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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarstrahlungsreceiver für solarthermische Kraftwerke zum Betrieb mit einer Salzschmelze als Wärmeträgermedium mit einer Reflektorvorrichtung und einem Absorberrohr, wobei das Absorberrohr einen Rohrraum, durch den das Wärmeträgermedium leitbar ist, bildet, der von einer Innenfläche des Absorberrohres umschlossen ist.
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Bei bekannten solarthermischen Kraftwerken wird ein Wärmeträgermedium mit Hilfe des Sonnenlichts erwärmt, indem das Sonnenlicht über Reflektoren auf einen Absorber reflektiert wird, der von dem Wärmeträgermedium durchflossen wird. Als Wärmeträger dienen beispielsweise ein Thermoöl oder Wasser. Die thermische Energie des Wärmeträgermediums wird anschließend entweder sofort genutzt, beispielsweise zur Stromerzeugung, oder es findet eine kurzzeitige Wärmespeicherung statt. Es ist ferner bekannt, derartige Kraftwerke mit Salzschmelzen zu betreiben. Der Einsatz von Salzschmelzen ist besonders geeignet, da hohe Betriebstemperaturen erreichbar sind, was zu sehr guten Prozesswirkungsgraden führt. Darüber hinaus sind flüssige Salze ein sehr kostengünstiges thermisches Speichermedium.
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Insbesondere linienfokussierende solarthermische Kraftwerke, bei denen langgestreckte Absorberrohre vorgesehen sind, auf denen die Reflektoren das Sonnenlicht linienförmig reflektieren, werden mit derartigen Wärmeträgermedien betrieben. Bei dem Einsatz von Salzschmelzen besteht jedoch der Nachteil, dass die flüssigen Salze in Zeiten ohne ausreichende Sonneneinstrahlung, wie beispielsweise nachts oder in Schlechtwetterperioden, in den Absorberrohren zurückbleiben und die Gefahr besteht, dass das Salz einfriert. Eingefrorene Absorberrohre sind nur mit großem Aufwand auftaubar und durch die beim Phasenwechsel entstehenden Volumenänderungen des Salzes besteht die Gefahr, dass die Absorberrohre beschädigt werden. Diese entsteht dadurch, dass die Flüssigphase der Salzschmelze ein größeres Volumen besitzt als die feste Phase. Ist in einem herkömmlichen Absorberrohr Salzschmelze eingefroren und man versucht, diese an einer Stelle durch Wärmeeintrag aufzutauen, dann erzeugt das vom festen Salz eingeschlossene flüssigwerdende Salz einen immensen Druck auf die Innenwände des Absorberrohres und das Absorberrohr droht zu platzen. Daher müssen eingefrorene Absorberrohre von der noch flüssigen Seite ausgehend schrittweise aufgetaut werden, was sehr mühsam und zeitaufwändig ist. Daher werden die eingesetzten Salzschmelzen häufig fossil oder elektrisch beheizt, um sie vor dem Einfrieren zu schützen. Das zusätzliche Heizen ist jedoch kostspielig und führt zu einem verschlechterten Wirkungsgrad.
DE 10 2011 052 998 A1 beschreibt eine Zusatzheizung für Absorberrohre, die mit Wasserdampf betrieben wird.
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FR 2 478 161 A1 ,
US 4 649 959 A und
US 6 119 729 A offenbaren Rohrkonstruktionen, durch die Wasser geleitet wird und bei denen zur Verhinderung von Beschädigung durch Einfrieren des Wassers flexible Körper in dem Rohrraum angeordnet sind. Die Rohre sind teilweise für Flachkollektoren einsetzbar.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Solarstrahlungsreceiver bereitzustellen, bei dem die Gefahr der Beschädigung der Absorberrohre bei dem Auftauen von eingefrorener Salzschmelze verhindert ist. Ferner sollte bei dem Solarstrahlungsreceiver das Auftauen der Salzschmelze verbessert sein. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ferner die Bereitstellung eines solarthermischen Kraftwerks mit einem derartigen Solarstrahlungsreceiver sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Solarstrahlungsreceivers.
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Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 8. Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 9.
