss is avoided. As a result, the necessary for the flow of process air fan power can be reduced, which leads to an increase in the overall efficiency of equipped with a receiver according to the invention solar energy recovery system.
Bei einem Betrieb eines erfindungsgemäßen Receivers mit einem von der Prozessluft unterschiedlichen Kühlfluid kann darüber hinaus die Kühlung der Heißluftkanalstruktur und/oder der Tragstruktur in vorteilhafter Weise erfolgen, da das Kühlfluid eine wesentlich geringere Temperatur als beispielsweise die im Stand der Technik verwendete rückgeführte Prozessluft aufweist. Es sind somit geringere Mengen an Kühlfluid notwendig, um die Heißluftkanalstruktur und/oder die Tragstruktur zu kühlen.In the case of operation of a receiver according to the invention with a cooling fluid different from the process air, moreover, the cooling of the hot air duct structure and / or the support structure can advantageously take place since the cooling fluid has a substantially lower temperature than, for example, the recirculated process air used in the prior art. Thus, smaller amounts of cooling fluid are necessary to cool the hot air duct structure and / or the support structure.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Prozessluft nach der Zuführung zu dem Verbraucher über eine Luftrückführung den Absorbermodulen zumindest teilweise als Rückluft zurückgeführt wird. Dadurch kann die in der Prozessluft nach dem Durchströmen des Verbrauchers vorhandene Restwärmeenergie zumindest teilweise genutzt werden, wodurch eine Wirkungsgradsteigerung erreicht werden kann.Preferably, it is provided that the process air is at least partially returned to the consumer via an air return to the absorber modules as return air. As a result, the residual heat energy present in the process air after flowing through the consumer can be at least partially utilized, whereby an increase in efficiency can be achieved.
Die Erfindung kann somit vorsehen, dass das Kühlsystem von der Luftrückführung unabhängig ist. Dadurch wird eine vorteilhafte Kühlung der Heißluftkanalstruktur und der Tragstruktur erreicht, wobei gleichzeitig die Rückluft in vorteilhafter Weise den Absorbermodulen zurückgeführt werden kann.The invention can thus provide that the cooling system is independent of the air return. As a result, an advantageous cooling of the hot air duct structure and the support structure is achieved, wherein at the same time the return air can be advantageously returned to the absorber modules.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die rückgeführte Rückluft der Frontseite zugeführt wird, um in die Absorbermodule eingesaugt zu werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die rückgeführte Rückluft der Frontseite von der Seite des Receivers und/oder von unten zugeführt wird. Dadurch kann eine konstante Luftrückführrate vor dem Receiver erreicht werden.For example, it can be provided that the recirculated return air is fed to the front side in order to be sucked into the absorber modules. It can be provided that the recirculated return air of the front side is supplied from the side of the receiver and / or from below. This allows a constant air return rate to be achieved in front of the receiver.
Es hat sich herausgestellt, dass bei dem erfindungsgemäßen Receiver, bei dem eine derartige Rückluftführung mit konstanter Luftrückführrate und ein von der Luftrückführung unabhängiges Kühlsystem vorgesehen ist, eine Steigerung der Jahresenergiemengen um bis zu 10% erreicht werden können.It has been found that in the receiver according to the invention, in which such a return air duct with a constant air return rate and a cooling system independent of the air return is provided, an increase of the annual energy amounts by up to 10% can be achieved.
Bei einem erfindungsgemäßen Receiver, bei dem keine Luftrückführung vorgesehen ist, ergibt sich eine leichte Erhöhung der Jahresenergiemengen, beispielsweise 1 bis 2%, da der Wärmeverlust an der Außenseite der Absorberköpfe gering gehalten wird.In a receiver according to the invention, in which no air return is provided, there is a slight increase in the amount of annual energy, for example, 1 to 2%, since the heat loss is kept low on the outside of the absorber heads.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kühlsystem mindestens einen in der Tragstruktur angeordneten Kühlkanal aufweist, der von der Heißluftkanalstruktur der Absorbermodule durchdrungen wird. Ein derartig gebildetes Kühlsystem weist eine einfache Konstruktion auf, wobei gleichzeitig in vorteilhafter Weise das Kühlfluid zur Kühlung an der Heißluftkanalstruktur vorbeigeführt werden kann.In one embodiment of the invention it is provided that the cooling system has at least one cooling channel arranged in the support structure, which is penetrated by the hot air duct structure of the absorber modules. Such a cooling system formed has a simple construction, wherein at the same time advantageously the cooling fluid can be passed for cooling to the hot air duct structure.
