DE102021117606A1

DE102021117606A1 - Empfängervorrichtung für solarstrahlung mit einem behälter zum aufheizen eines wärmeträgermediums in einem solarthermischen kraftwerk

Info

Publication number: DE102021117606A1
Application number: DE102021117606.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Clar; Jens Rheinländer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2023-01-12
Also published as: WO2023280871A1; EP4367446A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Empfängervorrichtung (110) für Solarstrahlung (112) mit einem Behälter (200) zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums (210) in einem solarthermischen Kraftwerk, mit einem sich in einer Längsrichtung (215) erstreckenden doppelwandigen Gehäuse (220), das einen Innenraum (208) umgibt und das eine Außenwand (206) und eine davon umgebene Innenwand (218) aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von Lagerelementen (10, 11) und Gegenlagerelementen (30, 31) angeordnet ist, wobei miteinander korrespondierende Lagerelemente (10, 11) und/oder Gegenlagerelemente (30, 31) sich in einer radialen Richtung (238) von der Außenwand (206) und/oder der Innenwand (218) weg erstrecken und wobei miteinander korrespondierende Lagerelemente (11) und Gegenlagerelemente (31) in wenigstens der Längsrichtung (215) und wobei miteinander korrespondierende Lagerelemente (10) und Gegenlagerelemente (30) in der Umfangsrichtung (242) entlang wenigstens einer Umfangslinie (244) einseitig aneinander anliegend angeordnet sind. Dabei sind wenigstens zwei Lagerelemente (10, 11) vorgesehen, die an sich gegenüberliegenden Seiten des jeweilig korrespondierenden Gegenlagerelements (30, 31) anliegen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk.
Empfängervorrichtungen für Solarstrahlung nach dem Stand der Technik sind bekannt als solare Partikelempfänger für Solarturmkraftwerke. Solche Empfängervorrichtungen verwenden einen rotierenden hohlzylinderförmigen Behälter, in dem sich an der Innenwand des rotierenden Zylinders ein geschlossener Film keramischer Partikel mit einem Durchmesser von typischerweise 1 mm oder kleiner als Wärmeträgermedium ausbildet. Dieser Partikelfilm wird mittels konzentrierter Solarstrahlung auf über 1000°C erhitzt und anschließend aus dem Zylinder abgeführt. Die in den Partikeln gespeicherte Energie kann in einem isolierten Behälter zwischengespeichert werden und zur Stromerzeugung und/oder in Prozessanwendungen verwendet werden.
Die DE 102014106320 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Solarstrahlungsempfänger, welche einen Behälter umfasst, der eine Außenwand und einen von der Außenwand umgebenen Innenraum umfasst.
Die Vorrichtung umfasst eine Zufuhrvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeträgermediums zu dem Innenraum des Behälters. Der Behälter ist mittels einer Drehantriebsvorrichtung der Solarstrahlungsempfängervorrichtung derart um eine Drehachse drehbar, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenwand des Behälters entlanggeführt wird. Dabei umfasst die Vorrichtung mindestens ein Überlaufelement zur Ausbildung einer rotationssymmetrischen inneren Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige und wartungsfreundliche Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk vorgeschlagen, mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden doppelwandigen Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das eine Außenwand und eine davon umgebene Innenwand aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von Lagerelementen und Gegenlagerelementen angeordnet ist.
Miteinander korrespondierende Lagerelemente und/oder Gegenlagerelemente erstrecken sich in einer radialen Richtung von der Außenwand und/oder der Innenwand weg. Miteinander korrespondierende Lagerelemente und Gegenlagerelemente sind in wenigstens der Längsrichtung und in der Umfangsrichtung entlang wenigstens einer Umfangslinie einseitig aneinander anliegend angeordnet. Dabei sind wenigstens zwei Lagerelemente vorgesehen, die an sich gegenüberliegenden Seiten des jeweilig korrespondierenden Gegenlagerelements anliegen. Alternativ oder zusätzlich sind wenigstens zwei Gegenlagerelemente vorgesehen, die an sich gegenüberliegenden Seiten des jeweilig korrespondierenden Lagerelements anliegen.
Der Behälter der Empfängervorrichtung kann beispielsweise als rotierende Trommel ausgebildet sein, in der sich an der Innenwand des rotierenden Zylinders ein geschlossener Film keramischer Partikel mit einem Durchmesser typischerweise von höchstens 1 mm ausbildet. Dieser Partikelfilm wird mittels konzentrierter Solarstrahlung auf über 1000°C erhitzt und anschließend abgeführt. Es können Temperaturen von beispielsweise 1100°C und mehr auftreten. Die in den Partikeln gespeicherte Energie kann in einem isolierten Behälter zwischengespeichert werden und zur Stromerzeugung und/oder in Prozesswärmeanwendungen verwendet werden. Die Empfängervorrichtung weist einen Eingang zum Zuführen des Wärmeträgermediums zu dem Behälter und einen Ausgang zum Ableiten des Wärmeträgermediums aus dem Behälter auf.
