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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solarreceiver mit einem Receiverraum, durch den ein partikelförmigen Wärmeträger oder partikelförmiger Reaktionsstoff leitbar ist. Durch eine Öffnung in dem Receiverraum wird fokussierte Solarstrahlung in den Receiverraum geleitet, um den partikelförmigen Wärmeträger zu erwärmen. Über den Wärmeträger kann die Wärme zu einem Verbraucher geleitet werden. Anstelle des partikelförmigen Wärmeträgers kann auch ein partikelförmiger Reaktionsstoff in den Receiverraum geleitet werden, der durch die Wärmeeinleitung mittels der fokussierten Solarstrahlung eine chemische Reaktion durchführt.
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Bei derartigen Receiverräumen, die auch Kavität genannt werden, wird die Öffnung häufig mit einer für Solarstrahlung transparenten Scheibe verschlossen. Dadurch wird gewährleistet, dass die fokussierte Solarstrahlung weiterhin in den Receiverraum gelangen kann, jedoch Wärmeverluste durch die Öffnung reduziert werden. Ferner kann durch den Verschluss der Öffnung gewünschte Druckverhältnisse, wie beispielsweise ein Überdruck oder ein Unterdruck, in dem Reaktorraum erzeugt werden. Auch kann der Receiverraum gegenüber dem Eindringen von Umgebungsluft abgedichtet sein, so dass diese beispielsweise die chemische Reaktion eines Reaktionsstoffes nicht beeinflusst wird.
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Die Scheibe verhindert darüber hinaus, dass bei chemischen Reaktionen in dem Receiverraum Edukte oder Produkte nicht nach außen gelangen können und somit nicht verloren gehen.
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Die transparente Scheibe zum Verschließen der Öffnung hat jedoch den Nachteil, dass der partikelförmige Wärmeträger oder Reaktionsstoff, insbesondere wenn dieser sehr fein ist, beispielsweise pulverförmig, sich an der Innenseite der transparenten Scheibe anlagern kann.
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Dies reduziert zum einen die Transmissivität der transparenten Scheibe für die fokussierte Solarstrahlung und führt darüber hinaus dazu, dass sich die an der transparenten Scheibe anhaftenden Partikel im besonders hohen Maße erwärmen und durch den Kontakt mit der Scheibe diese beschädigen können, indem beispielsweise die Festigkeit der Scheibe reduziert wird, thermische Spannungen in der Scheibe auftreten oder sich die Scheibe verformt oder schmilzt.
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Zum Verhindern des Anlagerns von Partikeln an der Scheibe wurden erste Versuche durchgeführt, auf der Innenseite der Scheibe einen flachen Gasstrom in dem Receiverraum einzudüsen, so dass dieser eine Art Gasvorhang vor der Scheibe bildet, und somit der Kontakt der Partikel mit der Scheibe verhindert wird. Alternativ besteht die Möglichkeit, Gas derart in den Receiverraum einzudüsen, dass Wirbel gebildet werden, die den partikelförmigen Wärmeträger von der Scheibe fernhalten. Schließlich sind noch Ansätze bekannt, bei denen Gas in den Receiverraum in Richtung der Scheibe eingedüst wird, so dass dieses als eine Art Spülgas anhaftende Partikel von der Scheibe löst.
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Bei den vorbekannten Varianten besteht jedoch der Nachteil, dass stets Gas verwendet werden muss, um die Partikel von der Scheibe zu lösen oder von dieser fernzuhalten. Insbesondere bei der Verwendung von einem Reaktionsstoff, der eine chemische Reaktion in dem Receiverraum durchführen soll, ist es dabei notwendig, ein Inertgas für die chemische Reaktion zu verwenden. Das Gas muss nach der Verwendung häufig aufwendig gereinigt werden, was viel Energie benötigt und somit den Gesamtwirkungsgrad des Prozesses verringert. Darüber hinaus verhindert der Einsatz von Gas, dass in dem Receiverraum ein Vakuum erzeugt werden kann, was bei einigen chemischen Reaktionen von Vorteil ist.
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Aus
DE 10 2014 106 320 A1 ist ein Solarreceiver mit einem durch ein Drehrohr gebildeten Receiverraum, an dessen Innenwandung ein Wärmeträgermedium-Film ausgebildet wird, wobei die Ausbildung des Wärmeträgermedium-Films durch elektrostatische Kräfte erfolgen kann, bekannt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Solarreceiver der eingangsgenannten Art sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Receivers zu schaffen, bei dem das Anhaften von partikelförmigen Wärmeträger oder Reaktionsstoff an einer die Öffnung des Receiverraums verschließenden Scheibe verringert wird, wobei gleichzeitig der Einsatz von Gas verringert oder vermieden wird.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 10.
