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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen, in dem ein Wärmeträgermediumdampf überhitzt werden kann oder in dem ein Wärmeträgermedium direkt verdampft werden kann sowie eine Solarenergiegewinnungsanlage mit einem derartigen Receiver.
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Eine Vielzahl von Solarenergiegewinnungsanlagen ist bekannt, bei denen mittels Spiegel Solarstrahlung auf einen Wärmetauscher, den sogenannten Receiver, konzentriert wird.
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Beispielsweise wird bei Solarturmkraftwerken die Solarstrahlung mittels nachgeführter Einzelspiegel, der Heliostate, auf einen sich auf einem Turm befindlichen Receiver gelenkt. Es existieren auch Solaranlagen, bei denen der Receiver bodennah angeordnet ist und über Konzentratorspiegel Solarstrahlung konzentriert wird.
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Bei Solarkraftwerken werden unterschiedliche Arten von Wärmeträgermedium verwendet, um die Wärmenergie von der Spitze des Turms zu einer weiteren Nutzung zu transportieren. Als Wärmeträgermedium werden beispielsweise Wasserdampf, Luft, Flüssigkeitsmischungen oder auch schüttfähige Festkörper verwendet.
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Ferner existieren erste Anlagen, bei denen in dem Receiver eine Direktverdampfung des Wärmeträgermediums erfolgt.
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Bei sogenannten Hohlraumreceivern, die auch als Cavity-Receiver bezeichnet werden, wird ein Hohlraum mit einer Eintrittsöffnung gebildet, durch die die konzentrierte Solarstrahlung in den Hohlraum einleitbar ist.
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Dies hat den Vorteil, dass der Hohlraum als eine Art Falle für die Solarstrahlung wirkt und von Innenflächen des Hohlraums reflektierte Solarstrahlung in dem Hohlraum verbleibt und zur Erwärmung des Wärmeträgermediums genutzt werden kann.
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Das Wärmeträgermedium wird bei derartigen Receivern zumeist mittels aus einzelnen Rohren bestehenden Rohrleitungen dem Hohlraum zugeführt und dort erwärmt.
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In derartigen Receivern kann Wärmeträgermediumdampf dem Receiver zugeführt werden, wobei der Dampf in dem Receiver überhitzt wird. Dabei wird der Wärmeträgermediumdampf von der der Eintrittsöffnung abgewandten Seite dem Hohlraum zugeführt.
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Bei der Direktverdampfung des Wärmeträgermediums ist eine Durchströmung in diese Richtung ungünstig, da im Bereich der Eintrittsöffnung der höchste Wärmeeintrag vorliegt.
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Ferner besteht bei Hohlraumreceivern grundsätzlich das Problem einer homogenen Verteilung des Wärmeträgermediums auf die einzelnen Rohre. Die Verteilung des Wärmeträgermediums ist mit hohem Aufwand verbunden und nur schwierig zu kontrollieren. Aufgrund des Strahlungsprofils besteht darüber hinaus das Problem, dass häufig nicht alle Rohre gleichmäßig bestrahlt und erhitzt werden, so dass das Wärmeträgermedium in den verschiedenen Rohren inhomogen erhitzt wird.
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Für den Anschluss der einzelnen Rohre sind eine Vielzahl von Kupplungen, Verschraubungen usw. notwendig, was einen hohen konstruktiven Aufwand bedeute und darüber hinaus eine Anfälligkeit für Undichtigkeiten mit sich bringt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen zu schaffen, der unter Vermeidung der Probleme des Standes der Technik in vorteilhafter Weise für eine Direktverdampfung des Wärmeträgermediums geeignet ist.
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Der erfindungsgemäße Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Solarenergiegewinnungsanlage ist definiert durch die Merkmale des Anspruch 10.
