DE102013221885A1 - Receiver for solar energy systems with wind deflector - Google Patents
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Abstract
Bei einem Receiver (1) für Solarenergiegewinnungsanlagen (100), mit einer Tragstruktur (3), die mehrere Absorbermodule (5) trägt, wobei die Absorbermodule (5) an einer Frontseite (1a) des Receivers (1) eine Receiverfläche (17) bilden und jeweils von Prozessluft durchströmt werden, die als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird, ist vorgesehen, dass an mindestens einer Seitenkante (17a) der Receiverfläche (17) mindestens ein gegenüber den Absorbermodulen (5) vorstehender Windabweiser (19) angeordnet ist.In a receiver (1) for solar energy production plants (100), with a support structure (3) carrying a plurality of absorber modules (5), wherein the absorber modules (5) on a front side (1a) of the receiver (1) form a receiver surface (17) and in each case are traversed by process air, which is supplied as a heat transfer medium to a consumer, it is provided that at least one opposite the absorber modules (5) projecting wind deflector (19) is arranged on at least one side edge (17a) of the receiver surface (17).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen mit einer Tragstruktur, die mehrere Absorbermodule trägt, wobei die Absorbermodule an einer Frontseite des Receivers eine Receiverfläche bilden und jeweils von Prozessluft durchströmt werden, die als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird.The present invention relates to a receiver for solar energy production systems with a support structure which carries a plurality of absorber modules, wherein the absorber modules on a front side of the receiver form a receiver surface and are respectively flowed through by process air, which is supplied as a heat transfer medium to a consumer.
In
Der Receiver eignet sich für große Energiegewinnungsanlagen, bei denen zahlreiche Heliostate 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 1100°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 ein Heißluftkanal an, beispielsweise ein Heißluftrohr. Die erzeugte 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, in which 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 in the range 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. To the absorber head connects to a hot air duct, for example, a hot air pipe. 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 entlanggeführt, um diese zu kühlen. Die 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.To use this residual heat, the air is returned to the solar receiver and guided along the walls of the hot air ducts to cool them. The return air flows between the absorber modules, to exit at the front side towards the front. It is then sucked into the absorber body together with the ambient air.
Die vom Heliostatfeld auf den Receiver konzentrierte Solarstrahlung ist nicht homogen verteilt, sondern liegt näherungsweise in einer Gausverteilung vor. An jedem Absorbermodul ist der durch das Absorbermodul strömende Luftmassenstrom der Prozessluft im Verhältnis zu den Luftmassenströmen anderer Absorbermodule eingestellt, so dass sich eine optimierte Temperatur der durch Außenabsorbermodule strömenden Heißluftströme ergibt. Wird die Strömungsverteilung gestört, so kann es zu einer zu geringen Durchströmung einzelner Absorber und damit zu einer Überhitzung der entsprechenden Absorbermodule kommen, was eine Zerstörung zur Folge haben kann. Die Verteilung der durch die Absorbermodule strömenden Luftmassenströme wird durch aufgeprägte Strömungsdruckverluste fest eingestellt. Der aufgeprägte Strömungsdruckverlust beträgt zusammen mit dem Druckverlust des Receivers bei Auslegungsbedingungen ca. 600 Pa. Bei hohen Windgeschwindigkeiten von beispielsweise bis zu 15 m/s können durch Staudruck und Ablösungseffekte der Strömung eine ungleichmäßige und schnell verändernde Druckverteilung über die Receiverfläche mit Druckunterschieden von über 600 Pa entstehen. Dadurch kann die Durchströmung der Absorbermodule derart verändert werden, dass es zu einer unzulässigen Überhitzung kommen kann. Ein zuverlässiger Betrieb der Anlage wäre somit nicht möglich.The solar radiation concentrated by the heliostat field on the receiver is not distributed homogeneously, but is approximately in a Gaus distribution. At each absorber module, the air mass flow of the process air flowing through the absorber module is adjusted in relation to the air mass flows of other absorber modules, resulting in an optimized temperature of the hot air flows flowing through external absorber modules. If the flow distribution is disturbed, then too little flow through individual absorbers and thus overheating of the corresponding absorber modules can occur, which can result in destruction. The distribution of the air mass flows flowing through the absorber modules is fixed by impressed flow pressure losses. The impressed flow pressure loss together with the pressure loss of the receiver at design conditions is approx. 600 Pa. At high wind speeds of, for example, up to 15 m / s, uneven and rapidly changing pressure distribution across the receiver surface with pressure differences of more than 600 Pa may arise due to back pressure and separation effects of the flow. As a result, the flow through the absorber modules can be changed in such a way that unacceptable overheating can occur. Reliable operation of the system would therefore not be possible.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen zu schaffen, bei dem durch Umwelteinflüsse hervorgerufene Druckunterschiede auf der Receiveroberfläche möglichst gering oder konstant sind, wobei gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a receiver for solar energy plants, in which caused by environmental influences pressure differences on the receiver surface are as low as possible or constant, at the same time a high efficiency can be achieved.