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Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver für solarthermische Kraftwerke zum Betrieb mit einer Salzschmelze als Wärmeträgermedium weist eine Reflektorvorrichtung und ein Absorberrohr auf, wobei das Absorberrohr einen Rohrraum, durch den das Wärmeträgermedium leitbar ist, bildet, der von einer Innenfläche des Absorberrohres umschlossen ist. Der Solarstrahlungsreceiver ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrraum als Spaltraum mit einem veränderbaren Volumen ausgebildet ist. Dadurch, dass der Spaltraum ein veränderbares Volumen aufweist, können Volumenänderungen der Salzschmelze bei dem Übergang von der festen in die flüssige Phase durch eine Vergrößerung des Volumens ausgeglichen werden, so dass der auf die Innenfläche des Absorberrohres ausgeübte Druck der Salzschmelze gering gehalten werden kann und somit ein Platzen des Absorberrohres verhindert werden kann. Das Volumen des Spaltraums kann insbesondere durch Innendruck in dem Rohrraum veränderbar sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Volumen aktiv über eine Steuerung veränderbar ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Glashüllrohr mit Abstand um das Absorberrohr angeordnet ist. Dadurch werden konvektive Wärmeverluste an der Außenfläche des Absorberrohrs reduziert.
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Die Erfindung sieht ferner vor, dass an der Innenfläche des Absorberrohres Wärmeleitkörper angeordnet sind, die in den Rohrraum ragen. Die Wärmeleitkörper können beispielsweise rippenförmig ausgebildet sein. Über die Wärmeleitkörper erfolgt eine Wärmeleitung in dem Spaltraum von außen nach innen. Dadurch wird gewährleistet, dass die den Kernkörper umgebende harte Salzschicht an den Wärmeleitkörper frühzeitig aufgeschmolzen wird und somit die Salzschicht unterbrochen ist. Dadurch wird begünstigt, dass der bei dem Schmelzen des Salzes entstehende Druck auf den Kernkörper ausgeübt werden kann, so dass die gewünschte Volumenänderung des Spaltraums hervorgerufen wird. Ferner wird durch die Wärmeleitkörper der Aufheizvorgang beschleunigt und extreme Temperaturgradienten über den Rohrumfang können vermieden werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem Absorberrohr ein Kernkörper ausgebildet ist, wobei zwischen einer Außenfläche des Kernkörpers und der Innenfläche des Absorberrohres der Spaltraum gebildet ist. Mittels des Kernkörpers lässt sich in besonders vorteilhafter Weise ein Spaltraum bilden. Ferner kann mittels des Kernkörpers auf vorteilhafte Weise ein veränderbares Volumen des Spaltraumes hervorgerufen werden, in dem das von dem Kernkörper in dem Absorberrohr eingenommene Volumen verändert wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Kernkörper aus einem kompressiblen Material besteht. Dadurch kann das Volumen des Spaltraumes bei Entstehung eines Innendrucks in vorteilhafter Weise vergrößert werden, indem durch den Innendruck das Material des Kernkörpers komprimiert wird. Der Kernkörper kann beispielsweise als Massivkörper ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Kernkörper eine zylindrische Struktur aufweisen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kernkörper aus einem Hohlkörper aus flexiblem Material besteht. Bei einem Druck von außen auf den Kernkörper, der durch die Volumenveränderung der Salzschmelze bei dem Übergang von der festen in die flüssigen Phase entsteht, kann sich der Kernkörper verformen, indem das flexible Material in Richtung des in dem Kernkörper gebildeten Hohlraumes verformt wird und somit der Hohlraum zusammengepresst wird. Dadurch wird der Spaltraum, in dem die Salzschmelze angeordnet ist, vergrößert, so dass kein unzulässiger Druck auf das Absorberrohr ausgeübt wird. Der Kernkörper kann beispielsweise eine Rohrform aufweisen. Der Kernkörper kann dabei in Form eines Schlauches ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist der als Hohlkörper ausgebildete Kernkörper gegenüber dem Rohrraum verschlossen, so dass keine Salzschmelze in den Kernkörper eindringen kann. Auch ist es möglich, dass ein Druck, der in dem Hohlkörper gebildeten Hohlraum vorherrscht, vorgegeben ist. Dadurch kann der Rohrraum an unterschiedliche Einsatzbedingungen angepasst werden. Bei dem Schmelzen des Salzes kann beispielsweise ein Unterdruck in dem Hohlraum vorgesehen sein, so dass die flexible Verformung des Kernkörpers zur Vergrößerung des Spaltraumes unterstützt wird. Bei geschmolzenem Salz kann ein Überdruck in dem Hohlkörper vorgesehen sein, so dass der Kernkörper sich bei dem Durchfließen des Wärmeträgermediums durch den Spaltraum während des normalen Betriebes nicht verformt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kernkörper über Abstandshalter mittig in dem Absorberraum gehaltert ist. