DE102014106320A1

DE102014106320A1 - Solarstrahlungsempfängervorrichtung

Info

Publication number: DE102014106320A1
Application number: DE102014106320.1A
Authority: DE
Inventors: Reiner Buck; Lars Amsbeck; Ralf Uhlig; Birgit Gobereit; Wei Wu; Miriam Ebert
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: WO2015169765A2; DE102014106320B4; WO2015169765A3; EP3140598A2

Abstract

Um eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung bereitzustellen, welche einfach und kostengünstig herstellbar und effizient betreibbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung einen Behälter umfasst, der eine Wandung und einen von der Wandung umgebenen Innenraum umfasst, wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeträgermediums zu dem Innenraum des Behälters umfasst, wobei der Behälter mittels einer Drehantriebsvorrichtung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung derart um eine Drehachse drehbar ist, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung des Behälters entlangführbar ist, und wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung mindestens ein Überlaufelement zur Ausbildung einer rotationssymmetrischen inneren Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung, mittels welcher Wärmeträgermedium, beispielsweise (Festkörper-)Partikel, insbesondere keramische Partikel, unter Verwendung von Solarstrahlung auf hohe Temperaturen, beispielsweise bis zu 1.000 °C, erhitzbar ist.
Aus der DE 10 2010 062 367 A1 ist eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung bekannt, mittels welcher Solarstrahlung zum Erhitzen eines Wärmeträgermediums nutzbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung bereitzustellen, welche einfach und kostengünstig herstellbar und effizient betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung gelöst, welche einen Behälter umfasst, der eine Wandung und einen von der Wandung umgebenen Innenraum umfasst, wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeträgermediums zu dem Innenraum des Behälters umfasst, wobei der Behälter mittels einer Drehantriebsvorrichtung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung derart um eine Drehachse drehbar ist, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung des Behälters entlangführbar ist, und wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung mindestens ein Überlaufelement zur Ausbildung einer rotationssymmetrischen inneren Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films umfasst.
Dadurch, dass erfindungsgemäß mindestens ein Überlaufelement zur Ausbildung einer rotationssymmetrischen inneren Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films vorgesehen ist, kann die Wandung des Behälters vorzugsweise mit relativ großen Fertigungstoleranzen und somit kostengünstig hergestellt werden, da die Qualität und Güte des Wärmeträgermedium-Films vorzugsweise mittels eines kostengünstigen Überlaufelements gewährleistet werden kann.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels des mindestens einen Überlaufelements die rotationssymmetrische innere Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films im Wesentlichen unabhängig von Unebenheiten der Innenseite der Wandung und des Behälters und/oder im Wesentlichen unabhängig von einer Dicke oder einem Dickenverlauf des Wärmeträgermedium-Films bereitstellbar ist.
Günstig kann es sein, wenn das Wärmeträgermedium fließfähig oder rieselfähig ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium Partikel oder Teilchen aus gesintertem Bauxit umfasst oder aus Partikeln oder Teilchen aus gesintertem Bauxit gebildet ist.
Die Partikel oder Teilchen weisen vorzugsweise einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von ungefähr 250 µm bis ungefähr 1,8 mm auf.
Vorzugsweise ergibt sich bei dem Wärmeträgermedium bis mindestens ungefähr 800 °C, insbesondere bis mindestens ungefähr 1.000 °C, keine Agglomeration von Partikeln oder Teilchen.
Die Partikel oder Teilchen weisen vorzugsweise eine hohe Sphärizität, insbesondere größer als ungefähr 0,8, insbesondere größer als ungefähr 0,9, auf.
Vorzugsweise sind die Partikel oder Teilchen thermoschockbeständig.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Überlaufelement an einem bezüglich einer Förderrichtung des Wärmeträgermediums stromabwärts angeordneten Ende der Wandung des Behälters angeordnet ist.
Dieses stromabwärts angeordnete Ende der Wandung des Behälters der Wandung kann insbesondere ein bezüglich der Schwerkraftrichtung oberes Ende der Wandung des Behälters sein.
Mindestens ein Überlaufelement ist vorzugsweise im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und ragt vorzugsweise von der Wandung des Behälters weg nach innen in Richtung der Drehachse.
Günstig kann es sein, wenn das Überlaufelement ein Stauelement zum Aufstauen des Wärmeträgermediums und/oder eines Basismaterials zur Ausbildung einer Basisschicht ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Überlaufelement eine Überlaufkante aufweist, über welche das Wärmeträgermedium hinwegführbar ist.
Die Überlaufkante ist insbesondere eine Umrandung einer konzentrisch zu der Drehachse des Behälters angeordneten kreisförmigen Öffnung in dem Überlaufelement.
Mittels des Überlaufelements ist das Wärmeträgermedium vorzugsweise stromaufwärts des Überlaufelements anhäufbar, so dass das Wärmeträgermedium insbesondere vor dem Überlaufelement aufgestaut wird.
An der Überlaufkante läuft das Wärmeträgermedium vorzugsweise gezielt über. Da dieses Überlaufen vorzugsweise gleichmäßig über die Überlaufkante hinweg erfolgt, kann durch exakt rotationssymmetrische Ausgestaltung der Überlaufkante auch eine sehr hohe Rotationssymmetrie der inneren Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films ermöglicht werden.
Die innere Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films ist insbesondere die der Drehachse des Behälters zugewandte Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films.
Das Wärmeträgermedium ist insbesondere durch die konzentrische Öffnung in dem Überlaufelement, welche von der Überlaufkante umgeben ist, hindurchführbar.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung gelöst, welche einen Behälter umfasst, der eine Wandung und einen von der Wandung umgebenen Innenraum umfasst, wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeträgermediums zu dem Innenraum des Behälters umfasst, wobei der Behälter mittels einer Drehantriebsvorrichtung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung derart um eine Drehachse drehbar ist, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung des Behälters entlangführbar ist, und wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung ein fließfähiges oder rieselfähiges Basismaterial zur Ausbildung einer Basisschicht an der Innenseite der Wandung des Behälters umfasst, wobei das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films auf der Basisschicht an der Innenseite der Wandung des Behälters entlangführbar ist.
Diese Solarstrahlungsempfängervorrichtung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit den weiteren Solarstrahlungsempfängervorrichtungen beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Die Basisschicht bildet vorzugsweise eine Zwischenschicht zwischen der Wandung des Behälters und dem Wärmeträgermedium-Film.
Der Wärmeträgermedium-Film bildet sich vorzugsweise auf der Basisschicht und somit auf der der Wandung des Behälters abgewandten und der Drehachse zugewandten Seite der Basisschicht aus.
Die Basisschicht weist vorzugsweise zumindest abschnittsweise eine Dicke von einem Mehrfachen des durchschnittlichen Teilchendurchmessers von Teilchen des Basismaterials auf. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Basisschicht mehrere Schichten von Teilchen des Basismaterials umfasst und vorzugsweise eine Dicke aufweist, welche ungefähr den Fertigungstoleranzen der Behälterwand des Behälters entspricht.