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Der erfindungsgemäße Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen zur Überhitzung eines Wärmeträgermediums oder zur Direktverdampfung des Wärmeträgermediums mittels konzentrierter Solarstrahlung weist einen Hohlraum mit einer Mittellängsachse auf, wobei sich die Mittellängsachse in horizontaler Richtung oder in einem Winkel von maximal 45° zu der Horizontalen erstreckt. Der Hohlraum weist eine Eintrittsöffnung auf, durch die die konzentrierte Solarstrahlung in den Hohlraum eingeleitet wird. Die Rohrleitungen für das Wärmeträgermedium umgeben den Hohlraum. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen durch ein durchgehendes Rohr gebildet sind, das den Hohlraum mit Rohrwicklungen umgibt, wobei sich der Hohlraum in Längsrichtung von der Eintrittsöffnung weg verjüngt.
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Die Erfindung sieht somit vor, dass anstelle der Verwendung von mehreren Rohren, die die Rohrleitungen bilden und die von dem Wärmeträgermedium parallel durchströmt werden, ein durchgehendes Rohr vorgesehen ist. Dadurch werden aufwändige Armaturen, die eine Verteilung des Wärmeträgermediums auf mehrere Rohre vornimmt, vermieden. Eine Verteilung des Wärmeträgermediums ist nicht notwendig, da das Wärmeträgermedium durch ein einziges Rohr geleitet wird. Das Wärmeträgermedium wird an den Außenbereichen des Hohlraums spiralförmig um den Hohlraum geleitet und dabei erwärmt. Durch die Verjüngung des Hohlraums in Längsrichtung von der Eintrittsöffnung weg wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Hohlraum als Strahlungsfalle für die konzentrierte Solarstrahlung wirkt. Die Verjüngung des Hohlraums wird dadurch erreicht, dass die Entwicklungen des Rohres in einer Richtung von den Eintrittsöffnungen weg enger werden.
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Bei einer Anordnung des Hohlraums mit einer sich in einem Winkel zu der Horizontalen erstreckenden Mittelachse kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Hohlraum in Richtung von der Eintrittsöffnung weg ansteigt. Mit anderen Worten: Die Eintrittsöffnung ist leicht nach unten geneigt. Dadurch kann Solarstrahlung in vorteilhafter Weise von unterhalb des Receivers angeordneten Heliostaten in den Hohlraum eingeleitet werden.
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Die Eintrittsöffnung kann koaxial zu dem Hohlraum angeordnet sein.
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Dadurch, dass das Wärmeträgermedium durch ein einziges Rohr geleitet wird, wird ferner erreicht, dass das in dem Receiver erwärmte Wärmeträgermedium einem homogenen Temperaturanstieg unterliegt.
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Die Anordnung des Hohlraums in horizontaler Richtung oder in einem Winkel von maximal 45° zu der Horizontalen ist besonders vorteilhaft, da somit die konzentrierte Solarstrahlung in horizontaler Richtung oder in einem entsprechend angepassten Winkel in den Hohlraum eingeleitet werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Rohrwicklungen eine Konusform bilden. Somit ist der Hohlraum konusförmig ausgestaltet, wodurch in vorteilhafter Weise erreicht wird, dass die einfallende Strahlung nahezu vollständig von den die Rohrleitungen bildenden Rohrwicklungen des Rohres absorbiert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Eintrittsöffnung eine Blende angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Eintrittsöffnung kleiner als die Rohrwicklungen sein kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass durch eine zu große Eintrittsöffnung Solarstrahlung aus dem Hohlraum durch Reflektion entweichen kann.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Blende verstellbar ist. Die Blende weist somit die Möglichkeit auf, die Größe der Eintrittsöffnung zu verändern und somit die Eintrittsöffnung an ein Strahlungsprofil und den Öffnungswinkel der konzentrierten Solarstrahlung anzupassen. Somit werden die Abstrahlverluste auf ein Minimum verringert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Receiver wird grundsätzlich durch mehrfache Reflektion der Strahlen, die durch die sich verjüngende Form hervorgerufen wird, innerhalb des Receivers bzw. zum Ausgang hin ein homogener Temperaturanstieg erzielt. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Zuleitung in eine erste Rohrwicklung, die an einem der Eintrittsöffnung zugewandten Ende des Hohlraums angeordnet ist, mündet. Mit anderen Worten: Die Rohrwicklungen werden in Richtung von der Eintrittsöffnung weg von dem Wärmeträgermedium durchströmt. Dadurch wird das Wärmeträgermedium den durch die Rohrwicklungen gebildeten Rohrleitungen in dem Bereich mit dem höchsten Energieeintrag durch die Solarstrahlung zugeführt.