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Der erfindungsgemäße Solarreceiver weist einen Receiverraum auf, wobei ein partikelförmiger Wärmeträger oder partikelförmiger Reaktionsstoff durch den Receiverraum leitbar ist. Der Receiverraum weist ferner eine Öffnung zum Eintritt von fokussierter Solarstrahlung auf, wobei eine für Solarstrahlung transparente Scheibe die Öffnung verschließt. In dem Receiverraum wird der partikelförmige Wärmeträger erwärmt, so dass dieser einen Verbraucher zugeleitet werden kann oder der Receiverraum dient als Reaktionsraum, so dass ein partikelförmiger Reaktionsstoff, der durch den Receiverraum geleitet wird, durch die fokussierte Solarstrahlung erwärmt und somit zu einer chemischen Reaktion angeregt wird. Der erfindungsgemäße solarbeheizte Receiver ist gekennzeichnet durch eine erste elektrostatische Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung der transparenten Scheibe und/oder eine zweite elektrostatische Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung des partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffes, wobei die elektrostatischen Ladungen der Scheibe und des partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffes das gleiche Vorzeichen besitzen.
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Die Erfindung sieht somit vor, dass durch die erste und/oder zweite elektrostatische Aufladungsvorrichtung die transparente Scheibe und der partikelförmige Wärmeträger bzw. der partikelförmige Reaktionsstoff die gleiche elektrostatische Ladung besitzen und sich somit gegenseitig abstoßen. Dadurch wird ein Anhaften des partikelförmigen Wärmeträgers bzw. des partikelförmigen Reaktionsstoffes an der transparenten Scheibe verhindert. Bei der Verwendung von Solarreceivern mit einem Receiverraum, durch den Wärmeträgerpartikel oder Reaktionsstoffpartikel geleitet werden, werden die Partikel bereits häufig elektrostatisch aufgeladen, da sie sich bewegen und gegeneinander oder an ihrer Umgebung entlang reiben. Bei einer elektrostatisch nicht geladenen Scheibe führt dies häufig dazu, dass die Partikel anhaften. Wird nun mittels der ersten elektrostatischen Aufladungsvorrichtung die transparente Scheibe derart aufgeladen, dass sie die gleiche elektrostatische Ladung wie die Partikel besitzen, wird erreicht, dass die Partikel und die Scheibe sich gegenseitig abstoßen, so dass es nicht zu einem Anhaften der Partikel kommt. Sofern die Partikel aufgrund ihrer Bewegung nicht bereits eine elektrische Aufladung erhalten oder die darauf resultierende elektrostatische Aufladung zu gering ist, besteht auch die Möglichkeit, mittels einer zweiten elektrostatischen Aufladungsvorrichtung die zur Verhinderung der Anhaftung einer Scheibe notwendige elektrostatische Aufladung der Partikel zu erreichen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Receiverraum zumindest teilweise durch ein Drehrohr gebildet ist. Mittels eines Drehrohrs lässt sich in vorteilhafter Weise erreichen, dass die Wärmeträgerpartikel oder die Reaktionsstoffpartikel in ausreichendem Maße durchmischt werden, so dass eine gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die transparente Scheibe gegenüber dem Drehrohr stationär ist. Dies hat den Vorteil, dass im Bereich der Scheibe, in dem die höchsten Temperaturen in dem Receiverraum herrschen, keine bewegten Teile vorhanden sind. Darüber hinaus kann in diesem Bereich in vorteilhafter Weise eine Ableitung der Wärmeträger- oder Reaktionsstoffpartikel erfolgen oder der daraus entstehenden Produkte erfolgen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die transparente Scheibe eine elektrisch leitende, für Solarstrahlung transparente Beschichtung auf der dem Receiverraum zugewandten Seite aufweist, vorzugsweise eine ITO-Schicht. Die elektrostatische Aufladungsvorrichtung weist somit für die elektrostatische Aufladung der Scheibe eine derartige elektrisch leitende Beschichtung auf. Mittels einer derartigen Schicht lässt sich in vorteilhafter Weise durch das Anlegen einer elektrischen Spannung mit einer gewünschten elektrostatischen Aufladung der Scheibe hervorgerufen.