Vorzugsweise weist das Basismaterial eine größere Massendichte und/oder Volumendichte auf als das Wärmeträgermedium.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Basismaterial einen höheren Schüttwinkel aufweist als das Wärmeträgermedium.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Basisschicht eine größere Massendichte und/oder Volumendichte aufweist als der Wärmeträgermedium-Film.
Günstig kann es sein, wenn die Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine Fördervorrichtung zum Fördern des Wärmeträgermediums in einer parallel zur Drehachse des Behälters verlaufenden Förderrichtung umfasst.
Die Förderrichtung umfasst vorzugsweise eine Linearbewegungsvorrichtung, mittels welcher der Behälter linear bewegbar ist, insbesondere zumindest näherungsweise parallel zur Drehachse des Behälters.
Der Behälter ist vorzugsweise mittels der Linearbewegungsvorrichtung in einer ersten Bewegungsrichtung mit einer ersten Beschleunigung und/oder einer ersten Geschwindigkeit und in einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung mit einer zweiten Beschleunigung und/oder einer zweiten Geschwindigkeit bewegbar.
Die zweite Beschleunigung und/oder die zweite Geschwindigkeit ist vorzugsweise höher als die erste Beschleunigung und/oder die erste Geschwindigkeit.
Die erste Bewegungsrichtung ist vorzugsweise die Förderrichtung der Fördervorrichtung.
Vorzugsweise kann durch die unterschiedliche Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit in der ersten Bewegungsrichtung im Vergleich zu derjenigen der zweiten Bewegungsrichtung bewirkt werden, dass das Wärmeträgermedium bei der Bewegung in der ersten Bewegungsrichtung zusammen mit dem Behälter bewegt wird, der Behälter jedoch bei der zügigeren Bewegung in der zweiten Bewegungsrichtung unter dem Wärmeträgermedium hindurchrutscht und somit bei mehrfacher Wiederholung dieser Bewegung des Behälters, insbesondere bei zyklischer Wiederholung dieser Bewegung, eine effektive Förderung des Wärmeträgermediums in der Förderrichtung erfolgt.
Die Solarstrahlungsempfängervorrichtung umfasst vorzugsweise eine Steuervorrichtung, mittels welcher eine Drehbewegung des Behälters um die Drehachse mit der Linearbewegung des Behälters koordinierbar ist.
Vorzugsweise ist die Drehbewegung des Behälters um die Drehachse mit der Linearbewegung des Behälters derart mittels der Steuervorrichtung koordinierbar, dass die Drehfrequenz des Behälters erhöht ist oder wird, wenn der Behälter in einer ersten Bewegungsrichtung linear bewegt wird, und dass die Drehfrequenz des Behälters reduziert ist oder wird, wenn der Behälter in einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung linear bewegt wird.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium längs einer Förderrichtung desselben innerhalb des Behälters entgegen der Schwerkraftrichtung nach oben gefördert wird.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium längs einer Förderrichtung desselben innerhalb des Behälters in der Schwerkraftrichtung nach unten gefördert wird.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung gelöst, welche einen Behälter umfasst, der eine Wandung und einen von der Wandung umgebenen Innenraum umfasst, wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeträgermediums zu dem Innenraum des Behälters umfasst, wobei der Behälter mittels einer Drehantriebsvorrichtung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung derart um eine Drehachse drehbar ist, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung des Behälters entlangführbar ist, und wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung mindestens einen Aktor umfasst, mittels welchem eine mittels der Drehantriebsvorrichtung erzeugte Drehbewegung des Behälters, insbesondere eine Position und/oder Bewegung der Drehachse, beeinflussbar ist.
Diese Solarstrahlungsempfängervorrichtung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit den weiteren Solarstrahlungsempfängervorrichtungen erläuterten Merkmale und/oder Vorteile auf.
Mittels des mindestens einen Aktors kann vorzugsweise eine Unwucht, insbesondere eine Drehzahlunwucht, des Behälters erzeugt oder ausgeglichen werden.
Günstig kann es sein, wenn mittels mindestens eines Aktors der Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine Position und/oder Bewegung der Drehachse beinflussbar ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine Sensorvorrichtung zur Ermittlung der Position und/oder Bewegung der Drehachse und/oder des Behälters umfasst.
Vorzugsweise ist mittels der Sensorvorrichtung der mindestens eine Aktor ansteuerbar, beispielsweise zur gezielten Beeinflussung des Wärmeträgermedium-Films.
Günstig kann es sein, wenn mittels der Sensorvorrichtung der mindestens eine Aktor derart ansteuerbar ist, dass sich ein homogener Wärmeträgermedium-Film ausbildet.
Die Zuführvorrichtung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung umfasst vorzugsweise ein oder mehrere Zuführelemente, mittels welchen Teilchen des Wärmeträgermediums gezielt mit einer oder mehreren vorgegeben Bewegungsrichtungen und/oder Bewegungsgeschwindigkeiten dem Behälter zuführbar sind. Auf diese Weise kann insbesondere die Ausbildung eines gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Films optimiert werden.
Ferner können die erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängervorrichtungen einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Eine Fördervorrichtung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung zur Förderung des Wärmeträgermediums längs der Innenseite der Wandung kann beispielsweise nach einem sogenannten Schüttelrinnenprinzip funktionieren. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Behälter zusammen mit dem Wärmeträgermedium parallel zur Drehachse langsam nach oben bewegt wird. Anschließend wird der Behälter parallel zur Drehachse schnell nach unten bewegt, so dass die Partikel aufgrund der Trägheit nicht oder nur in geringem Maße mitbewegt werden. Insgesamt ergibt sich somit eine Relativbewegung der Partikel des Wärmeträgermediums entgegen der Schwerkraftrichtung nach oben.
Es kann vorgesehen sein, dass die Fördervorrichtung nach einem sogenannten Bohrhammerverfahren betrieben wird, bei welchem kurze, intensive Schläge entgegen der Förderrichtung und langsame Bewegungen in der Förderrichtung vorgesehen sind.
Beispielsweise durch Variation der Drehzahl (Rotationsfrequenz) des Behälters kann ein Anpressdruck des Wärmeträgermediums an der Wandung variiert werden. Insbesondere kann die Drehzahl während der schnellen Bewegung des Behälters entgegen der Förderrichtung reduziert werden, damit das Wärmeträgermedium leichter relativ zu dem Behälter bewegbar ist, insbesondere damit die Partikel (Teilchen) des Wärmeträgermediums leichter durchrutschen können.