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Die Zuleitung kann in der von dem Hohlraum abgewandten Seite an den Rohrwicklungen entlanggeführt werden. Das durch die Zuleitung geführte Wärmeträgermedium wird somit am heißen Ende des Receivers vorbeigeführt und kann somit in vorteilhafter Weise einer Vorwärmung unterliegen. Der Verlauf der Zuleitung kann im Wesentlichen quer zu der Rohrführung der Rohrwicklungen verlaufen.
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Eine letzte Rohrwicklung, die an einem der Eintrittsöffnung abgewandten, zweiten Ende des Hohlraums angeordnet ist, mündet vorzugsweise in einer Ableitung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Receiver kann somit vorgesehen sein, dass die Zuleitung und die Ableitung zu dem einzigen Rohr im Bereich des zweiten Endes des Hohlraums angeordnet sind und somit leicht zugänglich sind.
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Der erfindungsgemäße Receiver hat den besonderen Vorteil, dass lediglich zwei Verbindungsstücke, nämlich für die Zuleitung und die Ableitung, benötigt werden, um den Receiver anzuschließen, so dass der vorrichtungstechnische Aufwand sehr gering gehalten werden kann. Durch die runde, konisch zulaufende Spiralanordnung der Rohrwicklungen ist ein zum Ausgang hin kontinuierlicher homogener Temperaturanstieg möglich.
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Bei dem erfindungsgemäßen Receiver kann vorgesehen sein, dass benachbarte Rohrwicklungen miteinander verbunden sind. Dadurch wird verhindert, dass zwischen den Rohrwicklungen Solarstrahlung aus dem Hohlraum entweichen kann.
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Zusätzlich oder alternativ kann auch vorgesehen sein, dass ein Mantelrohr die Rohrwicklungen umgibt.
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Grundsätzlich können die Rohrwicklungen die Seitenwände des Hohlraums bilden oder das Mantelrohr. Das Mantelrohr kann auch bei der Ausgestaltung eines Receivers vorgesehen sein, bei dem die Rohrwicklungen miteinander verbunden sind, wobei durch das Mantelrohr Wärmeverluste nach außen verhindert werden. Die Zuleitung zu der ersten Rohrwicklung kann ebenfalls innerhalb des Mantelrohrs angeordnet sein.
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Das Mantelrohr kann beispielsweise aus Halbschalen bestehen. Vorzugsweise besteht das Mantelrohr aus Isoliermaterial. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Rohrwicklungen nicht miteinander verbunden sind, kann das Mantelrohr die zwischen den Rohrwicklungen durchdringende Strahlung reflektieren bzw. absorbieren, so dass die Strahlung den Rohrwicklungen zurückgeführt wird bzw. von dem Mantelrohr aufgenommen wird, wodurch es zu einer Erwärmung des gesamten Hohlraums kommt.
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An dem zweiten Ende des Hohlraums kann der Hohlraum mittels einer Platte verschlossen sein, wobei die Zu- und die Ableitung vorzugsweise die Platte durchdringen. Dadurch werden Wärmeverluste an der von der Eintrittsöffnung abgewandten Seite des Hohlraums vermieden. Mittels der Platte kann Solarstrahlung, die bis an das zweite Ende des Hohlraums gelangt, von der Platte reflektiert oder absorbiert werden. Dadurch können hinter dem Hohlraum angeordnete Teile des Receivers vor der Solarstrahlung geschützt werden.
