DE102016216733B4

DE102016216733B4 - Solarstrahlungsreceiver zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln, eine Industrieanlage mit einem Solarstrahlungsreceiver, sowie ein Verfahren zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln

Info

Publication number: DE102016216733B4
Application number: DE102016216733.2A
Authority: DE
Inventors: Johannes Grobbel; Justin Lawrence Lapp; Stefan Brendelberger; Abhishek Singh; Anthony McDaniel; Nathan P. Siegel; Ivan Ermanoski
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-09-06
Also published as: DE102016216733A1

Abstract

Solarstrahlungsreceiver (1) zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln, mit einer Absorbervorrichtung (3), in der die Feststoffpartikel von konzentrierter Solarstrahlung erwärmt werden, wobei die Absorbervorrichtung (3) eine Horizontalfördervorrichtung (7) mit einer horizontal oder in einem Winkel von maximal 10° zu der Horizontalen angeordneten Förderfläche (11) aufweist, wobei die Förderfläche (11) in zumindest eine Hauptförderrichtung bewegbar ist und die Feststoffpartikel auf der Förderfläche (11) transportierbar sind und wobei die konzentrierte Solarstrahlung auf die Förderfläche (11) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Feststoffpartikeln und der Förderfläche (11) ein durchschnittlicher Reibungskoeffizient μ für die Haftreibung vorliegt und die Förderfläche in sich wiederholenden Sequenzen in Hauptförderrichtung mit einer Beschleunigung avor von maximal μ·Erdbeschleunigung g bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigbar ist und anschließend nach einer vorgegebenen Zeitdauer mit einer Verzögerung arück von mindestens 1,5·avor abbremsbar ist, wobei die Förderfläche (11) durch eine Platte (7) gebildet ist und wobei die Platte (9) eine Keramikplatte oder eine Stahlplatte ist und/oder wobei die Platte (9) auf der die Förderfläche (11) bildenden Seite mit einer Keramikschicht beschichtet ist, vorzugsweise einer Aluminiumoxidschicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarstrahlungsreceiver zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln, mit einer Absorbervorrichtung, in der die Partikel von konzentrierter Solarstrahlung erwärmt werden, eine Industrieanlage mit einem Solarstrahlungsreceiver sowie ein Verfahren zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln.
Es sind solarthermische Kraftwerke oder Reaktoren bekannt, bei denen ein Solarstrahlungsreceiver an einem Turm angeordnet ist, wobei Solarstrahlung mittels zahlreicher Heliostate eines den Turm umgebenden Heliostatfeldes auf den Solarstrahlungsreceiver reflektiert wird. An dem Solarstrahlungsreceiver entsteht somit eine hohe Strahlungskonzentration, wodurch sich geeignete Feststoffpartikel auf hohe Temperaturen aufheizen lassen.
Durch die hohen Temperaturen der Feststoffpartikel können chemische Reaktionen der Feststoffpartikel angeregt werden oder die Feststoffpartikel können als Wärmeträgermedium dienen.
Aus DE 10 2008 036 210 A1 , DE 10 2010 062 367 A1 und DE 10 2014 200 418 A1 der Anmelderin (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.) sind Solarstrahlungsreceiver für Solarkraftwerke bekannt, wobei die Solarstrahlung direkt auf das Wärmeträgermedium reflektiert wird.
Derartige Receiver werden auch direkt absorbierende Receiver genannt und besitzen den Vorteil, dass die Solarstrahlung direkt auf das zu beheizende Wärmeträgermedium fällt. Durch die direkte Einkopplung können hohe solare Strahlungsflussdichten ausgenutzt werden und hohe Endtemperaturen erreicht werden. Das erreichbare hohe Temperaturniveau kann einen hohen Wirkungsgrad bei der Nutzung der thermischen Energie ermöglichen.
Bei den vorbekannten Solarstrahlungsreceivern mit zu erwärmenden Feststoffpartikeln sind verschiedene Konzepte bekannt.
Bei horizontal angeordneten Drehrohrreceivern liegt die Partikelschüttung am Boden des Drehrohrs und stellt dadurch eine relativ dicke Schicht dar, so dass die Wärmeübertragung nur inhomogen erfolgen und darüber hinaus aufgrund der stark bewegten Partikel relativ hoher Abrieb entstehen kann. Auch ist die Realisierung von Über- oder Unterdruckbedingungen, die häufig für chemische Reaktionen von Vorteil sind, aufgrund der bewegten Teile schwierig.
Bei Zentrifugalreceivern, wie sie beispielsweise aus DE 10 2010 062 367 A1 bekannt sind, können aufgrund hoher Winkelgeschwindigkeiten, die notwendig sind, um die Partikel an die Wände der Trommel zu drücken, hohe mechanische Kräfte entstehen. Überdruck- oder Unterdruckbedingungen lassen sich in derartigen Receivern auch nur schwierig realisieren. Auch ist die Kontrolle der Schichtdicke der Festkörperpartikel schwierig.