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass der Spaltraum in einem Normalzustand in Umfangsrichtung eine konstante Breite besitzt. Ferner wird erreicht, dass der Spaltraum ringförmig ausgebildet ist. Dabei muss der Spaltraum nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Selbstverständlich kann der Spaltraum auch einen elliptischen Querschnitt aufweisen. Ein ringförmiger Spaltraum ist besonders vorteilhaft bei Strahlungssystemen, die Strahlung auf den gesamten Umfang des Absorberrohres strahlen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Kernkörper über Abstandshalter exzentrisch in dem Absorberraum gehaltert ist. Dadurch kann beispielsweise ein Spaltraum mit einem sichelförmigen Querschnitt geschaffen werden. Ein derartiges Absorberrohr ist besonders vorteilhaft bei Strahlungssystemen, die das Absorberrohr nur einseitig bestrahlen, beispielsweise bei Receivern mit einem parabolrinnenförmigen Reflektor. Das Absorberrohr des Receivers ist derart angeordnet, dass der Spaltraum im Betrieb in dem dem Reflektor zugewandten Bereich des Absorberrohrs angeordnet ist. Somit kann sich erstarrtes Salz auch nur in dem Bereich des Absorberrohrs befinden, der im Betrieb des Solarstrahlungsreceivers auch von dem Reflektor konzentrierter solarer Strahlung bestrahlt wird. In dem Bereich des Absorberrohrs, der von dem Reflektor abgewandt ist, befindet sich kein Salz, so dass etwaige Probleme aufgrund von ungleichmäßig schmelzenden Salzes vermieden werden können.
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Das Absorberrohr kann insbesondere aus Metall, vorzugsweise aus Edelstahl, bestehen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Reflektorvorrichtung als Fresnelkollektor ausgebildet ist. Ein derartiges konstruiertes System reflektiert solare Strahlung auf den gesamten Umfang des Absorberrohres, so dass starke lokale Temperaturgradienten am Absorberrohrumfang, die zu Rohrverbiegungen führen können, vermieden werden. Die Verwendung eines Fresnelkollektors ist insbesondere bei einem Solarstrahlungsreceiver, bei dem der Kernkörper mittig in dem Absorberraum gehaltert ist, von Vorteil.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Reflektorvorrichtung als Parabolrinnenreflektor ausgebildet ist. Derartige Reflektoren haben sich im Vergleich zu Fresnelkollektoren als vorteilhaft herausgestellt, da sie die solare Strahlung effizienter nutzen. Eine derartige Reflektorvorrichtung ist insbesondere an einem Solarstrahlungsreceiver, bei dem der Kernkörper exzentrisch in dem Absorberraum gehaltert ist, geeignet.
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Wird das Absorberrohr des erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers nicht oder nicht ausreichend bestrahlt, friert die Salzschmelze in dem Spaltraum ein. Zunächst gefriert die nahe der Innenfläche des Absorberrohrs gelegene Salzschmelze. Die durch den Phasenwechsel entstehende Volumenverkleinerung bewirkt, dass von den Salztanks des solarthermischen Kraftwerks, in dem der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver eingesetzt wird, flüssige Salzschmelze über die innere Seite des Spaltraumes in das Absorberrohr nachgesaugt wird. Im festen Zustand befindet sich daher mehr Salzmasse im Absorberrohr als im flüssigen Zustand. Bei einem Auftauen wird die solare Strahlung auf das Absorberrohr fokussiert. Das feste Salz kann jedoch nicht durch die Rohrleitung gepumpt werden, so dass der Solarstrahlungsreceiver ohne Durchfluss fokussiert wird. Beim Auftauen wird zunächst eine äußere Schicht des Spaltraums aufgeschmolzen. Die dort entstehende Volumenvergrößerung der Salzschmelze kann teilweise durch das sich bei der Erwärmung weitende Absorberrohr selbst kompensiert werden. Im fortgeschrittenen Aufschmelzstadium steigt der innere Druck im Spaltraum. Der nun im Absorberrohr entstehende Druck drückt beispielsweise den Kernkörper zusammen, wodurch eine Volumenvergrößerung des Spaltraumes entsteht, um die Ausdehnung der Salzschmelze zu kompensieren, ohne dass es zu Beschädigungen des Absorberrohrs kommen kann.