Die rotierende Trommel stellt besondere Anforderungen an den Aufbau und die Lagerung der Bauteile. An der Innenwand, an der die Partikel entlanggeführt sind, weist die typischerweise mit einer Hochtemperaturlegierung ausgeführte Lauffläche für die Partikel eine Temperatur von mindestens 900°C auf.
Dies hat zur Folge, dass diese Metallfläche, auch Inliner genannt, große thermische Dehnungen in axialer und radialer Richtung erfährt. Zwischen der heißen Lauffläche der Innenwand und der Außenwand des Behälters befindet sich üblicherweise eine thermische Isolierung, damit die Energieflüsse zu der Außenwand reduziert werden und auch die Außenwand in der Regel maximal 100°C heiß wird. Somit liegen an der Außenwand geringere thermische Dehnungen vor.
Günstigerweise ist nun ein Teil der Lagerelemente und der korrespondierenden Gegenlagerelemente an der Innenwand, bzw. der Außenwand wechselweise so angeordnet, dass sie als Loslager wirken und in radialer wie axialer Richtung gegeneinander beweglich angeordnet sind und eine Relativbewegung in Umfangsrichtung sperren.
Ein weiterer Teil der Lagerelemente und der korrespondierenden Gegenlagerelemente ist an der Innenwand, bzw. der Außenwand wechselweise so angeordnet, dass sie als weiteres Loslager wirken und in radialer Richtung und in Umfangsrichtung des Behälters gegeneinander beweglich angeordnet sind und eine Relativbewegung in Längsrichtung des Behälters sperren.
Die beiden Loslager wirken senkrecht zueinander. Das Zusammenwirken der beiden Arten von Loslagern, insbesondere am selben Ort, wirkt als Festlager. Dies erlaubt eine relative Bewegung der Lagerelemente und Gegenlagerelemente in radialer Richtung, sperrt jedoch in Umfangsrichtung und in Längsrichtung.
Auf diese Weise ist im Bereich der als Loslager angeordneten Lagerelemente und korrespondierenden Gegenlagerelemente eine Verdrehung der Innenwand um die Längsachse gegen die Außenwand gesperrt.
Eine Festlagerung kann beispielsweise in einem Umfangsbereich des Behälters, beispielsweise näher zu einem Ende des Behälters, vorgesehen sein. Im Bereich der als weiteres Loslager angeordneten Lagerelemente und korrespondierenden Gegenlagerelemente, die mit der ersten Art von Loslager ein Festlager bilden, ist auf einer Umfangslinie eine Relativbewegung der Innenwand gegen die Außenwand in Längsrichtung sowie eine Verdrehung der Innenwand um die Längsachse gegen die Außenwand gesperrt.
Vorteilhaft können so Dehnungsunterschiede zwischen Innenwand und Außenwand durch die Lagerungskonstruktion kompensiert werden. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass die Innenwand dieselbe Rotationsachse aufweist wie die Außenwand und in Längsrichtung nicht durch die Außenwand durchrutscht.
Die Lagerung der Innenwand gegenüber der Außenwand mittels der erfindungsgemäßen Lagerelemente und Gegenlagerelemente stellt eine vergleichsweise kostengünstige Art der Positionierung und Lagerung der beiden Bauteile dar. Eine Fertigung und Montage des Behälters kann dadurch auf günstige Weise erfolgen. Der Aufbau des Behälters wirkt sich auch bezüglich möglicher Wartungsprozesse vorteilhaft aus, da eine Demontage des Behälters wieder auf relativ einfache Art möglich ist.
Die Empfängervorrichtung mit dem Behälter kann vorteilhaft für solare Partikelzentrifugalreceiver für solare Kraftwerke, solare Prozesswärme-Anlagen sowie solarchemische Veränderung von partikelartigen Materialien eingesetzt werden. Auch alternative ähnliche Anwendungen, bei denen ein heißes Innenrohr in einem kalten Außenmantel gehalten werden soll, lassen sich damit auf günstige Art realisieren.