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Unter „transparent“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Scheibe oder die Beschichtung einen hemisphärischen solaren (AM 1,5) Transparenzgrad von mindestens 85 % aufweisen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die transparente Scheibe ein elektrisch leitendes Gitter auf der dem Receiverraum zugewandten Seite aufweist. Mittels eines derartigen Gitters kann die erste elektrostatische Aufladungsvorrichtung auch eine elektrostatische Aufladung der transparenten Scheibe durch das Anlegen einer entsprechenden Spannung erreichen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die transparente Scheibe zu mindestens teilweise aus Quarzglas besteht. Quarzglas ist einerseits von einer hohen Festigkeit und Temperaturbeständigkeit und besitzt darüber hinaus einen hohen elektrischen Widerstand, so dass es sich besonders gut eignet, um elektrostatisch aufgeladen zu werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass an der Öffnung des Receiverraums ein trichterförmiger Endkonzentrator angeordnet ist. Dadurch können die Größe der Öffnung minimiert werden, da auf den Endkonzentrator auftreffende Strahlung in die Öffnung geleitet wird. Ferner kann mittels des Endkonzentrators das Bestrahlungsstärkeprofil in der Kammer reguliert werden, indem die Form und die Größe des Endkonzentrators vergrößert wird.
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Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise vorsehen, dass die zweite elektrostatische Aufladungsvorrichtung elektrisch leitende Plattenabschnitte aufweist, die zumindest teilweise Wandabschnitte des Receiverraums bilden, wobei die über die elektrisch leitenden Plattenabschnitte ein elektrisches Feld im Receiverraum zur elektrisch statischen Aufladung des partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffes erzeugt wird. Eine derartige Ausgestaltung der zweiten elektrostatischen Aufladungsvorrichtung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da auf einfache Art und Weise die elektrostatische Aufladung der Partikel erreicht werden kann. Die zweite elektrostatische Aufladungsvorrichtung kann auch elektrisch leitende Gitter aufweisen, die beispielsweise an der den Receiverraum zugewandten Seite von Wandungen des Receiverraums angeordnet sind und über die das elektrische Feld im Receiverraum erzeugt wird.
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Die Erfindung kann auch eine Spülvorrichtung mit mindestens einem auf die dem Receiverraum zugewandten Seite der Scheibe gerichteten Spüglasauslass vorsehen. Mittels des Spülgases kann in vorteilhafter Weise der partikelförmige Wärmeträger oder Reaktionsstoff abtransportiert werden. Dabei sorgt die durch die elektrostatische Ladung hervorgerufene Abstoßung zwischen den Partikeln und der Scheibe, dass diese nicht anhaften, so dass der Abtransport durch das Spülgas in vorteilhafter Weise erfolgen kann. Dadurch kann die benötigte Menge an Spülgas gering gehalten werden.
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Die Erfindung bietet den besonderen Vorteil, dass die Scheibe gleichmäßig von Partikeln freigehalten werden kann. Auch besteht die Möglichkeit in vorteilhafter Weise eine gebogene Scheibe zu verwenden. Der Einsatz von Spülgas kann reduziert oder ganz vermieden werden.
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Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Solarreceivers mit einem Receiverraum und mit einer durch eine für Solarstrahlung transparente Scheibe verschlossene Öffnung des Receiverraums vor. Das Verfahren erfolgt mit folgenden Schritten:
- - Fokussieren von Solarstrahlung auf die Öffnung, so dass fokussierte Solarstrahlung in den Receiverraum gelangt
- - Leiten eines partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffs in den Receiverraum, wobei der partikelförmige Wärmeträger oder Reaktionsstoff der fokussierten Solarstrahlung ausgesetzt wird,
- - Aufladen der Scheibe und des partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffs mit einer elektrostatischen Ladung gleichen Vorzeichens.
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Die Schritte erfolgen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weitestgehend gleichzeitig. Durch das Aufladen der Scheibe und des partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffs mit einer elektrostatischen Ladung gleichen Vorzeichens wird erreicht, dass die Partikel nicht an der Scheibe anhaften können, sondern von dieser abgestoßen werden. Das Aufladen des partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffs kann dabei entweder durch das erzeugen von Bewegung in den Partikeln erfolgen, so dass diese aufgrund von Reibung mit der Umgebung oder aneinander eine entsprechende elektrostatische Aufladung erhalten oder durch eine separate elektrostatische Aufladungsvorrichtung. In dem Receiverraum wird der partikelförmige Wärmeträger oder Reaktionsstoff durch fokussierte Solarstrahlung erwärmt. Anschließend wird er aus dem Receiverraum geleitet. Dabei kann vorgesehen sein, dass der partikelförmige Wärmeträger oder Reaktionsstoff kontinuierlich durch den Receiverraum geleitet wird. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass der Receiverraum chargenweise beladen und nach der Erwärmung entladen wird.