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Die erfindungsgemäße Solarenergiegewinnungsanlage weist einen erfindungsgemäßen Receiver sowie eine Solarstrahlungskonzentrationsvorrichtung auf, über die die Solarstrahlung konzentrierbar und durch die Eintrittsöffnung in den Hohlraum leitbar ist.
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Die Solarstrahlungskonzentrationsvorrichtung kann beispielsweise eine Vielzahl von Heliostaten aufweisen.
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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 Ansicht einer erfindungsgemäßen Solarenergiegewinnungsanlage und
- 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts des erfindungsgemäßen Receivers.
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In 1 ist eine Solarenergiegewinnungsanlage 100 schematisch dargestellt. Sonnenlicht wird über einen Heliostaten 110 einer Solarstrahlungskonzentrationsvorrichtung 120 auf einen erfindungsgemäßen Receiver 1 reflektiert. Durch den Receiver 1 wird ein Wärmeträgermedium geleitet. Das Wärmeträgermedium kann in flüssigem Zustand oder bereits dampfförmig in den Receiver 1 eingeleitet werden, so dass entweder eine Erwärmung des flüssigen Wärmeträgermediums oder eine Direktverdampfung in dem Receiver 1 erfolgt bzw. der Wärmeträgermediumdampf überhitzt wird. Das Wärmeträgermedium kann beispielsweise Wasser sein. Die Erhitzung des Wärmeträgermediums erfolgt mittels über den Heliostaten 110 konzentrierte Solarstrahlung. Über einen Leitungsbereich 160 wird der flüssige Wärmeträger oder der Dampf einem Verbraucher zugeführt. Der Verbraucher kann beispielsweise eine Dampfturbine 150 sein, der ein Kondensator 170 nachgeschaltet ist, so dass der Receiver 1 Teil eines Wasserdampf-Kreislaufs ist. Auch ist es möglich, dass mittels des Receivers 1 erhitzter Dampf zum Betrieb einer Hochtemperatur-Elektrolyse bereitgestellt wird. Das Wärmeträgermedium kann auch Schwefelsäure als Energieträger zur Erzeugung von Wasserstoff sein.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer Receiver 1 für eine Solarenergiegewinnungsanlage 100 (wie sie in 1 dargestellt ist) im schematischen Längsschnitt gezeigt. Der Receiver 1 bildet einen Hohlraum 3 mit einer Mittellängsachse 4. Die Mittellängsachse 4 erstreckt sich in einer horizontalen Richtung oder in einem Winkel von maximal 45° zu der Horizontalen. Der Hohlraum 3 weist eine Eintrittsöffnung 5 auf, durch die konzentrierte Solarstrahlung, die durch Pfeile angedeutet ist, in den Hohlraum 3 eingeleitet wird. Die Eintrittsöffnung 5 ist von einer Blende 6 umgeben, die verstellbar ist. Dadurch kann die Größe der Eintrittsöffnung 5 variiert werden und der Receiver 1 kann an ein Strahlungsprofil oder einen Öffnungswinkel der konzentrierten Strahlen angepasst werden. Die Eintrittsöffnung 5 ist somit lediglich so groß wie für die konzentrierte Solarstrahlung notwendig und die die Eintrittsöffnung 5 umgebenden Wandbereiche 6a verringern die Abstrahlungsverluste auf ein Minimum.