Bei Fallfilmreceivern, wie beispielsweise in DE 10 2014 200 418 A1 beschrieben, ist die Fallzeit und somit die Bestrahlzeit häufig nicht lang genug, um bei chemischen Prozessen eine Reaktion vollständig ablaufen zu lassen. Auch ist die Regelung derartiger Receiver nur schwierig möglich. Für Überdruck- oder Unterdruckbedingungen ist die Verwendung von Scheiben notwendig, wobei Gefahr von Staub und Ablagerungen auf der Scheibe besteht.
Bei Receivern, die ein bewegtes Partikelbett verwenden, wie beispielsweise in DE 10 2008 036 210 A1 beschrieben, ist die Regelung der Schichtdicke sowie der Verweilzeit der Partikel schwierig.
Ferner sind noch Konzepte mit einem fluidisierten Partikelbett bekannt, wobei auch hier eine Regelung der Erwärmungsprozesse schwierig ist und ferner die Verwendung derartiger Receiver für Unterdruckbedingungen nicht geeignet ist.
US 4 040 411 A offenbart einen Strahlungsreceiver nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einem kontinuierlich fördernden Förderband als Horizontalfördervorrichtung. US 4 229 184 A offenbart eine Horizontalfördervorrichtung eines Solarstrahlungsreceivers, bei der Kohlepartikel langsam in einen Bestrahlungsbereich geschoben werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Solarstrahlungsreceiver zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln zu schaffen, bei dem bei vorrichtungstechnisch geringem Aufwand eine vorteilhafte Regelung der Bestrahlung der Feststoffpartikel mit einer möglichst homogenen Erwärmung der Feststoffpartikel möglich ist. Dabei sollten möglichst unterschiedliche Druckbedingungen für die Feststoffpartikel möglich sein. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Industrieanlage mit einem derartigen Solarstrahlungsreceiver sowie ein Verfahren zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln bereitzustellen.
Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Industrieanlage ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 11. Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 13.
Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln weist eine Absorbervorrichtung auf, in der die Feststoffpartikel von konzentrierter Solarstrahlung erwärmt werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbervorrichtung eine Horizontalfördervorrichtung mit einer horizontal oder in einem Winkel von maximal 10° zu der horizontal angeordneten Förderfläche aufweist, wobei die Förderfläche in zumindest eine Hauptförderrichtung bewegbar ist, wobei die Feststoffpartikel auf der Förderfläche transportierbar sind und die konzentrierte Solarstrahlung auf die Förderfläche gerichtet ist. Die erfindungsgemäße Absorbervorrichtung ermöglicht somit eine vorteilhafte Erwärmung der Feststoffpartikel, indem diese mittels der Förderfläche durch einen Bestrahlungsbereich, in dem die Solarstrahlung auf die Förderfläche auftrifft, transportiert werden. Über die Geschwindigkeit der Förderfläche kann somit die Verweilzeit der Partikel in dem Bestrahlungsbereich in vorteilhafter Weise gesteuert werden, so dass die Partikel auf die gewünschte Temperatur erwärmbar sind. Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver ist verglichen mit den vorbekannten Solarstrahlungsreceivern in besonders vorteilhafter Weise regelbar, da keine Mindestgeschwindigkeit eingehalten werden muss, wie beispielsweise bei Zentrifugalreceivern, so dass beispielsweise auch der Feststoffpartikelstrom vollständig angehalten werden kann. Darüber hinaus kann über die bewegte Förderfläche in vorteilhafter Weise ein Partikelbett mit gleichmäßiger Schichtdicke erzeugt werden. Ferner ist über die Geschwindigkeit der Förderfläche in Hauptförderrichtung die Schichtdicke auf besonders einfache Art und Weise regelbar. Bei dem Transport der Feststoffpartikel auf der Förderfläche entsteht darüber hinaus geringer Abrieb an Feststoffpartikeln. Verglichen mit beispielsweise Zentrifugalreceivern und Drehrohrreceivern ist der Bauraum einer derartigen Absorbervorrichtung deutlich geringer.
Bei der Bestrahlung mit der konzentrierten Solarstrahlung absorbieren die Feststoffpartikel die konzentrierte Solarstrahlung zumindest zum Teil, wodurch die Feststoffpartikel erwärmt werden. Anschließend können diese entweder als Wärmeträgermedium verwendet werden, so dass die thermische Energie mittels der Feststoffpartikel zu einem Verbraucher transportierbar ist, oder durch die hohe Temperatur wird eine chemische Reaktion in den Feststoffpartikeln hervorgerufen, die entweder in der Absorbervorrichtung oder beispielsweise in einer an die Absorbervorrichtung anschließenden Sammelkammer des Solarstrahlungsreceivers erfolgt.