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 auf, die mehrere Absorbermodule trägt. Die Absorbermodule bilden an einer Frontseite des Receivers eine Receiverfläche und werden jeweils von Prozessluft durchströmt, die als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Seitenkante der Receiverfläche mindestens ein gegenüber den Absorbermodulen vorstehender Windabweiser angeordnet ist. Vorzugsweise sind an den beiden sich gegenüberliegenden Seitenkanten der Receiverfläche Windabweiser angeordnet. Durch einen Windabweiser, der gegenüber den Absorbermodulen vorsteht, wird erreicht, dass eine auf die Seitenkante der Receiverfläche gerichtete Windströmung nicht oder nur geringfügig an die Receiverfläche gelangen kann, so dass die Windströmung die Receiverfläche nicht überströmt. Insbesondere bei hohen Windgeschwindigkeiten wird somit verhindert, dass es zu Ablösungseffekten oder einem erhöhten Staudruck aufgrund des Windes an der Receiveroberfläche kommen kann, so dass die Druckverteilung an der Receiverfläche relativ konstant ist. Durch die Windströmung hervorgerufene Druckunterschiede werden somit verringert oder verhindert. Ferner erfolgt ein geringerer Luftaustausch der vor der Receiverfläche befindlichen Luft mit der Umgebung, so dass Wärmeverluste aufgrund von freier oder durch den Windeinfluss erzwungener Konvektion verringert werden. Bei Receivern, die eine Luftrückführung aufweisen, bei der die Prozessluft nach der Zuführung zu dem Verbraucher als abgekühlte Rückluft zurückgeführt wird, kann durch den oder die Windabweiser verhindert werden, dass sich die Rückluft mit der Umgebungsluft vermischt.The receiver for solar energy recovery systems according to the invention has a support structure which carries a plurality of absorber modules. The absorber modules form a receiver surface on a front side of the receiver and process air flows through each, which is supplied as a heat transfer medium to a consumer. The invention is characterized in that at least one wind deflector projecting above the absorber modules is arranged on at least one side edge of the receiver surface. Wind deflectors are preferably arranged on the two opposite side edges of the receiver surface. By means of a wind deflector, which protrudes in relation to the absorber modules, it is achieved that a wind flow directed onto the side edge of the receiver surface can not or only slightly reach the receiver surface, so that the wind flow does not overflow the receiver surface. In particular, at high wind speeds is thus prevented that it may lead to separation effects or an increased dynamic pressure due to the wind at the receiver surface, so that the pressure distribution at the receiver surface is relatively constant. Windage caused by the pressure differences are thus reduced or prevented. Furthermore, there is less air exchange between the air located in front of the receiver surface and the environment, so that heat losses due to free or convection forced by the wind influence are reduced. For receivers that have an air return, in which the process air is returned to the consumer as cooled return air, can by the wind deflector or the prevents the return air mixed with the ambient air.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Empfängerfläche konkav gewölbt ist. Dadurch entsteht zusammen mit dem Windabweiser oder den Windabweisern vor der Receiverfläche ein besonders vorteilhaft gegen Windeinflüsse geschützter Bereich. Die aufgrund der Erfindung an der Receiverfläche entstehenden Vorteile durch eine Windströmung werden somit verstärkt.It is preferably provided that the receiver surface is concavely curved. This creates together with the wind deflector or wind deflectors in front of the receiver surface a particularly advantageous protected against wind influences area. The resulting from the invention at the receiver surface advantages by a wind flow are thus enhanced.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Tragstruktur eine konkave Struktur bildet, wobei der oder die Windabweiser von der Tragstruktur gebildet sind. Eine derartige Konstruktion ermöglicht die Bildung einer konkaven Receiverfläche auf besonders einfache Weise. Der mindestens eine Windabweiser ist somit in Fortführung der Receiverfläche gebildet, so dass die Receiverfläche zusammen mit dem mindestens einen Windabweiser gemeinsam eine konkave Fläche bildet. Unter Receiverfläche wird im Rahmen der Erfindung der Bereich des Receivers verstanden, der mit Absorbermodulen bestückt ist, und somit der für die Erwärmung der Prozessluft wirksamer Bereich verstanden.It can be provided that the support structure forms a concave structure, wherein the one or more wind deflector are formed by the support structure. Such a construction allows the formation of a concave receiver surface in a particularly simple manner. The at least one wind deflector is thus formed in continuation of the receiver surface, so that the receiver surface together with the at least one wind deflector together forms a concave surface. In the context of the invention, the term "receiver surface" is understood to mean that region of the receiver which is equipped with absorber modules and thus understood to be the region which is effective for heating the process air.