Das Kühlsystem kann eine Kühlfluidhauptströmung aufweisen, die im Kreuzstrom zu der Prozessluft geführt ist. Dadurch ist eine vereinfachte Strömungsführung des Kühlfluids möglich. Gleichzeitig können gezielt einzelne Bereiche der Heißluftkanalstruktur und/oder der Tragstruktur gekühlt werden, indem der Kühlkanal lediglich zu diesen Bereichen führt.The cooling system may include a main cooling fluid flow that is cross-flowed to the process air. As a result, a simplified flow guidance of the cooling fluid is possible. At the same time, individual regions of the hot-air duct structure and / or the supporting structure can be cooled in a targeted manner, since the cooling duct only leads to these regions.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlkanal Einbauten zur Strömungsführung aufweist, wobei die Einbauten eine Kühlfluidnebenströmung erzeugen, die im Gleichstrom zu der Prozessluft geführt ist. Das Vorsehen einer Kühlfluidnebenströmung, die im Gleichstrom zu der Prozessluft geführt ist, ermöglicht einen verbesserten Wärmeübertrag von den Wänden der Heißluftkanalstruktur und/oder der Tragstruktur und somit eine vorteilhafte Kühlung der Bereiche der Heißluftkanalstruktur, die nahe dem Absorberkopf angeordnet sind und eine besonders hohe Temperatur aufweisen.In one exemplary embodiment of the invention, it can be provided that the cooling channel has internals for the flow guidance, wherein the internals generate a cooling fluid secondary flow, which is guided in cocurrent to the process air. The provision of a cooling fluid secondary flow, which is guided in cocurrent to the process air, allows improved heat transfer from the walls of the hot air duct structure and / or the support structure and thus an advantageous cooling of the areas of the hot air duct structure, which are arranged near the absorber head and have a particularly high temperature ,
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einbauten Wände sind, die parallel zu der Heißluftkanalstruktur verlaufende Durchlässe oder Nebenkanäle bilden.In one embodiment of the invention, it is provided that the internals are walls which form passages or secondary channels running parallel to the hot air duct structure.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Kühlfluid ein Gas ist und das Kühlsystem ein Gebläse zur Erzeugung der Kühlfluidströmung aufweist. Dadurch kann ein von dem Restsystem unabhängiges System zur Erzeugung der Kühlfluidströmung vorgesehen sein, wodurch die Kühlung einstellbar ist. Dadurch kann eine vorteilhafte Kühlleistung bei geringem Eigenenergieverbrauch für das Kühlsystem verwirklicht werden.It is preferably provided that the cooling fluid is a gas and the cooling system has a fan for generating the cooling fluid flow. As a result, a system independent of the residual system can be provided for generating the flow of cooling fluid, whereby the cooling is adjustable. As a result, an advantageous cooling performance can be realized with low own energy consumption for the cooling system.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen benachbarten Absorberköpfen ein Zwischenraum gebildet ist, wobei in dem Zwischenraum eine Isolierung von Außenwänden der Absorberköpfe und/oder der Kühlkanalsstruktur angeordnet ist. Aufgrund von möglicherweise entstehenden Wärmedehnungen der Absorberköpfe und aufgrund ihrer spezifischen Form werden zwischen benachbarten Absorberköpfen Zwischenräume gebildet. Diese können zu einem Wärmeverlust führen, da beispielsweise durch Windeinwirkung Umgebungsluft in die Zwischenräume gelangen kann, wodurch es zu einer ungewollten Übertragung von Wärmeenergie von den Absorberköpfen auf die eingedrungene Luft kommen kann. Durch das Vorsehen von Isolierungen der Außenwände der Absorberköpfe kann dieser Wärmeenergieverlust verringert werden. Durch das Vorsehen einer Isolierung der Kühlkanalstruktur wird ferner verhindert, dass von der Frontseite durch die Zwischenräume Wärmeenergie in das Kühlsystem gelangt, die abgeführt werden muss. Dadurch ist eine Wirkungsgradsteigerung des erfindungsgemäßen Receivers verwirklicht.In a particularly preferred embodiment of the invention it is provided that a gap is formed between adjacent absorber heads, wherein in the space an insulation of outer walls of the absorber heads and / or the cooling channel structure is arranged. Due to possible thermal expansion of the absorber heads and due to their specific shape are between adjacent Absorber heads formed intermediate spaces. These can lead to heat loss, since, for example, by wind ambient air can get into the interstices, which can lead to an unwanted transfer of heat energy from the absorber heads on the penetrated air. By providing insulation of the outer walls of the absorber heads, this heat energy loss can be reduced. By providing insulation of the cooling channel structure is further prevented that passes from the front through the gaps heat energy into the cooling system, which must be dissipated. As a result, an increase in efficiency of the receiver according to the invention is realized.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zwischenraum vollständig mit Isolierungsmaterial ausgefüllt ist. Ein Eindringen von Umgebungsluft von außen in die Zwischenräume wird dadurch nahezu vollständig verhindert. Das Isolierungsmaterial kann beispielsweise flexibel oder kompressibel ausgebildet sein, um Wärmedehnungen der Absorbermodule kompensieren zu können.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the intermediate space is completely filled with insulating material. Ingress of ambient air from the outside into the intermediate spaces is thereby almost completely prevented. The insulation material may be flexible or compressible, for example, in order to be able to compensate for thermal expansion of the absorber modules.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it:
In
Der Receiver
In
Das Receivermodul
Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Receivers
Jedes Absorbermodul
Der Absorberkopf
Der erfindungsgemäße Receiver
Bei einem gasförmigen Kühlfluid weist das Kühlsystem
Wie am besten aus
Eine derartige Ausgestaltung des Kühlkanals
An der Innenseite der Heißluftkanalstruktur
Zwischen benachbarten Absorbermodulen
Bei dem erfindungsgemäßen Receiver
Der erfindungsgemäße Receiver
Darüber hinaus wird ein komplizierter Verlauf der Luftrückführung vermieden, wodurch die Druckverluste der Luftrückführung gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert sind. Dadurch, dass die Luftrückführung nicht, wie beim Stand der Technik, durch die Zwischenräume
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