Die Feststoffpartikel können somit als Wärmeträgermedium dienen, so dass der Solarstrahlungsreceiver in einem solarthermischen Kraftwerk einsetzbar ist, oder es werden Feststoffpartikel verwendet, die mittels thermischer Energie zu einer chemischen Reaktion angeregt werden sollen, so dass der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver als ein chemischer Reaktor ausgebildet sein kann. Bei den thermisch hervorgerufenen chemischen Reaktionen entstehen häufig Gase, die abgeführt werden müssen. Dabei ist die erfindungsgemäße Absorbervorrichtung von besonderem Vorteil, da lediglich die Förderfläche in Bewegung ist und somit das erzeugte Gas in vorteilhafter Weise mittels der Umgebung abgeführt werden kann.
Die Erfindung sieht vor, dass zwischen den Feststoffpartikeln und der Hauptförderfläche ein durchschnittlicher Reibungskoeffizient μ für die Haftreibung vorliegt und die Förderfläche in sich wiederholenden Sequenzen in Hauptförderrichtung mit einer Beschleunigung a_vor von maximal μ·Erdbeschleunigung g bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigbar ist und anschließend nach einer vorgegebenen Zeitdauer mit einer Verzögerung a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, abbremsbar ist. Beim Antrieb der Förderfläche mit einem derartigen Geschwindigkeitsprofil wird bei der Beschleunigung ·a_vor in Hauptförderrichtung erreicht, dass die Feststoffpartikel von der Förderfläche mitgeführt werden. Das Abbremsen erfolgt abrupt mit einer wesentlich höheren Verzögerung als die zuvor erfolgte Beschleunigung, so dass die Feststoffpartikel bei der Verzögerung zumindest zum Teil über die Förderfläche rutschen. Bei der anschließenden Wiederholung der Sequenz werden die Feststoffpartikel wieder in Hauptförderrichtung mit der Beschleunigung a_vor transportiert. Dadurch ist ein Transport der Feststoffpartikel in Hauptförderrichtung mit sehr geringem Abtrieb an den Feststoffpartikeln möglich, wobei ferner erreicht wird, dass aufgrund der Reibung zwischen Förderfläche und Feststoffpartikel diese während der Verzögerung vermischt werden bzw. in sich verdreht werden. Durch die Vermischung und Bewegung der Feststoffpartikel wird erreicht, dass diese von der konzentrierten Solarstrahlung sehr homogen erwärmt werden können.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verzögerung bis zum Stillstand der Förderfläche erfolgt.
Vorzugseise ist vorgesehen, dass die Förderfläche in eine der Hauptförderrichtungen entgegengesetzte Richtung bewegbar ist. Dadurch wird erreicht, dass die Förderfläche beispielsweise bei der Zuführung der Feststoffpartikel oder in dem von der konzentrierten Solarstrahlung bestrahlten Bereich beispielsweise kurzzeitig in die der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung bewegt werden kann und somit die Verweilzeit oder die Zuführung der Partikel zu beeinflussen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Förderfläche nach der Verzögerung in die der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung bis zu einer vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit mit einer Beschleunigung a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, beschleunigbar ist. Mit anderen Worten: die Förderfläche wird bis zu einer Geschwindigkeit von 0 m/s verzögert und anschließend ohne Pause in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt. Dies hat den Vorteil, dass die Förderfläche die zuvor bei der Bewegung in die Hauptförderrichtung bewegte Wegstrecke durch die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung wieder zurückfahren kann, wobei während der Bewegung in die der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung die Feststoffpartikel weitestgehend nicht transportiert werden. Durch eine einfache Hin- und Her-Bewegung der Förderfläche kann somit ein Transport der Feststoffpartikel in die Hauptförderrichtung erfolgen. Anschließend kann vorgesehen sein, dass die Förderfläche beim Erreichen der vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit mit einer Verzögerung von mindestens 1,5 a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, bis zu einer Geschwindigkeit von 0 m/s abbremsbar ist. Auch bei dieser Verzögerung wird erreicht, dass die Feststoffpartikel über die Förderfläche rutschen und bei dieser Bewegung weitestgehend nicht von der Förderfläche Verzögerung handelt, wird das entsprechende Vorzeichen dann vorgegeben. Der Erfindung liegt in Bezug auf die zuvor beschriebenen Bewegungsprofile die Erkenntnis zugrunde, dass bei relativ hohen Beschleunigungen bzw. Verzögerungen, die Haftreibung zwischen Feststoffpartikeln und Förderfläche nicht ausreicht, um die Feststoffpartikel vollständig mitzuführen. Die Feststoffpartikel rutschen daher bei derartigen Bedingungen über die Förderfläche und werden durch die dennoch vorliegende Reibung zwischen Feststoffpartikeln und Förderfläche durchmischt und in sich bewegt.
Die Erfindung sieht ferner vor, dass die Förderfläche durch eine Platte gebildet ist. Die Ausbildung der Förderfläche durch eine Platte hat den besonderen Vorteil, dass dadurch eine sehr kompakte Ausgestaltung der Absorbervorrichtung möglich ist, wobei durch die zuvor beschriebene Hin- und Her-Bewegung eine Förderung der Feststoffpartikel in Hauptförderrichtung erfolgt.