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Die Erfindung betrifft ferner ein solarthermisches Kraftwerk mit mehreren erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivern.
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Bei einem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver mit einer parabolrinnenförmigen Reflektorvorrichtung können zusätzliche Wärmeleitkörper vorgesehen sein, die thermische Energie in Bereiche des Spaltraumes, die nicht oder nur geringfügig konzentriert bestrahlt werden, leiten. Dadurch können große Temperaturgradienten vermieden werden. Auch kann vorgesehen sein, dass der Spaltraum über den Umfang betrachtet eine sich verändernde Breite aufweist, so dass das Volumen der Salzschmelze in den Bereichen des Spaltraumes, die auf der dem Reflektor zugewandten Seite angeordnet sind, größer ist als in dem Bereich, in dem keine konzentrierte Solareinstrahlung erfolgt.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Teilbereichs eines solarthermischen Kraftwerks mit zwei erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivern,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers,
- 4 eine schematische Draufsicht auf die in 3 dargestellten Solarstrahlungsreceiver,
- 5 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers,
- 6 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsreceivers mit exzentrisch angeordnetem Kernkörper und
- 7 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strahlungsreceivers mit exzentrisch angeordnetem Kernkörper.
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In 1 ist ein Teilbereich eines solarthermischen Kraftwerks 100 schematisch dargestellt. Zwei erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver 1 sind in Reihe angeordnet. Die Solarstrahlungsreceiver 1 weisen jeweils eine Reflektorvorrichtung 3 auf, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Fresnelkollektoren ausgebildet sind. Diese weisen einen Hauptreflektor 5 und einen Sekundärreflektor 7 auf. Über die Reflektorvorrichtung 3 wird Sonnenlicht auf ein Absorberrohr 9 reflektiert. Durch die Anordnung von Hauptreflektor 5 und Sekundärreflektoren 7 werden die Absorberrohre 9 der Solarstrahlungsreceiver 1 über den gesamten Umfang mit solarer Strahlung bestrahlt und somit über den gesamten Umfang erwärmt.
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In den 2, 3 und 5 sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers schematisch im Schnitt dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber wird bei diesen Ausführungsbeispielen auf die Darstellung der Reflektorvorrichtung 3 verzichtet, so dass lediglich das Absorberrohr 9 gezeigt ist.
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Durch das Absorberrohr 9 kann eine Salzschmelze als Wärmeträgermedium geleitet werden. Das Absorberrohr 9 bildet einen Rohrraum 11, der von der Innenfläche 9a des Absorberrohres 9 umschlossen ist. In dem Absorberrohr 9 ist ferner ein Kernkörper 13 angeordnet, so dass der Rohrraum an der Innenseite durch die Außenfläche 13a des Kernkörpers 13 begrenzt ist. Der Rohrraum 11 ist somit als Spaltraum ausgebildet, beispielsweise wie in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringraum. Der Kernkörper 13 ist dabei über Abstandshalter 15 mittig in dem Absorberrohr 9 gehaltert.
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Ferner ist ein Glashüllrohr 17 vorgesehen, das das Absorberrohr 9 mit einem Abstand umgibt und konvektive Verluste an der Außenfläche 9b des Absorberrohrs 9 reduziert.
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In dem in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kernkörper als Massivkörper ausgebildet und weist eine kreiszylindrische Form auf. Der Kernkörper ist aus kompressiblem Material hergestellt, so dass sich der Kernkörper 13 bei auf die Außenfläche 13a ausgeübtem Druck komprimieren lässt. Das in dem Rohrraum angeordnete Wärmeträgermedium kann somit von einem festen Zustand zur Bildung der flüssigen Salzschmelze aufgetaut werden, ohne dass die bei dem Phasenwechsel entstehende Volumenvergrößerung zu unzulässigen Drücken auf das Absorberrohr 9 führt, da sich der Kernkörper 13 durch den auf die Außenfläche 13a einwirkenden Druck komprimieren lässt, so dass der Rohrraum 11 vergrößert wird.
