-
Die Erfindung betrifft ein Absorbermodul für einen Receiver einer Solarenergiegewinnungsanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und einen Receiver mit mindestens einem derartigen Absorbermodul.
-
Aus der Praxis ist ein Receiver mit Absorbermodulen bekannt, der eine die Absorbermodule aufnehmende Tragstruktur umfasst. Die bekannten Absorbermodule umfassen jeweils einen Absorberkopf mit einem Einströmabschnitt und einem Ausströmabschnitt und ein von dem Absorberkopf aufgenommenes Absorberelement. Der Einströmabschnitt des Absorberkopfs geht in den Ausströmabschnitt über, an welchen sich ein Heißluftkanal anschließt. An einer Innenseite des Heißluftkanals ist eine Wärmeisolierung angeordnet.
-
Ein derartiger Receiver eignet sich für Energiegewinnungsanlagen, bei denen beispielsweise zahlreiche Heliostate auf einem Feld verteilt angeordnet sind, welche Solarstrahlung auf den Receiver reflektieren. Hierdurch entsteht an dem Receiver eine hohe Strahlungskonzentration, so dass an den Absorberelementen der Absorbermodule Temperaturen von bis zu 1100 °C entstehen.
-
Durch die Absorberelemente hindurch wird Prozessluft angesaugt, die sich beim Durchströmen des Absorberelements zu Heißluft erhitzt. Durch die an die Absorbermodule anschließenden Heißluftkanäle wird die erzeugte Heißluft einem Verbraucher zum Betrieb einer Arbeitsmaschine, wie beispielsweise einer Turbine für Stromgeneratoren zugeführt. Der Verbraucher entzieht der Heißluft einen Großteil der Wärme und gibt anschließend abgekühlte Prozessluft ab. Die abgekühlte Prozessluft beinhaltet jedoch noch Restwärme.
-
Zur Nutzung dieser Restwärme wird die Prozessluft als Rückführluft zu dem Receiver zurückgeführt und entlang Außenwänden der Heißluftkanäle und der Absorbermodule zu den Vorderseiten der Absorbermodule geleitet, um die Heißluftkanäle zu kühlen. An den Vorderseiten der Absorbermodule vermischt sich die Rückführluft mit Umgebungsluft und wird anschließend zusammen mit dieser erneut von den Absorbermodulen angesaugt. Hierdurch kann ein Teil der in der Rückführluft beinhalteten Restwärme zurückgewonnen werden.
-
Die in den Absorbermodulen und den Heißluftkanälen strömende Heißluft und die entlang der Außenwände derselben strömende Rückführluft weisen einen erheblichen Temperaturunterschied (ca. 500 °C) auf. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Receiver sind die Rückführluft und die Heißluft im Bereich des Absorbermoduls lediglich durch eine dünne Wand und im Bereich des Heißluftkanals durch einen dünne Wand und eine Wärmeisolierung getrennt. Infolge des erheblichen Temperaturunterschieds der Heißluft und der Rückführluft kommt es daher zu einem Wärmetransport zwischen den beiden Luftströmen.
-
Somit steigt die Temperatur der an der Vorderseite der Absorbermodule ausgestoßenen Rückführluft. Da jedoch anschließend nur ein Teil der Rückführluft wieder von den Absorbermodulen eingesaugt wird, steigt der Energieverlust aufgrund der nicht rezirkulierten Rückführluft.
-
Ferner muss die beim Durchströmen der Absorberelemente erzeugte Heißluft aufgrund des Temperaturverlusts der Heißluft bei Durchströmen der Absorbermodule auf eine höhere Ausgangstemperatur erhitzt werden, wodurch wiederum Abstrahlungs- und Konvektionsverluste des Absorbermoduls zunehmen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Absorbermodul für einen Receiver mit einer geringeren Verlustleistung bzw. einem erhöhten Wirkungsgrad und einen Receiver mit mindestens einem derartigen Absorbermodul bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe ist durch das Absorbermodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und den Receiver mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
-
Die Erfindung hat also ein Absorbermodul für einen Receiver einer Solargewinnungsanlage, insbesondere eines solarthermischen Kraftwerks zum Gegenstand, umfassend einen Absorberkopf mit einem Einströmabschnitt und einem Ausströmabschnitt und ein Absorberelement, wobei das Absorberelement von dem Absorberkopf aufgenommen ist. Der Einströmabschnitt des Absorberkopfs geht in den Ausströmabschnitt desselben über. Der Absorberkopf ist zumindest teilweise doppelwandig und umfasst eine Innenwand und eine Außenwand, die einen Hohlraum einschließen.