Die Platte kann eine Keramikplatte oder eine Stahlplatte sein. Die Keramikplatte ist insbesondere für Hochtemperaturanwendungen, bei denen Temperaturen bis zu 1450°C erreicht werden, wie sie beispielsweise für chemische Reaktionen notwendig sind, besonders geeignet. Die Stahlplatte ist für Anwendungen von mittlerer Temperatur, wie beispielsweise zwischen 800°–1000°C, wie sie beispielsweise in solarthermischen Kraftwerken gewünscht sind, geeignet.
Die Platte kann auf der die Förderfläche bildenden Seite mit einer Keramikschicht beschichtet sein, die vorzugsweise eine Aluminium-Oxid-Schicht ist. Eine derartige Schicht zeichnet sich einerseits durch eine hohe Wärmebeständigkeit aus und ist darüber hinaus sehr beständig, so dass Abrieb an der Förderfläche verhindert wird. Auch kann über die Beschichtung ein Reibwert zwischen Partikeln und Förderfläche in vorteilhafter Weise voreingestellt werden. Die Keramikschicht kann beispielsweise in einem Schlickergussprozess aufgebracht werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Platte über einen Linearantrieb antreibbar ist. Dieser ist vorzugsweise regelbar. Über den Linearantrieb kann das zuvor beschriebene, gewünschte Bewegungsprofil der Platte in besonders vorteilhafter Weise erzeugt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Förderfläche in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet ist, wobei das geschlossene Gehäuse eine Strahlungseingangsöffnung, eine Partikelzuführöffnung und eine Partikelabführöffnung aufweist. Durch diese geschlossenen Gehäuse können Strahlungsverluste vermieden werden, da die in das Gehäuse durch die Strahlungseingangsöffnung eintretende, konzentrierte Solarstrahlung weitestgehend innerhalb des Gehäuses verbleibt. Das Gehäuse kann somit als Strahlenfalle dienen. Ferner ist durch das geschlossene Gehäuse möglich, verschiedene Druckbedingungen zu erzeugen, beispielsweise können Unterdruckbedingungen oder Überdruckbedingungen erzeugt werden. Beispielsweise bei der Verwendung des Solarstrahlungsreceivers als chemischer Reaktor sind Unterdruckbedingungen häufig wünschenswert, da das erzeugte Vakuum für die gewünschten chemischen Reaktionen häufig von Vorteil oder sogar notwendig ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlungseingangsöffnung eine Abdeckvorrichtung aufweist, die für die Solarstrahlung einen hemisphärischen solaren (AM 1,5) Transparenzgrad von mindestens 85° aufweist. Eine derartige Eigenschaft der Abdeckvorrichtung ist von Vorteil, um einerseits eine übermäßige Erhitzung der Abdeckvorrichtung aufgrund starker Absorption von Solarstrahlung zu verhindern und andererseits sicherzustellen, dass ein großer Anteil der konzentrierten Solarstrahlung in das Gehäuse gelangt. Die Abdeckvorrichtung kann beispielsweise eine Kuppelform aufweisen. Eine derartige Form ist von besonderem Vorteil, wenn innerhalb des Gehäuses ein Vakuum erzeugt werden soll, um eine hohe Dichtigkeit an der Abdeckvorrichtung zu gewährleisten und darüber hinaus eine hohe Stabilität der Abdeckvorrichtung bereitzustellen.
An der Strahlungseingangsöffnung kann ein Strahlungskonzentrator angeordnet sein. Dieser kann beispielsweise ein sogenannter Sekundärkonzentrator sein, der sich trichterförmig in Richtung der Strahlungseingangsöffnung verjüngt. Konzentrierte Solarstrahlung, die nicht auf die Strahlungseingangsöffnung trifft, wird von dem Strahlungskonzentrator in Richtung der Strahlungseingangsöffnung reflektiert und kann somit in das Gehäuse gelangen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass oberhalb der Förderfläche eine Dosiereinrichtung angeordnet ist, die die Feststoffpartikel auf die Förderfläche dosiert. Die Feststoffpartikel können somit von der Dosiereinrichtung auf die Förderfläche fallen. Hierzu kann beispielsweise eine Blende vorgesehen sein, die den Partikelstrom reguliert. Die Dosiereinrichtung kann innerhalb des Gehäuses in Partikelstromrichtung hinter der Partikelzuführöffnung angeordnet sein. Über die Dosiereinrichtung lässt sich die Schichtdicke der Feststoffpartikel auf der Förderfläche in vorteilhafter Weise regulieren. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung der Förderfläche kann die Dosiereinrichtung verstellt werden, um die gewünschte Schichtdicke zu erreichen. Dadurch wird sichergestellt, dass eine relativ gleichmäßige Schichtdicke an Feststoffpartikeln auf die Förderplatte aufgebracht wird.