Bei größeren Winkeln, beispielsweise 45 °, zwischen der Drehachse und der Schwerkraftrichtung kann es vorkommen, dass das Wärmeträgermedium aufgrund der unterschiedlichen Anpresskraft nicht homogen über den inneren Umfang der Wandung des Behälters gefördert wird. Bei variierender Stärke der Axialbewegung (parallel zur Drehachse) des Behälters während eines Umlaufs können inhomogene Massenströme längs des Umfangs erzielt werden, insbesondere um zumindest näherungsweise gleiche Austrittstemperaturen über dem Umfang auch bei ungleichmäßiger Bestrahlung oder ungleichmäßiger Partikelbewegung aufgrund von Unrundheiten des Behälters zu erreichen.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Oszillation in Axialrichtung und eine Oszillation in Umfangsrichtung überlagert und/oder miteinander gekoppelt werden. Beispielsweise kann eine schräge Schlagfeder vorgesehen sein, um eine Bewegung des Behälters sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung gezielt zu beeinflussen.
Die Solarstrahlungsempfängervorrichtung ist vorzugsweise als ein in sich kompensiertes und/oder frei schwingendes System ausgebildet, so dass insbesondere eine Vibration nicht nach außen übertragen wird.
Zur Zuführung von Wärmeträgermedium kann insbesondere mindestens ein seitliches Einlassrohr (Zuführelement) vorgesehen sein, mittels welchem Wärmeträgermedium mit der Rotationsgeschwindigkeit in Umfangsrichtung zuführbar ist.
Günstig kann es sein, wenn mehrere Einlassrohre (Zuführelemente) zur Zuführung von gesteuerten Massenströmen, insbesondere zur Erzeugung einer bestimmten Partikelverteilung, vorgesehen sind.
Die Wandung des Behälters kann insbesondere als ein zylindrischer Inliner oder als ein kegelförmiger Inliner ausgebildet sein.
Das Überlaufelement ist insbesondere ein mitrotierender Apertur-Ring.
Zum Fördern des Wärmeträgermediums längs der Förderrichtung kann ferner vorgesehen sein, dass die Wandung des Behälters ein Schraubenprofil umfasst und dass der Behälter alternierend kurz schnell beschleunigt und langsam verzögert wird. Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Schüttelrinnenprinzip oder Bohrhammerverfahren kann hierdurch rotativ eine Förderung des Wärmeträgermediums in der Förderrichtung erfolgen.
Es kann vorgesehen sein, dass durch Aufbringen einer kleinen Drehzahlvariation über der mittleren Drehzahl, beispielsweise durch eine elastisch gekoppelte zentrale Schwungmasse, welche insbesondere periodisch angeregt ist, oder durch exzentrisch angebrachte Rotationsmassen, eine Drehzahlunwucht erzeugt wird. Hierdurch kann ein System nach außen vorzugsweise vibrationsfrei oder vibrationsarm ausgebildet sein.
Die Vibration wird vorzugsweise auf eine innere Partikelführung (Wandung des Behälters) beschränkt. Hierdurch können die bewegten Massen gering gehalten werden, um eine große Laufruhe zu erzielen.
Vorzugsweise sind mittels der Zuführvorrichtung schnelle Massenstromvariationen durchführbar. Insbesondere kann dies zum Erzeugen einer vorteilhaften inhomogenen Massenstromverteilung über dem Umfang genutzt werden, wenn über dem Austrittsumfang große Temperaturunterschiede herrschen.
Das Überlaufelement ist vorzugsweise als eine Blende ausgebildet.
Mittels des Überlaufelements wird vorzugsweise ein aus Teilchen des Wärmeträgermediums oder des Basismaterials gebildetes Innenrohr auf der Wandung des Behälters gebildet, auf welchem die eigentlich zu erhitzende Schicht, insbesondere der Wärmeträgermedium-Film, transportiert wird.
Vorzugsweise weist die Solarstrahlungsempfängervorrichtung eine oder mehrere Sensorvorrichtungen auf, beispielsweise zur Detektion eines unrunden Laufs des Behälters, insbesondere aufgrund von Unwuchten. Mittels der Sensorvorrichtungen kann vorzugsweise ein Rückschluss auf die Partikelverteilung, insbesondere die räumliche Verteilung und Ausbildung des Wärmeträgermedium-Films, gezogen werden.
Mittels mindestens eines Aktors, mittels der Zuführvorrichtung und/oder mittels der Drehantriebsvorrichtung kann dann vorzugsweise zur Optimierung der Partikelverteilung beigetragen werden.
Bei der erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängervorrichtung lässt sich an der Wandung aufgrund der durch Rotation des Behälters bewirkten Fliehkräfte ein Wärmeträgermedium-Film, vorzugsweise ein zusammenhängender Wärmeträgermedium-Film, bilden.
Die Drehzahl wird vorzugsweise so hoch gewählt, dass sich ein optisch dichter oder annähernd dichter Wärmeträgermedium-Film über den gesamten (inneren) Umfang der Wandung ergibt.
Durch entsprechende Steuerung der Rotation und/oder des Winkels zur Schwerkraftrichtung kann vorzugsweise eine gesteuerte Anpassung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung beispielsweise im Teillastbetrieb bzw. Volllastbetrieb erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung kann beispielsweise für den ausschließlich solaren Betrieb von Hochtemperaturprozessen wie beispielsweise Mikroturbinen zur solaren Stromerzeugung verwendet werden. Erhitztes Wärmeträgermedium lässt sich auf einfache Weise speichern. Es kann dann eine bedarfsgesteuerte Leistungsbereitstellung erfolgen.
Um einen möglichst zusammenhängenden Wärmeträgermedium-Film zu erzeugen, werden vorzugsweise die Winkelstellung zur Schwerkraftrichtung und die Rotationsgeschwindigkeit des Behälters aneinander angepasst. Zur Anpassung können ferner auch noch Informationen über die Eigenschaften des Wärmeträgermediums und der Wandung, insbesondere die Reibungseigenschaften, verwendet werden. Wenn beispielsweise eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung in Verbindung mit einem Heliostatenfeld eingesetzt wird, dann ist üblicherweise der Winkel zur Schwerkraftrichtung vorgegeben. Wenn dann die Wärmeträgermediumart und die Wandung vorgegeben ist, dann kann durch entsprechende Wahl bzw. Einstellung, gegebenenfalls auch variable Einstellung, der Rotationsgeschwindigkeit (bzw. Drehzahl) der Wärmeträgermedium-Film erzeugt werden.
Das Wärmeträgermedium ist vorzugsweise durch Partikel und/oder ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) gebildet. Bei den Partikeln handelt es sich insbesondere um Festkörperpartikel, insbesondere keramische Partikel. Es ist auch möglich, dass als Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit wie beispielsweise ein flüssiges Salz bzw. eine Salzmischung (wie beispielsweise eine Mischung aus NaNO₃ und KNO₃) eingesetzt wird.
Günstig kann es sein, wenn eine Drehzahl des Behälters größer als 80 % der Wurzel aus dem Verhältnis von Gravitationskonstante zu einem Innenradius des Behälters ist, wobei als Innenradius des Behälters, wenn dieser unterschiedliche Innenradien aufweist, insbesondere der kleinste Innenradius verwendet wird. Dadurch lässt sich vorzugsweise ein optisch dichter oder annähernd dichter Wärmeträgermedium-Film über den gesamten Umfang der Wandung des Behälters erreichen. Es ist dabei insbesondere günstig, wenn die Drehzahl größer als 70 % der Drehzahl ist, bei der das gesamte Wärmeträgermedium an der Wandung haftet.