-
Aufgrund der Doppelwandigkeit des Absorberkopfs des erfindungsgemäßen Absorbermoduls ist eine Wärmeisolierung zwischen der Prozessluft, welche durch Durchströmen des Absorberelements erhitzt wird und das Absorbermodul durchströmt, und der Rückführluft optimiert, wobei die Rückführluft entlang der Außenseite desselben zu einer Vorderseite des Absorbermoduls geleitet wird. Dies reduziert eine Verlustleistung aufgrund einer verringerten Wärmeübertragung zwischen der Heißluft bzw. erhitzten Prozessluft und der Rückführluft und erhöht den Wirkungsgrad des Absorbermoduls. Ferner ist keine zusätzliche Wärmeisolierhülse erforderlich, so dass in dem Absorbermodul im Vergleich zu bekannten Absorbermodulen weniger Strömungsstörstellen vorhanden sind, die zu ungewollten Druckverlusten führen.
-
Da die Heißluft beim Durchströmen des Absorbermoduls infolge der Doppelwandigkeit des Absorberkopfs einen vergleichsweise geringen Wärmeverlust von dem Einströmabschnitt bis zu dem Ausströmabschnitt hat, kann ferner eine Ausgangstemperatur reduziert werden, auf welche die Luft beim Durchströmen des Absorberelements zu erhitzen ist. Dies verringert Abstrahlungs- und Konvektionsverluste des Absorbermoduls.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Absorbermoduls nach der Erfindung ist der zwischen der Innenwand und der Außenwand des Absorberkopfs ausgebildete Hohlraum mit einem Wärmeleitung begrenzenden Gas befüllt oder evakuiert. Hierdurch wird die Wärmeisolation des Hohlraums verbessert. Dies verringert den Wärmeverlust der in dem Absorbermodul strömenden Heißluft an die Rückführluft, welche das Absorbermodul außenseitig umströmt. Somit ist die Verlustleistung reduziert und der Wirkungsgrad weiter erhöht.
-
Auch kann in dem Hohlraum ein Dämmstoff angeordnet sein, der insbesondere faser- oder pulverförmig ist. Der Dämmstoff kann in den Hohlraum eingefüllt oder in diesem eingepresst sein, wodurch eine Wärmeisolation des Hohlraums weiter erhöht und der Wirkungsgrad des Absorbermoduls weiter verbessert ist.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Absorbermoduls nach der Erfindung ist/sind eine Außenfläche der Innenwand, eine Innenfläche der Außenwand oder die Außenfläche der Innenwand und die Innenfläche der Außenwand mit einer wärmereflektierenden Beschichtung versehen. Hierdurch wird die Wärmeisolation der Doppelwandung des Absorbermoduls weiter verbessert und der Wärmeverlust der in dem Absorbermodul strömenden Heißluft an die das Absorbermodul außenseitig umströmende Rückführluft ist verringert.
-
Der Hohlraum des Absorbermoduls nach der Erfindung kann ganz oder teilweise durch eine Rückwand verschlossen sein. Die Rückwand, die einstückig ist oder aus mehreren Teilen besteht, kann fest an die Innenwand und die Außenwand des Absorberkopfs angebunden oder zumindest teilweise lösbar sein. Somit kann der Hohlraum mit einem wärmeisolierenden Stoff befüllt oder evakuiert werden, wodurch eine Wärmeisolation des Hohlraums weiter verbessert wird.
-
Der Werkstoff, aus dem die Rückwand besteht, kann sich von dem Werkstoff der Innenwand und der Außenwand unterscheiden. Beispielsweise ist die Rückwand aus einem Aluminiumtitanat gefertigt.