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Der Hohlraum 3 ist von Rohrleitungen umgeben, die durch ein einziges durchgehendes Rohr 7 gebildet sind. Dazu bildet das Rohr 7 Rohrwicklungen 7a, die den Hohlraum 3 umgeben. Der Hohlraum 3 verjüngt sich von einem ersten Ende 3a, das der Eintrittsöffnung 5 hin zugewandt ist, zu einem zweiten Ende 3b. Dies erfolgt durch die Rohrwicklungen 7a, die in dieser Richtung enger werden. Die Rohrwicklungen 7a bilden eine Konusform, so dass der Hohlraum 3 ebenfalls konusförmig ist. Dadurch wird in vorteilhafterer Weise erreicht, dass die in den Hohlraum 3 eingeleitete konzentrierte Solarstrahlung in großem Maße in dem Hohlraum 3 verbleibt und in diesem von den Rohrwicklungen 7a absorbiert wird.
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Eine erste Rohrwicklung 7b, die an dem der Eintrittsöffnung zugewandten ersten Ende 3a des Hohlraums 3 angeordnet ist, ist mit einer Zuleitung 9 verbunden. Eine letzte Rohrwicklung 7c, die an dem zweiten Ende 3b des Hohlraums angeordnet ist, ist mit einer Ableitung 11 verbunden. Das durch das Rohr 7 geleitete Wärmeträgermedium durchfließt die Rohrwicklungen 7a, 7b, 7c somit in einer Richtung von der Eintrittsöffnung 5 weg. Dies hat den Vorteil, dass das Wärmeträgermedium in dem Bereich mit dem höchsten Wärmeeintrag durch die konzentrierte Solarstrahlung den Rohrwicklungen 7a, 7b, 7c zugeführt wird.
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Die Zuleitung 9 kann auf der von dem Hohlraum 3 abgewandten Seite an den Rohrwicklungen 7a, 7b, 7c entlanggeführt werden. Dadurch wird die Zuleitung 9 an dem sogenannten heißen Ende des Receivers 1, das sich an dem zweiten Ende 3b des Hohlraums befindet, vorbeigeleitet, so dass eine Vorwärmung des durch die Zuleitung 9 geleiteten Wärmeträgermediums erfolgt.
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Ferner sind die Zuleitung 9 und Ableitung 11 beide an einem Ende des Receivers 1 angeordnet, so dass diese gut zugänglich sind.
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Benachbarte Rohrwicklungen können miteinander verbunden sein, so dass der Hohlraum 3 vollständig durch die Rohrwicklungen 7a, 7b, 7c an der Seite verschlossen ist. Dadurch werden Strahlungsverluste vermieden.
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Nach einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rohrwicklungen durch ein gemeinsames Mantelrohr umgeben, so dass Wärmeverluste, die durch Wärmeenergie, die aus dem Hohlraum 3 nach außen gelangen könnte, entstehen, durch das Mantelrohr vermieden werden. Das Mantelrohr ist bei Ausgestaltungen des Receivers 1, bei denen benachbarte Rohrwicklungen 7a miteinander verbunden sind, und auch bei Receivern, bei denen benachbarte Rohrwicklungen 7a nicht miteinander verbunden sind, verwirklichbar.
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Die Ausgestaltung der Rohrleitungen durch ein einziges Rohr 7, das Rohrwicklungen 7a, 7b, 7c bildet, werden niedrige Herstellungskosten verwirklichbar, da aufwändige Armaturen für die Anschlüsse von mehreren Rohren vermieden werden. Bei dem erfindungsgemäßen Receiver 1 werden lediglich zwei Verbindungsstücke für die Zuleitung 9 und die Ableitung 11 benötigt. Durch die konische Form des Hohlraums 3 können Mehrfach-Reflektionen der konzentrierten Strahlung in besonders vorteilhafter Weise hervorgerufen werden und zu der Ableitung 11 hin wird ein homogener Temperaturanstieg in dem Receiver 1 erzielt. Der erfindungsgemäße Receiver 1 inklusive der Blende 5 ermöglicht verschiedene Strahlungsprofile, fast nahezu ohne Abstrahlungsverluste und Reflektionsverluste aufzunehmen.