Es ist insbesondere eine Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums in dem Innenraum vorgesehen. Beispielsweise ist für eine entsprechend schnelle Rotation des Behälters gesorgt, so dass die Fliehkraft das Wärmeträgermedium gegen die Wandung drückt. Dadurch erhält man erhöhte Wandhaftung bzw. erhöhte Wandreibung, um die Aufenthaltsdauer zu erhöhen. Die Aufenthaltsdauer kann beispielsweise auch durch Vibrationen und/oder durch Bereitstellung von speziellen Laufpfaden definiert eingestellt bzw. gesteuert werden. Es lässt sich dann vorzugsweise eine größere Temperaturspreizung zwischen Eintritt und Austritt des Wärmeträgermediums an dem Behälter erreichen und dadurch wiederum lässt sich vorzugsweise der Empfänger-Wirkungsgrad erhöhen.
Insbesondere ist die Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik als Einrichtung zur Steuerung, insbesondere variablen Steuerung, der Aufenthaltszeit der Partikel in dem Innenraum ausgebildet. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen, wobei auch eine Anpassung an sich verändernde Bedingungen wie beispielsweise verändernde solare Einstrahlungsbedingungen möglich ist.
Insbesondere ist die Drehachse parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung orientiert. Dadurch erhält man einen optimierten Wirkungsgrad. Die Drehachse kann grundsätzlich auch versetzt gegenüber der Achse des Behälters sein.
Bei einer Ausführungsform ist die Drehachse koaxial zur Achse des Behälters orientiert.
Es ist günstig, wenn die Rotation des Behälters zeitlich variabel steuerbar ist, um eine Anpassung an unterschiedliche Bedingungen, insbesondere solare Einstrahlungsbedingungen, durchzuführen, um so beispielsweise auch unterschiedliche Teillastbetriebe zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist eine Vibrationseinrichtung vorgesehen, durch welche der Behälter oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters vibrierbar sind. Dadurch lässt sich insbesondere ein homogener Wärmeträgermedium-Film erzeugen. Insbesondere durch eine Kombination einer Vibrationsbewegung mit einer geeigneten Rotationsbewegung lässt sich vorzugsweise eine gewünschte Aufenthaltszeit einstellen, steuern und/oder regeln. Ferner lässt sich eine Aufenthaltszeit vorzugsweise auch lokal einstellen. Die Vibrationseinrichtung kann eine zusätzliche Einrichtung sein und/oder die Unwucht eines Antriebs wird genutzt, um Vibrationen zu erzeugen.
Es kann dadurch beispielsweise auch eine Förderung von Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung innerhalb des Behälters erreicht werden.
Insbesondere ist die Vibrationseinrichtung so ausgebildet, dass der Behälter oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters längs der Achse des Behälters vibrierbar sind und/oder eine räumliche Lage der Achse zeitlich veränderbar ist. Es lässt sich dann beispielsweise auch eine Taumelbewegung durchführen.
Beispielsweise ist durch eine Vibration auch eine Förderung des Wärmeträgermediums entgegen der Schwerkraft möglich, da sie für eine Fluidisierung sorgt, insbesondere dann, wenn als Wärmeträgermedium Partikel eingesetzt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Behälter schräge Wände aufweist, das heißt wenn über eine Längsachse des Behälters der Durchmesser variiert.
Es kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, dass die Vibrationseinrichtung so ausgebildet ist, dass die Vibration zeitlich und/oder räumlich steuerbar ist.
Dadurch ist eine Anpassung beispielsweise der Wärmeträgermediumdurchlaufzeit durch den Behälter an unterschiedliche solare Einstrahlungsbedingungen möglich.
Bei einer Ausführungsform weist die Wandung dem Innenraum zugewandt einen oder mehrere definierte Laufpfade oder ein oder mehrere Führungselemente für Wärmeträgermedium auf. Durch einen oder mehrere Laufpfade bzw. Führungselemente wird das Wärmeträgermedium vorzugsweise auf einer bestimmten Bahn innerhalb des Behälters geführt und/oder die Filmausbildung wird verbessert. Bei entsprechender Ausbildung der Bahn bzw. der Führungselemente lässt sich der Laufweg zum Durchlaufen des Behälters vorzugsweise vergrößern, so dass sich vorzugsweise auch die Aufenthaltsdauer des Wärmeträgermediums im Behälter vergrößert.
Insbesondere weist ein Laufpfad oder Führungselement Bahnelemente auf, welche in einer Ebene senkrecht zu der Achse des Behälters liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene liegen. Wärmeträgermedium kontaktiert vorzugsweise die Bahnelemente. Die Bahnelemente sorgen insbesondere für eine Führung. Wenn die Bahnelemente in einer Ebene senkrecht zur Achse des Behälters liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene, dann ist es beispielsweise möglich, dem Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente zu erteilen. Weiterhin lässt sich der Laufweg innerhalb des Behälters vorzugsweise vergrößern.
An der Wandung sind beispielsweise Stufen und/oder Rillen und/oder Rippen und/oder Dellen und/oder Wandungsrauhigkeiten gebildet. Dadurch kann vorzugsweise die Filmbildung verbessert werden und die Aufenthaltsdauer im Innenraum vergrößert werden.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik eine Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds und/oder magnetischen Felds, wobei das Wärmeträgermedium Partikel umfasst und wobei die Partikel elektrisch und/oder magnetisch geladen sind. Es lassen sich dadurch Lorentzkräfte bilden (wenn die Partikel elektrisch geladen sind und ein Magnetfeld auf sie wirkt) bzw. elektrostatische Kräfte erzeugen (wenn die Partikel elektrisch geladen sind und elektrische Felder auf sie wirken), durch welche bei geeigneter Ausbildung eine Bewegung der Partikel nach außen zu der Wandung hin erfolgt. Diese werden dadurch gegen die Wandung gedrückt. Dadurch lässt sich die Aufenthaltsdauer erhöhen. Es ist beispielsweise auch möglich, eine Beeinflussung der Aufenthaltsdauer bei magnetisch geladenen Partikeln über entsprechende Wahl der Curie-Temperatur zu erreichen. Wenn beispielsweise innerhalb des Behälters oder beim Austritt des Behälters die Curie-Temperatur erreicht ist, dann erfolgt keine magnetische Kopplung der Partikel mehr an das entsprechende Feld und die Partikel lassen sich dann auf einfache Weise aus dem Behälter abführen. Die Kraft zwischen dem Feld der Felderzeugungseinrichtung und dem magnetisch geladenen Partikel wird gewissermaßen bei der Curie-Temperatur intrinsisch abgeschaltet.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Einhüllende der Wandung am Innenraum einen variierenden Querschnitt hat und insbesondere kegelförmig ist.
Insbesondere verjüngt sich der Innenraum in Schwerkraftrichtung, so dass der Behälter trichterförmig ausgebildet ist. Die Solarstrahlungsbeaufschlagung erfolgt dabei insbesondere über eine Seite des Behälters, welche den kleineren Durchmesser aufweist.