-
Die Rückwand, die ringförmig ausgeformt sein kann, ist vorzugsweise in den von der Innenwand und der Außenwand gebildeten Ringraum eingepresst oder durch ein anderes Element des Receivers gehalten.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Absorbermoduls nach der Erfindung verjüngt sich der Einströmabschnitt des Absorberkopfs in Richtung des Ausströmabschnitts desselben konisch. Durch eine derartige Ausgestaltung des Absorberkopfs kann ein Heißluftmassestrom in dem Absorbermodul definiert eingestellt werden. Infolgedessen kann auf zusätzliche Heißluftblenden verzichtet werden, wodurch sich die Anzahl der Bauteile und somit der Montage- und Wartungsaufwand verringert. Ferner werden Störstellen der Heißluftströmung in dem Absorbermodul reduziert, welche einen Druckverlust des Heißluftmassestroms verursachen können.
-
Der Absorberkopf des Absorbermoduls nach der Erfindung ist beispielsweise ein 3D-Druckerzeugnis, insbesondere ein einstückiges 3D-Druckerzeugnis bzw. nach einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Eine derartige Herstellung ermöglicht es, durch Anpassung des Innendurchmessers des Absorberkopfs bzw. des Verlaufs des Innendurchmessers des Absorberkopfs den Heißluftmassestrom derart anzupassen, dass auf Heißluftblenden verzichtet werden kann. Somit besteht das Absorbermodul nur aus wenigen Bauteilen, was wiederum den Montage- und Wartungsaufwand sowie die Anzahl an Störstellen des Heißluftmassestroms in dem Absorbermodul gering hält.
-
Auch kann der Absorberkopf aus einer Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid (Al2O3), Zirconiumdioxid (ZrO2) oder Calciumphosphat (Ca3(PO4)2) gefertigt sein. Der Absorberkopf kann durch ein suspensionsbasiertes additives Verfahren, insbesondere ein Lithographie-gestütztes keramisches Verfahren (LCM, engl. Lithography-based Ceramic Manufacturing) aus einem sinterfähigen Keramikpulver hergestellt sein. Somit hat der Absorberkopf die gleichen Materialeigenschaften wie konventionell gefertigte keramische Bauteile. Jedoch ist die Geometrie aufgrund der additiven Herstellung definiert an jeweilige Anforderungen anpassbar. Ferner hat der aus der Keramik bestehende Absorberkopf eine große Härte, eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit sowie einen hohe Temperaturbeständigkeit.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Receiver für Solargewinnungsanlagen mit mindestens einem Absorbermodul der vorstehend beschriebenen Art.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
-
Ein Ausführungsbeispiel einer Solargewinnungsanlage ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Überblicksdarstellung einer Solargewinnungsanlage;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Receivers der Solargewinnungsanlage nach 1;
- 3 einen Längsschnitt durch ein Absorbermodul des Receivers nach 2; und
- 4 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Absorbermoduls.
-
In 1 ist eine Solarenergiegewinnungsanlage 100 dargestellt, die ein Heliostatfeld 120 mit Heliostaten 110, einen Receiver 1, einen Wasserdampfkreislauf 150 und Wärmespeicher 160 umfasst.
-
Über die Heliostaten 110 des Heliostatenfelds 120 wird Sonnenlicht auf den Receiver 1 reflektiert. Der Receiver 1 saugt an einer Vorderseite Prozessluft an. Diese wird von Absorbermodulen 10 des Receivers 1 erhitzt und über Heißluftleitungen 130 Verbrauchem, das heißt dem Wasserdampfkreislauf 150 und den Wärmespeichern 160 als Heißluft zugeführt. Abgekühlte Prozessluft, welche noch Restwärme enthält, wird über ein Luftrückführungssystem 170 als Rückführluft dem Receiver 1 zugeführt. Hierbei wird sie vollständig oder teilweise zur Kühlung des Receivers 1 verwendet und abschließend an die Vorderseite des Receivers 1 ausgestoßen, um dort zum Großteil wieder als Prozessluft von den Absorbermodulen 10 des Receivers 1 angesaugt und erhitzt zu werden.
-
Wie in 2 dargestellt, umfasst der Receiver 1 eine Tragstruktur 2, welche die Absorbermodule 10 trägt. An die Absorbermodule 10 schließt sich jeweils ein in der Tragstruktur 2 des Receivers 1 ausgebildeter Heißluftkanal an.