Die Fördergeschwindigkeit der Feststoffpartikel kann grundsätzlich durch die vorgegebene Geschwindigkeit, auf die die Förderfläche in Hauptförderrichtung beschleunigt wird, bzw. der Zeitdauer und Höhe der Beschleunigungen vorgegeben werden. Die Schichtdicke der Feststoffpartikel auf der Förderplatte kann einerseits durch diese Geschwindigkeit oder auch durch die Größe des durch die Dosiereinrichtung rutschenden Partikelstrom beeinflusst werden.
Der erfindungsgemäße Solarstrahlungsreceiver hat den besonderen Vorteil, dass sehr dünne Schichtdicken von Feststoffpartikeln erzeugt werden können. Ferner kann die Verweilzeit der Feststoffpartikel in dem Bereich, in dem die konzentrierte Solarstrahlung auf die Förderfläche trifft, in vorteilhafter Weise geregelt werden.
Die Platte, die die Förderfläche bildet, kann beispielsweise an aufgehängten, in Richtung der Förderfläche verlaufenden Stahlträgern gelagert sein. Es können auch andere Lagerungen, wie beispielsweise Gleitschienen, verwendet werden. Die Platte kann eine Richtung aufweisen, die die Förderfläche bildet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Feststoffpartikel nicht seitlich von der Platte fallen.
Unterhalb der Platte kann ein Auffangbehälter für Feststoffpartikel angeordnet sein, über den die Platte bei ihrer Bewegung teilweise verfahren wird. Dadurch wird sichergestellt, dass Partikel bei der Verzögerung bzw. Rückwärtsbewegung der Platte von der Platte rutschen und in den Auffangbehälter gelangen. Unterhalb des Auffangbehälters kann die Partikelabführöffnung angeordnet sein.
Die Erfindung betrifft ferner eine Industrieanlage mit einer Strahlungskonzentrationsvorrichtung und einem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver. Die Industrieanlage kann beispielsweise ein Kraftwerk oder eine chemische Reaktoranlage sein. Die Strahlungskonzentrationsvorrichtung kann beispielsweise ein Heliostatfeld umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass ferner oberhalb der Strahlungseingangsöffnung des Solarstrahlungsreceivers eine Reflektionsvorrichtung angeordnet ist, die von dem Heliostatfeld konzentrierte Solarstrahlung in Richtung der Strahlungseingangsöffnung reflektiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln. Dabei sind folgende Schritte vorgesehen:

– Aufgeben von Feststoffpartikeln auf eine Förderfläche
– Transportieren der Feststoffpartikel in eine in einer horizontalen Richtung oder in einer mit einem Winkel von maximal 10° zu der Horizontalen gerichteten Richtung verlaufenden Hauptförderrichtung durch Bewegung der Förderfläche
– Bestrahlen der Partikel auf der Förderfläche mit konzentrierter Solarstrahlung
– Entnahme der Partikel

Das erfindungsgemäße Verfahren, das vorzugsweise mit einem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver durchgeführt wird, ermöglicht in vorteilhafter Weise eine sehr homogene Erwärmung der Feststoffpartikel mittels konzentrierter Solarstrahlung. Durch den Transport der Feststoffpartikel auf einer Förderfläche kann die Verweilzeit der Partikel in einem mit der konzentrierten Solarstrahlung bestrahlten Bereich in vorteilhafter Weise geregelt werden, so dass die gewünschte Temperatur erreicht wird.
Das Aufgeben der Feststoffpartikel auf die Förderfläche kann dosiert erfolgen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass beim Transportieren der Feststoffpartikel zwischen den Feststoffpartikeln und der Förderfläche ein durchschnittlicher Reibungskoeffizient μ für die Haftreibung vorliegt und die Förderfläche in sich wiederholenden Sequenzen in Hauptförderrichtung mit einer Beschleunigung a_vor von maximal μ·Erdbeschleunigung g bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigt wird und anschließend nach einer vorgegebenen Zeitdauer mit einer Verzögerung a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, abgebremst wird. Durch diese Bewegung wird erreicht, dass die Feststoffpartikel zunächst bei der Bewegung in die Hauptförderrichtung von der Förderfläche mitgeführt werden und anschließend durch die abrupte Verzögerung über die Förderfläche rutschen. Die Vorteile einer derartigen Bewegung sind in Bezug auf den erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver beschrieben.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verzögerung bis zum Stillstand der Förderfläche erfolgt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Förderplatte nach der Verzögerung in eine der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung bis zu einer vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit mit einer Beschleunigung von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, beschleunigt wird.