Günstig ist es, wenn der Behälter einen Einkopplungsbereich für Wärmeträgermedium und einen Auskopplungsbereich für Wärmeträgermedium aufweist. Bei einer Ausführungsform liegt der Einkopplungsbereich bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb des Auskopplungsbereichs. An dem Einkopplungsbereich wird "kaltes" Wärmeträgermedium eingekoppelt und an dem Auskopplungsbereich wird "heißes", durch Solarstrahlung erhitztes Wärmeträgermedium ausgekoppelt. Das Wärmeträgermedium wird in der Schwerkraftrichtung durch den Behälter durchgeführt.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung in dem Behälter geführt wird, das heißt Wärmeträgermedium bezogen auf die Schwerkraftrichtung unten in den Behälter eingekoppelt wird und oben bezogen auf die Schwerkraftrichtung ausgekoppelt wird. Dies lässt sich insbesondere durch eine Kombination von Vibration, Rotation, geeigneter Wandungsausbildung und/oder periodischer axialer Verschiebung des Behälters erreichen.
Günstig ist es, wenn eine Zuführungseinrichtung für Wärmeträgermedium zu dem Behälter vorgesehen ist, mittels welcher Wärmeträgermedium mit einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit dem Behälter zuführbar ist. Dadurch lässt sich bei entsprechender Einstellung der Umfangsgeschwindigkeit bei der Einkopplung des Wärmeträgermediums in den Behälter erreichen, dass durch die Zuführung die Filmbildung minimal gestört wird. Der Zuführungseinrichtung ist insbesondere eine Einstelleinrichtung für den Massenstrom des Wärmeträgermediums vorgeschaltet. Es können dann sowohl Massenstrom als auch Umfangsgeschwindigkeit individuell eingestellt werden.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Abführungseinrichtung für Wärmeträgermedium von dem Behälter vorgesehen ist, mittels welcher Wärmeträgermedium mit einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit vom Behälter abführbar ist. Dadurch wird durch die Abführung die Filmbildung minimal gestört.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines solarthermischen Kraftwerks;
2 eine schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung des solarthermischen Kraftwerks, bei welcher mit Aktoren versehene Lagerstellen zur Lagerung eines drehbaren Behälters der Solarstrahlungsempfängervorrichtung vorgesehen sind;
3 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung, bei welcher eine Basisschicht aus einem Basismaterial und ein Überlaufelement zur Ausbildung eines gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Films vorgesehen sind;
4 eine schematische perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung, bei welcher ein Behälter der Solarstrahlungsempfängervorrichtung parallel zu einer Drehachse desselben entgegen der Schwerkraftrichtung nach oben bewegbar ist, um den Behälter zusammen mit dem darin angeordneten Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung zu bewegen;
5 eine der 4 entsprechende schematische perspektivische Darstellung der dritten Ausführungsform der Solarstrahlungsempfängervorrichtung, wobei der Behälter parallel zur Drehachse desselben in der Schwerkraftrichtung nach unten bewegbar ist, ohne das Wärmeträgermedium mitzunehmen; und
6 eine schematische perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung, bei welcher Lagerungsrollen zur aktiven Lagerung des drehbaren Behälters der Solarstrahlungsempfängervorrichtung vorgesehen sind.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel eines solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet ist, umfasst ein Heliostatenfeld 102 mit einer Mehrzahl von Heliostaten 104. Ein Heliostat 104 hat eine Spiegelfläche 106, welche sich um mindestens zwei Achsen ausrichten lässt. Solarstrahlung 108 lässt sich über die Spiegelflächen 106 des Heliostatenfelds 102 insbesondere gebündelt auf eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 richten. Auf die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 gerichtete Solarstrahlung ist in 1 mit dem Bezugszeichen 112 angedeutet.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das solarthermische Kraftwerk 100 (mindestens) einen Turmreceiver 114, bei welchem die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 an einem Turm 116 beabstandet zu einem Boden 118 (bezogen auf die Schwerkraftrichtung g) angeordnet ist, das heißt erhöht, angeordnet ist. Die Heliostaten 104 sind ebenfalls an dem Boden 118 angeordnet.
Die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 ist eine Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung, welche mit Partikeln als Wärmeträgermedium betrieben wird. Die Partikel sind beispielsweise Keramikpartikel. Bei einer Ausführungsform werden Bauxit-Partikel mit typischen Durchmessern zwischen 0,3 mm bis 2 mm eingesetzt.
Das solarthermische Kraftwerk 100 umfasst einen ersten Kreislauf 120, welcher ein Partikelkreislauf ist. In diesem ersten Kreislauf 120 werden Partikel durch einen Wärmeübertrager 122 hindurchgeführt. Der erste Kreislauf 120 weist einen Hochtemperaturzweig 124 und einen Niedertemperaturzweig 126 auf. Der Niedertemperaturzweig 126 führt von einem Ausgang 128 des Wärmeübertragers 122 zu einem Eingang 130 der (Partikel-)Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110. Der Hochtemperaturzweig 124 führt von einem Ausgang 132 der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 zu einem Eingang 134 des Wärmeübertragers 122. Partikel lassen sich dadurch über den Niedertemperaturzweig 126 der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 zuführen und werden dort über Solarstrahlung aufgeheizt. Aufgeheizte Partikel lassen sich über den Hochtemperaturzweig 124 dem Wärmeübertrager 122 zuführen und können dort Wärme an einen zweiten Kreislauf 136 abgeben.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass in dem Niedertemperaturzweig 126 ein Wärmespeicher 138 (Niedertemperatur-Wärmespeicher) angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass in dem Hochtemperaturzweig 124 ein Wärmespeicher 140 (Hochtemperatur-Wärmespeicher) angeordnet ist.
Der zweite Kreislauf 136 ist ein Turbinenkreislauf. In ihm ist eine Turbine 142, insbesondere eine Dampfturbine, angeordnet, welche zur Erzeugung von elektrischer Energie an einen elektrischen Generator 144 gekoppelt ist.
Der zweite Kreislauf 136 umfasst einen Hochtemperaturzweig 146, welcher von einem Ausgang 148 des Wärmeübertragers 122 zu der Turbine 142 führt. Ferner umfasst der zweite Kreislauf 136 einen Niedertemperaturzweig 150, welcher von der Turbine 142 oder einem der Turbine nachgeschalteten Kondensator 152 zu einem Eingang 154 des Wärmeübertragers 122 führt.
In dem Niedertemperaturzweig 150 ist insbesondere eine Pumpe 156 angeordnet, welche ein Fluid durch den zweiten Kreislauf 136 fördert.
An dem Wärmeübertrager 122 wird das Fluid des zweiten Kreislaufs 136 (insbesondere Wasser) erhitzt und hierdurch Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird über den Hochtemperaturzweig 146 der Turbine 142 zugeführt und darin entspannt. Hierdurch wird die thermische Energie in mechanische Energie gewandelt, welche den elektrischen Generator 144 zur Stromerzeugung antreibt.