-
In 3 ist ein Absorbermodul 10 des in 2 dargestellten Receivers 1 im Längsschnitt dargestellt. Das Absorbermodul 10 umfasst einen Absorberkopf 12 und ein Absorberelement 16, das von dem Absorberkopf 12 aufgenommen ist. Der Absorberkopf 12 ist einstückig nach einem 3D-Druckverfahren, das heißt nach einem additiven Fertigungsverfahren aus einem keramischen Werkstoff hergestellt und umfasst einen Einströmabschnitt 13 und einen Ausströmabschnitt 14. Der Einströmabschnitt 13 des Absorberkopfs 12 verjüngt sich konisch in Richtung des Ausströmabschnitts 14, so dass das Absorbermodul 10 trichterförmig ist. An einem dem Ausströmabschnitt 14 abgewandten Ende des Einströmabschnitts 13 ist das Absorberelement 16 angeordnet, welches in montiertem Zustand der Solarenergiegewinnungsanlage 100 dem Heliostatenfeld 120 zugewandt ist und an seiner Vorderseite mit Strahlung beaufschlagt wird und sich dadurch erhitzt. Durch das Absorberelement 16 hindurch wird Prozessluft in das Absorbermodul 10, insbesondere in den Einströmabschnitt 13 des Absorberkopfs 12 angesaugt. Beim Durchströmen des Absorberelements 16 wird die Prozessluft zu Heißluft erhitzt.
-
Der Absorberkopf 12 ist in den Bereichen des Einströmabschnitts 13 und des Ausströmabschnitts 14 doppelwandig ausgebildet und umfasst eine Innenwand 10a und eine Außenwand 10b. Die Innenwand 10a ist an dem dem Heißluftkanal zugewandten Ende des Absorbermoduls 10 über eine ringförmige Rückwand 10c mit der Außenwand 10b verbunden, wobei die Innenwand 10a, die Außenwand 10b und die Rückwand 10c gemeinsam einen Hohlraum 18 einschließen. Der Hohlraum 18 dient als Wärmeisolierung, welche einen Wärmeaustausch zwischen der das Absorbermodul 10 durchströmenden Heißluft und der Rückführluft weitgehend verhindert. Die Rückwand 10c, die separat hergestellt ist, ist in den Ringraum zwischen der Innenwand 10a und der Außenwand 10b eingepresst und besteht aus einem anderen Werkstoff als diese. Beispielsweise bestehen die Innenwand 10a und die Außenwand 10b aus einer Aluminiumoxid-Keramik, wohingegen die Rückwand 10c aus einer Aluminiumtitanat-Keramik bestehen kann.
-
Um die Wärmeisolationswirkung des Hohlraums 18 weiter zu verbessern, kann der Hohlraum 18 mit einem eine Wärmeleitung begrenzenden Gas befüllt sein, evakuiert sein und/oder mit einem faser- oder pulverförmiger Dämmstoff befüllt sein. Auch können/kann eine Außenfläche 11a der Innenwand 10a und/oder eine Innenfläche 11b der Außenwand 10b des Absorberkopfs 12 mit einer spiegelnden oder hellen Beschichtung versehen sein.
-
In 4 ist eine alternative Ausführungsform eines Absorbermoduls 10' dargestellt, das weitgehend demjenigen nach 3 entspricht, sich von diesem aber dadurch unterscheidet, dass es keine Rückwand aufweist. Der Hohlraum 18 ist also an der dem Absorberelement 16 abgewandten Stirnseite, d. h. bezogen auf die Strömungsrichtung der Heisluft in dem Absorbermodul 10' ausströmseitig, offen. Im Übrigen entspricht da Absorbermodul 10' demjenigen nach 3.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Receiver
- 2
- Tragstruktur
- 10, 10'
- Absorbermodul
- 10a
- Innenwand
- 10b
- Außenwand
- 10c
- Rückwand
- 11a
- Außenseite der Innenwand
- 11b
- Innenseite der Außenwand
- 12
- Absorberkopf
- 13
- Einströmabschnitt
- 14
- Ausströmabschnitt
- 16
- Absorberelement
- 18
- Hohlraum
- 100
- Solarenergiegewinnungsanlage
- 110
- Heliostat
- 120
- Heliostatfeld
- 130
- Heißluftleitung
- 140
- Dampferzeuger
- 150
- Wärmedampfkreislauf
- 160
- Wärmespeicher
- 170
- Luftrückführsystem