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Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 dahingehend, dass an der Innenseite 9a des Absorberrohres 9 Wärmeleitkörper 19 angeordnet sind, die in den Rohrraum 11 ragen. Die Wärmeleitkörper sind rippenförmig ausgebildet und bestehen beispielsweise aus Aluminium. Die Wärmeleitkörper erstrecken sich in radialer Richtung des Absorberrohres 9 und sind um den Umfang angeordnet. Wie am besten aus 4 ersichtlich ist, in der eine schematische Seitendarstellung des Absorberrohrs 9 der 3 gezeigt ist, sind die Wärmeleitkörper ferner in Längsrichtung des Absorberrohres 9 versetzt angeordnet. Über die Wärmeleitkörper 19 kann thermische Energie von dem Absorberrohr 9 ins Innere des Rohrraums 11 übertragen werden, so dass an den Oberflächen der Wärmeleitkörper 19 das Salz aufgetaut werden kann. Dadurch kann das in dem Absorberrohr 9 befindliche Salz in vorteilhafter Weise in eine Salzschmelze umgewandelt werden. Die Rippenform hat sich als besonders vorteilhaft zur Ausbildung des Wärmeleitkörpers 19 herausgestellt, da die Rippenform eine relativ große Oberfläche bildet, wodurch ein guter Wärmeeintrag in das Salz erfolgt.
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Das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dahingehend, dass der Kernkörper 13 als Hohlkörper ausgebildet ist. der Kernkörper 13 umschließt bei diesem Ausführungsbeispiel einen Hohlraum 21 und besteht aus einem flexiblen Material. Bei Druck auf die Außenfläche 13a wird der Hohlraum 21 zusammengedrückt, so dass der Rohrraum 11 vergrößert werden kann. Der Hohlraum 21 ist gegenüber dem Rohrraum 11 verschlossen, so dass keine Salzschmelze aus dem Rohrraum 11 in den Hohlraum 21 gelangen kann.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass in dem Hohlraum 21 ein Überdruck oder ein Unterdruck erzeugt werden kann, wodurch eine Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen erfolgen kann.
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In 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers 1 schematisch im Schnitt gezeigt, in dem der Kernkörper exzentrisch in dem Absorberrohr 9 gehaltert ist. Dadurch erhält der Spaltraum 11 einen sichelförmigen Querschnitt.
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Der Solarstrahlungsreceiver 1 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Reflektorvorrichtung 3 auf, die parabolrinnenförmig ausgebildet ist. Dadurch wird, wie in 6 durch Pfeile angedeutet, das Sonnenlicht nur auf den Teilbereich des Absorberrohrs 9 konzentriert, der der Reflektorvorrichtung 3 zugewandt ist. Dadurch kann die Hauptmenge der in dem Rohrraum 11 angeordneten Salzschmelze in dem Bereich des Absorberrohrs angeordnet werden, der die maximale Wärmezufuhr durch konzentrierte Solarstrahlung erhält. Ein derartiger Aufbau ist auch bei dem Schmelzvorgang von gefrorenem Salz von Vorteil, da in Bereichen, die für eine Schmelze zu geringe Wärmezufuhr erhalten, kein oder nur wenig Salz angeordnet ist. Die Funktionsweise des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers erfolgt im Übrigen in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Der Kernkörper 13, über den durch Verformung des Kernkörpers der Spaltraum 11 ein veränderbares Volumen hat, wird über Abstandshalter 15 in Position gehalten. Ferner weist das in 6 dargestellte Ausführungsbespiel auch Wärmeleitkörper 19 auf, die von dem Absorberrohr in den Rohrraum 11 ragen.
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In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceivers 1 gezeigt, bei dem der Kernkörper 13 exzentrisch in dem Absorberrohr 9 gehaltert ist. Das in 7 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich darin, dass der Kernkörper in dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel als Hohlkörper aus flexiblem Material ausgebildet ist.
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Die Darstellungen der 6 und 7 dienen lediglich der Veranschaulichung. Die Größenverhältnisse von den Reflektorvorrichtungen 3 und den Absorberrohren 5 sind stark verzerrt dargestellt. Ferner ist der Abstand zwischen Reflektorvorrichtung 3 und Absorberrohr 5 in real wesentlich größer.