An einer freien Kante jedes Windabweisers kann mindestens ein zusätzliches Windschild angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein besonders vorteilhafter Schutz gegen Windeinwirkung gebildet sein. durch die Trennung zwischen einem von der Tragstruktur gebildeten Windabweiser und einem zusätzlichen Windschild ist eine vorteilhafte Konstruktion des erfindungsgemäßen Receivers möglich, bei dem beispielsweise ein modularer Aufbau verwirklichbar ist. Ohne die Veränderung der Tragstruktur kann ein verbesserter Windschutz geschaffen werden, da ein zusätzliches Windschild auf einfache Art und Weise an die Tragstruktur angesetzt werden kann, ohne dass die Tragstruktur in ihrer Grundform verändert werden muss. Durch zusätzliche Windschilde kann der vor dem Receiver angeordnete, gegen Wind geschützte Bereich besonders groß ausgestaltet und an die lokalen Windverhältnisse am Aufstellungsort angepasst sein.At least one additional windshield can be arranged on a free edge of each wind deflector. In this way, a particularly advantageous protection against wind can be formed. by the separation between a wind deflector formed by the support structure and an additional windshield an advantageous construction of the receiver according to the invention is possible in which, for example, a modular structure can be realized. Without the change in the support structure, an improved wind protection can be created, since an additional windshield can be attached to the support structure in a simple manner, without the support structure has to be changed in its basic form. By additional wind shields arranged in front of the receiver, protected against wind area can be made particularly large and adapted to the local wind conditions at the site.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Windabweiser und/oder das mindestens eine Windschild eine für Wärmestrahlung reflektierende Oberfläche aufweist. Diese kann diffus oder gerichtet reflektierend sein. Auf diese Weise wird zumindest ein Teil der von den Absorbermodulen abgestrahlten Wärmestrahlung reflektiert und in Richtung der Absorberflächen zurückgestrahlt. Unter „für Wärmestrahlung reflektierende Oberfläche” wird eine Oberfläche verstanden, die die Wärmestrahlung zu mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, reflektiert. Der aufgrund der Wärmeabstrahlung entstehende Wärmeenergieverlust kann somit deutlich reduziert werden. Je nach Winkel der Windabweiser und/oder der Windschilde zu der Receiverfläche ist eine diffuse oder gerichtete Reflektion von Vorteil, um möglichst einen hohen Anteil an Wärmestrahlung in Richtung der Receiverfläche zu reflektieren. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein oberes Windschild vorgesehen ist, das die Tragstruktur und/oder die Tragstruktur und die Windschilde von oben abdeckt, so dass ein an vier Seiten abgeschlossener Raum vor der Receiverfläche entsteht. Dadurch ist ein besonders effektiver Windschutz möglich. Auch das obere Schild kann mit einer reflektierenden Oberfläche ausgestattet sein, so dass in diese Richtung abgestrahlte Wärmestrahlung der Absorbermodule in Richtung der Absorbermodule reflektiert wird.In one exemplary embodiment of the invention, provision is made for the at least one wind deflector and / or the at least one wind shield to have a surface reflecting thermal radiation. This can be diffuse or directionally reflective. In this way, at least a portion of the radiated heat from the absorber modules is reflected and reflected back in the direction of the absorber surfaces. By "heat radiation-reflecting surface" is meant a surface that reflects the heat radiation to at least 50%, preferably at least 70%. The resulting due to the heat dissipation heat energy loss can thus be significantly reduced. Depending on the angle of the wind deflector and / or the wind shields to the receiver surface, a diffuse or directed reflection is advantageous in order to reflect as much as possible a high proportion of heat radiation in the direction of the receiver surface. In an exemplary embodiment of the invention, provision can be made for an upper windshield to be provided which covers the support structure and / or the support structure and the windshields from above, so that a space closed on four sides arises in front of the receiver surface. This makes a particularly effective windbreak possible. The upper shield can also be equipped with a reflective surface, so that radiated heat radiation of the absorber modules in the direction of the absorber modules is reflected in this direction.