Dabei kann vorgesehen sein, dass nach dem Erreichen der vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit die Förderfläche mit einer Verzögerung von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, bis zu einer Geschwindigkeit von 0 m/s abgebremst wird. Anschließend erfolgt dann die nächste Sequenz, bei der die Förderfläche in Hauptförderrichtung mit einer Beschleunigung a_vor von maximal μ·Erdbeschleunigung g bis zu der vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert:
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Industrieanlage in Form eines Solarturmkraftwerks mit einem erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Strahlungsreceiver,
2a eine schematische Detaildarstellung der Dosiereinrichtung des Solarstrahlungsreceivers der 2 und
3 eine schematische perspektivische Darstellung der die Förderfläche bildenden Platte des Solarstrahlungsreceivers der 2.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Industrieanlage 100 schematisch dargestellt. Sonnenlicht wird über Heliostate 110 eines Heliostatfeldes 120 auf einen erfindungsgemäßen Solarstrahlungsreceiver 1, der an einem Receiverturm 105 angeordnet ist, reflektiert. Hierzu ist oberhalb des Solarstrahlungsreceivers 1 eine Reflektionsvorrichtung in Form eines Spiegels 130 angeordnet, der die konzentrierte Solarstrahlung reflektiert, so dass diese von oben auf den Solarstrahlungsreceiver 1 trifft.
Durch den Solarstrahlungsreceiver 1 werden Feststoffpartikel geleitet. Über ein Leitungssystem 160 können diese dem Solarstrahlungsreceiver 1 zugeführt und von diesem abgeführt werden. Die Feststoffpartikel werden in dem Solarstrahlungsreceiver 1 mittels der konzentrierten Solarstrahlung erwärmt.
Die Industrieanlage 100 kann beispielsweise eine chemische Reaktoranlage sein, in der die Feststoffpartikel durch die Erwärmung chemisch reagieren.
Die Industrieanlage 100 kann auch ein Solarkraftwerk sein, so dass die Feststoffpartikel als Wärmeträgermedium dienen und einem nicht dargestellten Verbraucher, beispielsweise einem herkömmlichen Wasserdampfkreislauf, zugeführt werden.
In 2 ist ein erfindungsgemäßer Solarstrahlungsreceiver 1 schematisch im Schnitt dargestellt.
Der Solarstrahlungsreceiver 1 weist eine Absorbervorrichtung 3 auf, in der nicht dargestellte Feststoffpartikel durch konzentrierte Solarstrahlung erwärmt werden.
Der Solarstrahlungsreceiver 1 weist ein Gehäuse 5 auf, in dem die Absorbervorrichtung 3 aufgenommen ist. Die Absorbervorrichtung 3 besteht aus einer Horizontalfördervorrichtung 7, mittels der die Festkörper in einer in horizontaler Richtung verlaufenden Hauptförderrichtung gefördert werden können. Hierzu weist die Horizontalfördervorrichtung 7 eine Förderplatte 9 auf, die eine Förderfläche 11 bildet. Die Feststoffpartikel werden durch eine Partikelzuführöffnung 13, die beispielsweise mit dem Leitungssystem 160 in Verbindung steht, dem Solarstrahlungsreceiver zugeführt. Durch eine Zuführleitung 15, die beispielsweise als Spalt ausgebildet sein kann, fallen die Feststoffpartikel auf die Förderfläche 11 der Platte 9. Mittels der Förderfläche 11 der Platte 9 werden die Partikel in der durch Pfeil angedeutete Hauptförderrichtung in einen Bestrahlungsbereich 17 befördert. Die konzentrierte Solarstrahlung tritt durch eine Strahlungseingangsöffnung 19 in die Absorbervorrichtung 3 ein und ist auf die Förderfläche 11 gerichtet. Die Feststoffpartikel werden mittels der Platte 9 durch den Bestrahlungsbereich 17 befördert und absorbieren die auftreffende Solarstrahlung. Anschließend fallen die Feststoffpartikel von der Förderfläche 11 in einen Sammler 21 und werden durch eine Partikelabführöffnung 23 abgeführt.
Die Platte 9 wird über einen regelbaren Linearantrieb 25 angetrieben, wobei sich wiederholende Bewegungssequenzen der Platte 9 durchgeführt werden. Zunächst wird die Platte 9 in Hauptförderrichtung mit einer Beschleunigung a_vor bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigt. Die Beschleunigung a_vor beträgt dabei maximal μ·g, wobei μ der durchschnittliche Reibungskoeffizient für die Haftreibung zwischen der Förderfläche 11 und den Feststoffpartikeln ist und g die Erdbeschleunigung.