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Das erfindungsmäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise mit dem erfindungsgemäßen Receiver durchgeführt werden.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Solarreceivers in Form eines Drehrohres und
- 2 eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines Receiverraums und der Scheibe des erfindungsgemäßen Solarreceivers.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Solarreceiver 1 schematisch dargestellt. Der Solarreceiver 1 weist einen Receiverraum 3 auf, der in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Drehrohr 5 gebildet ist. Der Solarreceiver 1 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels ist als Reaktor ausgebildet. Durch einen Einlass 7 des Receiverraums 3 wird ein partikelförmiger Reaktionsstoff in den Receiverraum 3, der als Reaktionsraum dient, eingeleitet. Der Flussweg des partikelförmigen Reaktionsstoffs ist durch entsprechende Pfeile dargestellt. An dem von dem Einlass 7 entgegengesetzten Ende des Reaktionsraums 3 weist der Reaktionsraum 3 eine Öffnung 9 auf, die durch eine Scheibe 11 verschlossen ist. Die Scheibe 11 befindet sich in einem feststehenden Teil 13 des erfindungsgemäßen Receivers 1. Solarstrahlung, die durch die entsprechende Pfeile dargestellt ist, wird auf die Öffnung 9 fokussiert und transmittiert durch die transparente Scheibe 11 in den Receiverraum 3. Zur verbesserten Einleitung der Solarstrahlung in den Receiverraum 3 ist um die Öffnung 9 ein trichterförmiger Endkonzentrator 15 angeordnet.
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Der Reaktionsstoff wird in dem Receiverraum 3 durch die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt und unterläuft einer chemischen Reaktion.
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Beispielsweise kann in dem erfindungsgemäßen Solarreceiver 1 eine sogenannte solare Kalzinierung realisiert werden. Ein derartiger Prozess wird beispielsweise bei der Zementherstellung angewendet. Hierbei wird als Reaktionsstoff Zementrohrmehl, das hauptsächlich aus CaCO3 besteht, verwendet. In dem Receiverraum 3 wird dieses Pulver bei ca. 900°C kalziniert. Dabei bilden sind hauptsächlich CaO und CO2. Durch einen ersten Auslass 17, der am unteren Ende des feststehenden Teils 13 des Receivers 1 angeordnet ist, wird das Produkt CaO in Pulverform abgeführt. Durch einen zweiten Auslass 19 am oberen Ende des feststehenden Teils 13 wird das gasförmige CO2 abgeführt.
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Bei der Verwendung von pulverförmigen Reaktionsstoff oder aber auch einem partikelförmigen Wärmeträger besteht das Problem, dass dieser an der transparenten Scheibe 11 anhaften können und diese verschmutzen. Daher sieht die Erfindung vor, dass der partikelförmige Wärmeträger oder Reaktionsstoff und die transparente Scheibe 11 mit einer elektrostatischen Ladung gleichen Vorzeichens aufgeladen werden, so dass diese sich von einander abstoßen.
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In 2 ist das erfindungsgemäße Prinzip schematisch dargestellt.
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Partikel 100 eines partikelförmigen Wärmeträgers oder Reaktionsstoffs werden durch den Receiverraum 3 des erfindungsgemäßen Solarreceivers 1 geleitet. Bei dem in 2 dargestellten Schema fallen diese von oben durch den Receiverraum 3 nach unten. An der Scheibe 11 ist eine erste elektrostatische Aufladungsvorrichtung 21 angeordnet, die die transparente Scheibe 11 elektrostatisch aufladen kann. Die konzentrierte Solarstrahlung, die in 2 durch die Pfeile dargestellt ist, trifft auf die transparente Scheibe 11 und gelangt in den Receiverraum 3, um die Partikel 100 zu erwärmen. Ferner weist der Receiver 1 eine zweite elektrostatische Aufladungsvorrichtung 23, die elektrisch leitende Plattenabschnitte 25 aufweist. Diese bilden zumindest teilweise Wandabschnitte des Receiverraums 3. Die elektrisch leitenden Plattenabschnitte 25 können mit einer elektrischen Spannung versehen werden, so dass in dem Receiverraum 3 ein elektrisches Feld erzeugt wird. Alternativ können auch elektrisch leitende Gitter an Wandungen des Receiverraums angeordnet sein, über die das elektrische Feld erzeugt wird. Die Partikel 100 werden über das elektrische Feld elektrostatisch aufgeladen. Wie in 2 dargestellt ist, weisen dabei die elektrostatischen Ladungen der Partikel 100 und der Scheibe 11 der gleiche Vorzeichen auf und stoßen sich somit ab. Dadurch wird verhindert, dass sich die Partikel 100 an der in dem Receiverraum 3 zugewandten Seite der Scheibe 11 anhaften können.