Die Erfindung kann vorsehen, dass an den freien Kanten der Windabweiser oder zwischen den Windschilden Sperrluft erzeugbar ist. Es ist somit eine zusätzliche Luftströmung zwischen den freien Kanten der Windabweiser oder zwischen den Windschilden erzeugbar, die eine Art Luftvorhang ergibt, der den Bereich vor der Receiverfläche gegenüber der Umgebung abschirmt. Dadurch werden Konvektionsverluste in besonders vorteilhafter Weise vermieden.The invention can provide that sealing air can be generated at the free edges of the wind deflectors or between the wind shields. It is thus an additional air flow between the free edges of the wind deflector or generated between the wind shields, which results in a kind of air curtain, which shields the area in front of the receiver surface from the environment. As a result, convection losses are avoided in a particularly advantageous manner.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prozessluft nach der Zuführung zu dem Verbraucher über eine Luftrückführung in den Absorbermodulen zumindest teilweise als Rückluft zurückgeführt wird, wobei die Rückluft zumindest teilweise an den Seitenkanten der Receiverfläche, an den freien Kanten der Windabweiser und/oder an den Windschilden ausgestoßen wird. Dadurch ist eine besonders effektive Luftrückführung möglich. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Rückluft zwischen den Absorbermodulen ausgestoßen wird. Das Ausstoßen der Rückluft an den freien Kanten der Windabweiser oder an den Windschilden hat den besonderen Vorteil, dass die Rückluft gezielt in Richtung der Receiverflächen ausströmen kann, so dass ein hoher Anteil von den Absorbermodulen angesaugt wird. Eine Abströmung der Rückluft in die Umgebung kann somit sehr gering gehalten werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Windabweiser und/oder die Windschilde zumindest teilweise als Oberflächenreceiver ausgebildet sind, durch die die Rückluft leitbar ist. Somit wird die Rückluft bei der Rückführung durch die Sonneneinstrahlung der Heliostate zusätzlich in dem Oberflächenreceiver erwärmt, so dass die Rückluft gegenüber der Rückluft herkömmlicher Receiver eine höhere Temperatur aufweist und somit ein höherer Wirkungsgrad des Receivers erreicht werden kann.In a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the process air is at least partially returned to the consumer via an air return in the absorber modules as return air, the return air at least partially on the side edges of the receiver surface, at the free edges of the wind deflector and / or is ejected at the wind shields. This makes a particularly effective air return possible. Additionally or alternatively it can be provided that the return air is ejected between the absorber modules. The ejection of the return air at the free edges of the wind deflector or on the wind shields has the particular advantage that the return air can flow out selectively in the direction of the receiver surfaces, so that a high proportion is sucked by the absorber modules. An outflow of the return air into the environment can thus be kept very low. It can be provided that the wind deflectors and / or the wind shields are at least partially formed as surface receivers through which the return air can be conducted. Thus, the return air is additionally heated in the return of the solar radiation of the heliostats in the surface receiver, so that the return air over the return air of conventional receiver has a higher temperature and thus a higher efficiency of the receiver can be achieved.
Ein erfindungsgemäßer Receiver kann auch eine Tragstruktur besitzen, die mehrere Receiverflächen aufweist, die durch Absorbermodule gebildet sind. Dabei weist jede Receiverfläche jeweils mindestens einen Windabweiser auf. Die einzelnen Receiverflächen können ferner zusätzliche Windschilde besitzen. Vorzugsweise sind die Receiverflächen benachbart angeordnet und beispielsweise durch einen oder mehrere Windabweiser und/oder Windschilde getrennt. Dadurch können Receiver geschaffen werden, die von unterschiedlichen Seiten bestrahlt werden können. A receiver according to the invention may also have a supporting structure which has a plurality of receiver surfaces which are formed by absorber modules. Each receiver surface has at least one wind deflector in each case. The individual receiver surfaces may also have additional wind shields. Preferably, the receiver surfaces are arranged adjacent and separated, for example, by one or more wind deflectors and / or wind shields. As a result, receivers can be created that can be irradiated from different sides.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
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In
In
Jedes Absorbermodul
An den Seitenkanten
An den freien Kanten
Der Receiver
Durch die konkave Form der Tragstruktur
Das in
In
In
Bei einem erfindungsgemäßen Receiver kann vorgesehen sein, dass die Windabweiser
Die Erfindung kann auch vorsehen, dass ein Receiver mehrere Receiverflächen aufweist, wobei mehrere konkav geformte Tragstrukturen aneinander angrenzend vorgesehen sind. Auf diese Weise kann Solarstrahlung aus unterschiedlichen Richtungen auf den erfindungsgemäßen Receiver reflektiert werden.The invention may also provide that a receiver has a plurality of receiver surfaces, wherein a plurality of concave support structures are provided adjacent to each other. In this way, solar radiation can be reflected from different directions on the receiver according to the invention.
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