Anschließend wird die Platte 9 abrupt verzögert mit einer Verzögerung a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor. An die Verzögerung anschließend erfolgt eine Beschleunigung der Platte 9 in entgegen der Hauptförderrichtung gerichtete Richtung mit einer Beschleunigung a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor. Es erfolgt somit eine kontinuierliche Verzögerung mit anschließender Beschleunigung ohne Unterbrechung. Aufgrund der abrupten, sehr starken Verzögerung bzw. Beschleunigung rutschen die Feststoffpartikel über die Förderfläche und werden von dieser in die der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung weitestgehend nicht transportiert. Beim Erreichen einer zweiten Geschwindigkeit, die in der der Hauptförderrichtung entgegengesetzter Richtung gerichtet ist, wird die Förderfläche 11 erneut verzögert mit einer Verzögerung von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, bis die Förderfläche eine Geschwindigkeit von 0 m/s besitzt. In dieser Verzögerung rutschen die Feststoffpartikel weiterhin über die Förderfläche 11. Anschließend wird die Bewegungssequenz wiederholt, wobei bei der anfänglichen Beschleunigung a_vor die auf der Förderfläche befindlichen Feststoffpartikel in die Hauptförderrichtung transportiert werden. Durch das gewählte Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsprofil wird erreicht, dass nur bei einem Teil der Bewegung der Förderfläche 11 die Feststoffpartikel von der Förderfläche 11 mitgeführt werden und insbesondere bei einer Bewegung entgegen der Hauptförderrichtung die Feststoffpartikel über die Förderfläche 11 rutschen. Bei dem Rutschen der Feststoffpartikel, werden die Feststoffpartikel in sich in eine Bewegung versetzt, so dass einerseits eine Durchmischung der Förderpartikel erfolgt und andererseits diese in sich gedreht werden, so dass eine sehr homogene Erwärmung der Feststoffpartikel in dem Strahlungsbereich 17 erfolgen kann. Durch die Hin- und Her-Bewegung der Platte 9 lässt sich die gewünschte Förderung der Feststoffpartikel auf einfache Art und Weise mittels einer Platte 9 erreichen, ohne dass eine aufwändige Rückführung erfolgen muss.
Der Solarstrahlungsreceiver 1 weist ferner eine Dosiereinrichtung 27 auf, mittels der die Zuführung der Feststoffpartikel regelbar ist. Die Dosiereinrichtung 27 weist eine regelbare Blende 29 auf, mittels der der Querschnitt, durch den die Feststoffpartikel in Richtung der Förderfläche 11 fallen können, regulierbar ist. Die Einstellung der Dosiereinrichtung 27 ist dabei an die Geschwindigkeit der Förderfläche 11 angepasst. Dadurch wird auf der Förderfläche eine relativ gleichmäßige Schichtdicke der Feststoffpartikel erreicht. Insbesondere kann eine sehr dünne Schichtdicke ermöglicht werden.
Das Gehäuse 5 kann Isolierungen aufweisen, über die Wärmeverluste vermieden werden. Durch die Strahlungseingangsöffnung 19 in den Strahlungsbereichen 17 eintretende Strahlung wird in der Absorbervorrichtung 3 nahezu vollständig absorbiert. Eventuell nicht direkt oder nach Reflektion im Gehäuse auf Feststoffpartikel auftreffende Strahlung wird von den umgebenden Wänden des Gehäuses 5 aufgenommen und erwärmt diese. Von Wänden wird Wärmestrahlung emittiert, die wiederum teilweise auf die Feststoffpartikel trifft. Auch erfolgt ein konvektiver Wärmeübergang auf die Feststoffpartikel. Dadurch werden Wärmeverluste nach außen verringert.
An der Strahlungseingangsöffnung 19 ist ein Strahlungskonzentrator 31 angeordnet, der dafür sorgt, dass nicht auf die Strahlungseingangsöffnung 19 treffende Solarstrahlung in Richtung dieser reflektiert wird.
Die Strahlungseingangsöffnung 19 ist mit einer Abdeckvorrichtung 33 versehen, die für Solarstrahlung weitestgehend vollständig transparent ist. Die Abdeckvorrichtung 33 ist als Kuppel ausgebildet. Bei der Anregung der Feststoffpartikel zu chemischen Reaktionen ist es häufig notwendig, dass in dem Solarstrahlungsreceiver 1 ein Unterdruck erzeugt wird. Die Kuppelform der Abdeckvorrichtung 33 ist bei der Erzeugung eines Unterdrucks von besonderem Vorteil, da eine hohe Stabilität gewährleistet ist.
In 3 ist die Platte 9 schematisch in einer Perspektivdarstellung gezeigt. Die Platte 9 ist seitlich über Halterungen 35 geführt, die, wie aus 2a ersichtlich ist, über Aufhängungen 37 gehaltert sind. Die Platte 9, die beispielsweise aus einer Keramik bestehen kann, weist in der Mitte eine die Förderfläche 11 bildende Vertiefung 9a auf. Dadurch wird sichergestellt, dass die auf der Förderfläche 11 befindlichen Feststoffpartikel eine seitliche Führung erhalten und nicht von der Platte 9 zu fallen drohen. Die Förderfläche 11 kann beispielsweise mit einer Keramikschicht beschichtet sein, worüber in vorteilhafter Weise eine hohe Wärmebeständigkeit sowie mechanische Beständigkeit erreicht werden kann und darüber hinaus der Reibungskoeffizient μ festlegbar ist.