Der Dampf wird entspannt und kondensiert schließlich an dem Kondensator 152 zu Wasser. Dieses Kondensat wird in dem Niedertemperaturzweig 150 dem Wärmeübertrager 122 zur erneuten Dampferzeugung zurückgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine einstufige Turbinenanordnung gezeigt. Es ist auch möglich, dass die Turbinenanordnung mehrstufig ist.
Alternativ oder zusätzlich zur Stromerzeugung ist es beispielsweise auch möglich, dass eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 eingesetzt wird, um Prozesswärme zu erzeugen oder chemische Umwandlungen zu bewirken oder Brennstoffe herzustellen. Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
Der grundlegende Aufbau einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 ist aus der DE 10 2010 062 367 A1 bekannt, auf welche hiermit explizit Bezug genommen wird, und deren Inhalt hiermit durch Inbezugnahme zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht wird.
Eine erste Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 (siehe 2) umfasst einen Behälter 158, welcher mittels einer Drehantriebsvorrichtung 160 um eine Drehachse 162 drehbar ist.
Der Behälter 158 umfasst insbesondere einen hohlzylindrischen Grundkörper 164, welcher einen kreiszylinderförmigen Innenraum 166 umgibt.
Die Drehachse 162 schließt mit der Schwerkraftrichtung g einen Winkel von beispielsweise ungefähr 30 ° ein.
Ein bezüglich der Schwerkraftrichtung g unteres Ende 168 des Behälters 158 ist offen ausgebildet, so dass eine Eintrittsöffnung 170 des Behälters 158 gebildet ist.
Durch diese Eintrittsöffnung 170 kann Solarstrahlung 112 in den Innenraum 166 des Behälters 158 gelangen.
Zur Aufnahme der mittels der Solarstrahlung 112 übertragenen Wärme wird eine innere Oberfläche einer Wandung 172 des Grundkörpers 164 des Behälters 158 mit einem Wärmeträgermedium versehen.
Aufgrund der Rotation des Behälters 158 um die Drehachse 162 breitet sich das Wärmeträgermedium auf der Wandung 172 aus und bildet hierdurch einen (noch zu beschreibenden) Wärmeträgermedium-Film.
Das Wärmeträgermedium ist von dem Ende 168, an welchem die Eintrittsöffnung 170 angeordnet ist, zu einem diesem Ende 168 gegenüberliegenden Ende 174 des Grundkörpers 164 des Behälters 158 transportierbar, insbesondere förderbar, um einen kontinuierlichen Strom von Wärmeträgermedium mit Solarstrahlung 112 zu beaufschlagen und somit zu erhitzen.
Das erhitzte Wärmeträgermedium steht dann zur weiteren Verwendung, insbesondere zur Stromerzeugung in dem solarthermischen Kraftwerk 100, zur Verfügung.
Insbesondere zur Erzeugung eines gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Films umfasst die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 vorzugsweise mehrere Möglichkeiten zur Beeinflussung der Bewegung des Behälters 158.
Bei der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 sind insbesondere mehrere Lagerstellen 176 zur Lagerung des Behälters 158 vorgesehen, welche Aktoren 178 zur Beeinflussung der Bewegung des Behälters 158 aufweisen.
Die Aktoren 178 können beispielsweise Vibrationsvorrichtungen oder sonstige Aktuatoren sein.
Mittels der Aktoren 178 kann vorzugsweise eine Rotationsbewegung des Behälters 158 vergleichmäßigt werden, insbesondere indem Unwuchten des Behälters 158 durch geeignete Ansteuerung der Aktoren 178 der Lagerstellen 176 ausgeglichen werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels der Aktoren 178 gezielt Unwuchten oder unrunde Bewegungen des Behälters 158 erzeugbar sind, um eine Bewegung des Wärmeträgermediums innerhalb des Behälters 158 gezielt zu beeinflussen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 eine oder mehrere Sensorvorrichtungen 180 umfasst, mittels welcher beispielsweise Unwuchten bei der Rotationsbewegung des Behälters 158 um die Drehachse 162 detektierbar sind.
Mittels der Sensorvorrichtungen 180 kann vorzugsweise ermittelt werden, ob das Wärmeträgermedium in dem Behälter 158 einen gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Film bildet. Bei einem gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Film ergibt sich insbesondere eine geringe Unwucht des Behälters 158. Mittels der Sensorvorrichtungen 180 ist somit vorzugsweise ermittelbar, ob sich diese geringe Unwucht des Behälters 158 während des Betriebs verstärkt, so dass auf eine ungleichmäßige Wärmeträgermedium-Verteilung in dem Behälter 158 geschlossen werden kann. Durch geeignete Gegenmaßnahmen, insbesondere durch geeignete Aktivierung der Aktoren 178, kann dieser Unwucht dann vorzugsweise entgegengewirkt werden, um erneut den gewünschten gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Film bereitzustellen.
Bei einer (nicht dargestellten) Ausführungsform der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 kann vorgesehen sein, dass die Wärmeträgermedium-Verteilung in dem Behälter 158 mittels einer Kamera erfasst wird. Auch hierdurch kann vorzugsweise eine Abweichung der tatsächlichen Wärmeträgermedium-Verteilung von einer gewünschten Wärmeträgermedium-Verteilung, insbesondere von einem gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Film, ermittelt werden, um dann geeignete Maßnahmen zur Erzeugung des gewünschten Wärmeträgermedium-Films einleiten zu können.
Eine solche Kamera kann bei Bedarf bei sämtlichen der beschriebenen Solarstrahlungsempfängervorrichtungen 110 vorgesehen sein.
Eine in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass zusätzlich zu einem Wärmeträgermedium 182 zur Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films 184 ein Basismaterial 186 vorgesehen ist, mittels welchem eine Basisschicht 188 auf der inneren Oberfläche 190 (Innenseite) der Wandung 172 des Behälters 158 erzeugbar ist.
Die Basisschicht 188 liegt somit im Betrieb der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 direkt an der inneren Oberfläche 190 der Wandung 172 des Behälters 158 an.
Der Wärmeträgermedium-Film 184 ist auf der der Wandung 172 des Behälters 158 abgewandten und der Drehachse 162 zugewandten Seite der Basisschicht 188 angeordnet und/oder ausgebildet.
Mittels der Basisschicht 188 kann insbesondere eine gleichmäßige Oberfläche zur Auflage des Wärmeträgermediums 182 geschaffen werden.
Insbesondere können mittels der Basisschicht 188 Ungenauigkeiten und Rauigkeiten sowie fertigungsbedingte Abweichungen der Form der Wandung 172 des Behälters 158 von einer optimalen kreiszylindrischen Form ausgeglichen werden.
Die Basisschicht 188 bildet insbesondere eine Zwischenschicht 192 zwischen der Wandung 172 und dem Wärmeträgermedium-Film 184.