Claims

Solarstrahlungsreceiver (1) zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln, mit einer Absorbervorrichtung (3), in der die Feststoffpartikel von konzentrierter Solarstrahlung erwärmt werden, wobei die Absorbervorrichtung (3) eine Horizontalfördervorrichtung (7) mit einer horizontal oder in einem Winkel von maximal 10° zu der Horizontalen angeordneten Förderfläche (11) aufweist, wobei die Förderfläche (11) in zumindest eine Hauptförderrichtung bewegbar ist und die Feststoffpartikel auf der Förderfläche (11) transportierbar sind und wobei die konzentrierte Solarstrahlung auf die Förderfläche (11) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Feststoffpartikeln und der Förderfläche (11) ein durchschnittlicher Reibungskoeffizient μ für die Haftreibung vorliegt und die Förderfläche in sich wiederholenden Sequenzen in Hauptförderrichtung mit einer Beschleunigung a_vor von maximal μ·Erdbeschleunigung g bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigbar ist und anschließend nach einer vorgegebenen Zeitdauer mit einer Verzögerung a_rück von mindestens 1,5·a_vor abbremsbar ist, wobei die Förderfläche (11) durch eine Platte (7) gebildet ist und wobei die Platte (9) eine Keramikplatte oder eine Stahlplatte ist und/oder wobei die Platte (9) auf der die Förderfläche (11) bildenden Seite mit einer Keramikschicht beschichtet ist, vorzugsweise einer Aluminiumoxidschicht.
Solarstrahlungsreceiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung bis zum Stillstand der Förderfläche (11) erfolgt.
Solarstrahlungsreceiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderfläche (11) in eine der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung bewegbar ist.
Solarstrahlungsreceiver nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderfläche (11) nach der Verzögerung in die der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung bis zu einer vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit mit einer Beschleunigung a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, beschleunigbar ist.
Solarstrahlungsreceiver nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erreichen der vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit die Förderfläche (11) mit einer Verzögerung von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, bis zu einer Geschwindigkeit von 0 m/s abbremsbar ist.
Solarstrahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (9) über einen Linearantrieb (25) antreibbar ist.
Solarstrahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderfläche (11) in einem geschlossenen Gehäuse (5) angeordnet ist, wobei das geschlossenen Gehäuse einen Strahlungseingangsöffnung (19), eine Partikelzuführöffnung (13) und eine Partikelabführöffnung (23) aufweist.
Solarstrahlungsreceiver nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungseingangsöffnung (19) eine Abdeckvorrichtung (33) aufweist, die für die Solarstrahlung einen hemisphärischen solaren (AM 1,5) Transparenzgrad von mindestens 85% aufweist.
Solarstrahlungsreceiver nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Strahlungseingangsöffnung (19) ein Strahlungskonzentrator (3) angeordnet ist.
Solarstrahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Förderfläche (11) eine Dosiereinrichtung (27) angeordnet ist, die die Feststoffpartikel auf die Förderfläche (11) dosiert.
Industrieanlage (100) mit einer Strahlungskonzentrationsvorrichtung und einem Solarstrahlungsreceiver (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Industrieanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlungskonzentrationsvorrichtung ein Heliostatfeld (120) umfasst.
Verfahren zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln mit folgenden Schritten: – Aufgeben von Feststoffpartikeln auf eine Förderfläche (11), – Transportieren der Feststoffpartikel in eine in einer horizontalen Richtung oder in einer mit einem Winkel von maximal 10° zu der Horizontalen gerichteten Richtung verlaufenden Hauptförderrichtung durch Bewegung der Förderfläche – Bestrahlung der Partikel auf der Förderfläche (11) mit konzentrierter Solarstrahlung – Entnahme der Partikel, wobei beim Transportieren der Feststoffpartikel zwischen den Feststoffpartikeln und der Förderfläche ein durchschnittlicher Reibungskoeffizient μ für die Haftreibung vorliegt und die Förderfläche in sich wiederholenden Sequenzen in Hauptförderrichtung mit einer Beschleunigung a_vor von maximal μ·Erdbeschleunigung g bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigt wird und anschließend nach einer vorgegebenen Zeitdauer mit einer Verzögerung a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, abgebremst wird und wobei die Förderfläche (11) durch eine Platte (7) gebildet wird, die eine Keramikplatte oder Stahlplatte ist und/oder auf der die Förderfläche (11) bildenden Seite mit einer Keramikschicht beschichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung bis zum Stillstand der Förderfläche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderplatte nach der Verzögerung in eine der Hauptförderrichtung entgegengesetzte Richtung bis zu einer vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit mit einer a_rück von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erreichen der vorgegebenen zweiten Geschwindigkeit die Förderfläche mit einer Verzögerung von mindestens 1,5·a_vor, vorzugsweise 4·a_vor, bis zu einer Geschwindigkeit von 0 m/s abgebremst wird.