Alternativ oder ergänzend zur Verwendung von Basismaterial 186 zur Bereitstellung eines gleichmäßigen Wärmeträgermedium-Films 184 kann vorgesehen sein, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 ein Überlaufelement 194 umfasst.
Das Überlaufelement 194 ist insbesondere ringförmig ausgebildet und an einem der Eintrittsöffnung 170 abgewandten Ende 174 des Behälters 158 angeordnet.
Das Überlaufelement 194 ragt insbesondere ausgehend von der Wandung 172 in Richtung des Innenraums 166, insbesondere in Richtung der Drehachse 162, von der Wandung 172 hervor.
Das Überlaufelement 194 bildet dabei insbesondere eine kreisförmige Öffnung 196, welche konzentrisch zu der Drehachse 162 angeordnet ist und einen geringeren Innendurchmesser aufweist als die Wandung 172 des Behälters 158.
Bei einem Transport des Wärmeträgermediums 182 längs einer Förderrichtung 198, insbesondere parallel zur Drehachse 162 entgegen der Schwerkraftrichtung g nach oben, staut sich das Wärmeträgermedium 182 und/oder das Basismaterial 186 an dem Überlaufelement 194 und fließt oder rieselt schließlich über das Überlaufelement 194 hinweg bzw. durch das Überlaufelement 194 hindurch.
Das Überlaufelement 194 bildet somit insbesondere auch ein Stauelement 200.
Da sich insbesondere das Wärmeträgermedium 182 an dem Überlaufelement 194, insbesondere an dem Stauelement 200, vorzugsweise anstauen muss, bis es über das Überlaufelement 194 hinweggeführt werden kann, ergibt sich eine innere Oberfläche 202 des Wärmeträgermedium-Films 184 vorzugsweise ausschließlich durch die Wahl der Form des Überlaufelements 194.
Insbesondere dann, wenn eine der Drehachse 162 zugewandte, die Öffnung 196 begrenzende Überlaufkante 204 des Überlaufelement 194 sehr exakt gefertigt wurde und beispielsweise möglichst exakt kreisförmig ausgebildet ist, kann die innere Oberfläche 202 des Wärmeträgermedium-Films 184 besonders exakt rotationssymmetrisch um die Drehachse 162 ausgebildet sein.
Insbesondere Formungenauigkeiten in der Wandung 172 des Behälters 158 haben dann vorzugsweise keinen oder lediglich einen geringen Einfluss auf die Rotationssymmetrie der inneren Oberfläche 202 des Wärmeträgermedium-Films 184.
An das Überlaufelement 194 schließt sich in der Förderrichtung 198 eine Abführvorrichtung 206 der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 an, mittels welcher das Wärmeträgermedium 182, welches in dem Behälter 158 erhitzt wurde, abführbar ist.
Schließlich umfasst die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 noch eine Zuführvorrichtung 208 zum Zuführen von Wärmeträgermedium 182 zu dem Innenraum 166 des Behälters 158, insbesondere an demjenigen Ende 168 des Behälters 158, an welchem die Eintrittsöffnung 170 angeordnet ist.
Die Zuführvorrichtung 208 umfasst hierzu insbesondere mindestens ein Zuführelement 210, mittels welchem das Wärmeträgermedium 182 gezielt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit und/oder Bewegungsrichtung in den Innenraum 166 des Behälters 158 hineinführbar ist.
Mittels des mindestens einen Zuführelements 210 ist durch geeignete Zuführung des Wärmeträgermediums 182 die Ausgestaltung des Wärmeträgermedium-Films 184 beeinflussbar.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 4 und 5 dargestellte dritte Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 eine Fördervorrichtung 212 umfasst, mittels welcher das Wärmeträgermedium 182 in der Förderrichtung 198 parallel zur Drehachse 162 durch den Innenraum 166 des Behälters 158 hindurchführbar ist.
Die Fördervorrichtung 212 umfasst hierzu insbesondere eine Bewegungsvorrichtung 214, mittels welcher der Behälter 158 in einer ersten Bewegungsrichtung 216 und in einer der ersten Bewegungsrichtung 216 entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung 218 bewegbar ist.
Die beiden Bewegungsrichtungen 216, 218 sind insbesondere im Wesentlichen parallel zur Drehachse 162 ausgerichtet.
Wie durch den kleinen Pfeil in 4 angedeutet ist, ist der Behälter 158 mittels der Bewegungsvorrichtung 214 vorzugsweise langsam und/oder mit geringer Beschleunigung in der ersten Bewegungsrichtung 216 bewegbar.
Diese langsame Bewegung bewirkt, dass das Wärmeträgermedium 182 zusammen mit dem Behälter 158 in der ersten Bewegungsrichtung 216 bewegt und somit entgegen der Schwerkraftrichtung g nach oben gefördert wird.
Zur Unterstützung dieser Bewegung, insbesondere zum Erhöhen eines Reibungswiderstandes des Wärmeträgermediums 182 an dem Behälter 158 (oder gegebenenfalls auf der Basisschicht 188), kann bei der Bewegung des Behälters 158 in der ersten Bewegungsrichtung 216 zusätzlich eine Erhöhung der Rotationsfrequenz des Behälters 158 vorgesehen sein.
Wie durch den größeren Pfeil in 5 dargestellt ist, ist der Behälter 158 mittels der Bewegungsvorrichtung 214 schnell und/oder mit großer Beschleunigung in der zweiten Bewegungsrichtung 218 bewegbar.
Diese schnelle Bewegung hat zur Folge, dass der Behälter 158 unter dem Wärmeträgermedium 182 hindurchrutscht und somit das Wärmeträgermedium 182 nicht oder nur in geringem Maße in der zweiten Bewegungsrichtung 218 nach unten bewegt wird.
Das Verrutschen des Wärmeträgermediums 182 relativ zu dem Behälter 158 bei der Bewegung des Behälters 158 in der zweiten Bewegungsrichtung 218 kann dadurch unterstützt werden, dass während dieser Bewegung die Rotationsfrequenz des Behälters 158 reduziert wird, so dass sich eine geringere Reibung des Wärmeträgermediums 182 an der Wandung 172 des Behälters 158 (oder gegebenenfalls auf der Basisschicht 188) ergibt.
Dadurch, dass der Behälter 158 alternierend langsam in der ersten Bewegungsrichtung 216 und schnell in der zweiten Bewegungsrichtung 218 bewegbar ist, kann das Wärmeträgermedium 182 längs der Förderrichtung 198, insbesondere effektiv entgegen der Schwerkraftrichtung g, gefördert werden.
Im Übrigen stimmt die in den 4 und 5 dargestellte dritte Ausführungsform der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 6 dargestellte vierte Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 unterscheidet sich von der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Aktoren 178 beispielsweise als Aktuatoren ausgebildet sind.
Die Aktoren 178 sind insbesondere Lagerungsrollen 220 der Lagerstellen 176, welche relativ zur Drehachse 162, insbesondere senkrecht zur Drehachse 162, bewegbar sind, um die Rotationsbewegung des Behälters 158 um die Drehachse 162 gezielt zu beeinflussen.
Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte vierte Ausführungsform einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Bei weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsformen von Solarstrahlungsempfängervorrichtungen 110 können einzelne oder mehrere Merkmale der vorstehend beschriebenen Solarstrahlungsempfängervorrichtungen 110 beliebig miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 mit Aktoren 178 gemäß den Ausführungsformen 1 und/oder 4 (siehe 2 und 6) versehen wird.
Bezugszeichenliste

100: solarthermisches Kraftwerk
102: Heliostatenfeld
104: Heliostat
106: Spiegelfläche
108: Solarstrahlung
110: Solarstrahlungsempfängervorrichtung
112: Solarstrahlung
114: Turmreceiver
116: Turm
118: Boden
120: erster Kreislauf
122: Wärmeübertrager
124: Hochtemperaturzweig
126: Niedertemperaturzweig
128: Ausgang
130: Eingang
132: Ausgang
134: Eingang
136: zweiter Kreislauf
138: Wärmespeicher
140: Wärmespeicher
142: Turbine
144: elektrischer Generator
146: Hochtemperaturzweig
148: Ausgang
150: Niedertemperaturzweig
152: Kondensator
154: Eingang
156: Pumpe
158: Behälter
160: Drehantriebsvorrichtung
162: Drehachse
164: Grundkörper
166: Innenraum
168: Ende
170: Eintrittsöffnung
172: Wandung
174: Ende
176: Lagerstelle
178: Aktor
180: Sensorvorrichtung
182: Wärmeträgermedium
184: Wärmeträgermedium-Film
186: Basismaterial
188: Basisschicht
190: innere Oberfläche/Innenseite
192: Zwischenschicht
194: Überlaufelement
196: Öffnung
198: Förderrichtung
200: Stauelement
202: innere Oberfläche
204: Überlaufkante
206: Abführvorrichtung
208: Zuführvorrichtung
210: Zuführelement
212: Fördervorrichtung
214: Bewegungsvorrichtung
216: erste Bewegungsrichtung
218: zweite Bewegungsrichtung
220: Lagerungsrolle
g: Schwerkraftrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010062367 A1 [0002, 0116]

Claims

Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110), umfassend einen Behälter (158), welcher eine Wandung (172) und einen von der Wandung (172) umgebenen Innenraum (166) umfasst, wobei die Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) eine Zuführvorrichtung (208) zur Zuführung eines Wärmeträgermediums (182) zu dem Innenraum (166) des Behälters (158) umfasst und wobei der Behälter (158) mittels einer Drehantriebsvorrichtung (160) der Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) derart um eine Drehachse (162) drehbar ist, dass das Wärmeträgermedium (182) unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films (184) an einer Innenseite (190) der Wandung (172) des Behälters (158) entlangführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) mindestens ein Überlaufelement (194) zur Ausbildung einer rotationssymmetrischen inneren Oberfläche (202) des Wärmeträgermedium-Films (184) umfasst.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (182) fließfähig oder rieselfähig ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überlaufelement (194) an einem bezüglich einer Förderrichtung (198) des Wärmeträgermediums (182) stromabwärts angeordneten Ende (174) der Wandung (172) des Behälters (158) angeordnet ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überlaufelement (194) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und von der Wandung (172) des Behälters (158) weg nach innen in Richtung der Drehachse (162) ragt.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlaufelement (194) ein Stauelement (200) zum Aufstauen des Wärmeträgermediums (182) und/oder eines Basismaterials (186) ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlaufelement (194) eine Überlaufkante (204) aufweist, über welche das Wärmeträgermedium (182) hinwegführbar ist, wobei die Überlaufkante (204) insbesondere eine Umrandung einer konzentrisch zu der Drehachse (162) des Behälters (158) angeordneten kreisförmigen Öffnung (196) in dem Überlaufelement (194) ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) ein fließfähiges oder rieselfähiges Basismaterial (186) zur Ausbildung einer Basisschicht (188) an der Innenseite (190) der Wandung (172) des Behälters (158) umfasst, wobei das Wärmeträgermedium (182) unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films (184) auf der Basisschicht (188) an der Innenseite (190) der Wandung (172) des Behälters (158) entlangführbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial (186) eine größere Massendichte und/oder Volumendichte aufweist als das Wärmeträgermedium (182) und/oder dass die Basisschicht (188) eine größere Massendichte und/oder Volumendichte aufweist als der Wärmeträgermedium-Film (184).
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) eine Fördervorrichtung (212) zum Fördern des Wärmeträgermediums (182) in einer parallel zur Drehachse (162) des Behälters (158) verlaufenden Förderrichtung (198) umfasst.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (212) eine Linearbewegungsvorrichtung (214) umfasst, mittels welcher der Behälter (158) linear bewegbar ist, insbesondere zumindest näherungsweise parallel zur Drehachse (162) des Behälters (158).
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (158) mittels der Linearbewegungsvorrichtung (214) in einer ersten Bewegungsrichtung (216) mit einer ersten Beschleunigung und/oder einer ersten Geschwindigkeit und in einer der ersten Bewegungsrichtung (216) entgegensetzten zweiten Bewegungsrichtung (218) mit einer zweiten Beschleunigung und/oder einer zweiten Geschwindigkeit bewegbar ist, wobei die zweite Beschleunigung und/oder die zweite Geschwindigkeit vorzugsweise höher ist als die erste Beschleunigung und/oder die erste Geschwindigkeit.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) eine Steuervorrichtung umfasst, mittels welcher eine Drehbewegung des Behälters (158) um die Drehachse (162) mit der Linearbewegung des Behälters (158) koordinierbar ist, insbesondere derart, dass die Drehfrequenz des Behälters (158) erhöht ist oder wird, wenn der Behälter (158) in einer ersten Bewegungsrichtung (216) linear bewegt wird, und dass die Drehfrequenz des Behälters (158) reduziert ist oder wird, wenn der Behälter (158) in einer der ersten Bewegungsrichtung (216) entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung (218) linear bewegt wird.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium (182) längs einer Förderrichtung (198) desselben innerhalb des Behälters (158) entgegen der Schwerkraftrichtung (g) nach oben gefördert wird.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) mindestens einen Aktor (178) umfasst, mittels welchem eine mittels der Drehantriebsvorrichtung (160) erzeugte Drehbewegung des Behälters (158), insbesondere eine Position und/oder Bewegung der Drehachse (162), beeinflussbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) eine Sensorvorrichtung (180) zur Ermittlung der Position und/oder Bewegung der Drehachse (162) und/oder des Behälters (158) umfasst, wobei mittels der Sensorvorrichtung (180) der mindestens ein Aktor (178) zur gezielten Beeinflussung des Wärmeträgermedium-Films (184) ansteuerbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführvorrichtung (208) ein oder mehrere Zuführelemente (210) umfasst, mittels welchen Teilchen des Wärmeträgermediums (182) gezielt mit einer oder mehreren vorgegebenen Bewegungsrichtungen und/oder Bewegungsgeschwindigkeiten dem Behälter (158) zuführbar sind.