Der Behälter kann vorteilhaft aus Stahl gefertigt sein. Die Innenwand ist dabei günstigerweise auf Grund der hohen Temperaturen des Wärmeträgermediums aus einem hochtemperaturbeständigen Edelstahl oder einer anderen Hochtemperaturlegierung wie beispielsweise Inconel ausgebildet.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Lagerelemente als in radialer Richtung zur Außenwand abstehende Finnen ausgebildet sein, welche in Umfangsrichtung wenigstens eine einem korrespondierenden Gegenlagerelement zugewandte Anlagefläche aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Gegenlagerelemente als in radialer Richtung zur Innenwand abstehende Finnen ausgebildet sein, welche in Umfangsrichtung wenigstens eine dem jeweils korrespondierenden Lagerelement zugewandte Anlagefläche aufweisen.
Eine Loslagerung der Innenwand gegenüber der Außenwand kann dadurch realisiert werden, dass auf der Innenwand einzelne solcher Finnen als Lagerelemente über den Umfang der Innenwand angeordnet werden. Diese Finnen können beispielsweise über die komplette axiale Länge gezogen sein oder über die axiale Länge unterteilt mehrfach einzeln angeordnet sein. Diese Finnen dienen als Gleitfläche in radialer und axialer Richtung. Auf den Gleitflächen können in axialer Richtung wechselseitig Mitnehmer angeordnet sein, welche als Gegenlagerelemente an der Außenwand befestigt sind. In Umfangsrichtung kann eine solche Anordnung ebenfalls wechselseitig erfolgen. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Da die Loslagerung auf diese Weise flächig angeordnet ist, ist deren Funktionalität zur Sperrung einer Verdrehung der Innenwand gegen die Außenwand in Rotationsrichtung automatisch auch im Bereich der Festlagerung gegeben. Folglich ist es ausreichend, wenn an der Festlagerung, d.h. im Bereich von zwei Loslagerungen, von denen das eine in Längsrichtung und das andere in Umfangsrichtung wirkt, eine Bewegung nur noch in Längsrichtung gesperrt wird. Die Realisierung kann so erfolgen, dass über den Umfang der Innenwand beispielsweise ein Steg, wie eine Art Versteifungsring angeordnet wird. Dieser Ring kann auch wieder als mehrere einzelne Finnen, aber diesmal in Umfangsrichtung orientiert ausgeführt sein. Der Ring dient wieder als Gleitfläche, diesmal nur in Umfangsrichtung. Über den Umfang können an diesem Ring wechselseitig Gegenlagerelemente gleitend angeordnet sein, so dass eine axiale Bewegung der Innenwand gegen die Außenwand behindert wird. Die Gegenlagerelemente sind ebenfalls mit der Außenwand verbunden.
Für eine Festlagerung in Längsrichtung kann jedoch auch eine einseitige Anbringung der Gegenlagerelemente in Schwerkraftrichtung genügen. So kann die Konstruktion in dem sogenannten Festlagerbereich entsprechend kompakter ausgeführt sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann zwischen wenigstens einem Lagerelement und dem korrespondierenden Gegenlagerelement ein Gleitelement, insbesondere aus Keramik, angeordnet sein. Insbesondere kann das Gleitelement am Lagerelement angeordnet sein. An den Anlageflächen können so zusätzlich keramische Platten zur Schonung des Materials eingebracht werden.
Damit kann der Abrieb des Materials auf Grund der Bewegung der Lagerelemente und Gegenlagerelemente durch die thermischen Dehnungen signifikant verringert werden. Außerdem lässt sich das Gleitelement bei Bedarf, beispielsweise auf Grund von Abrieb, auch auf einfache Weise austauschen. Das Gleitelement kann darüber hinaus auch zusätzlich als thermische Isolation wirken.
Als Material können für das Gleitelement beispielsweise Keramikplatten beispielsweise aus Al₂O₃, SiC, ZrO₂ eingesetzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann zwischen dem Gleitelement und der Anlagefläche ein Isolierelement zur thermischen Isolierung angeordnet sein. Zwischenschichten als thermische Isolation zwischen dem Gleitelement und den Lagerelementen können den Wärmeübertrag von der Innenwand auf die Außenwand entscheidend verringern. Dadurch ist es möglich, an der Außenwand geforderte niedrigere Temperaturen eingehalten werden. Auch kann so der thermische Verlust der Empfängervorrichtung auf günstige Weise auf ein gefordertes Maß verringert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Gegenlagerelemente einen in radialer Richtung abstehenden Mitnehmer aufweisen, welcher wenigstens eine einem korrespondierenden Lagerelement zugewandte Anlagefläche aufweist. Der Mitnehmer mit seiner Anlagefläche stellt das Wirkelement des Gegenlagerelements für das Zusammenwirken von Lagerelement und Gegenlagerelement zur Einschränkung der Relativbewegung von Innenwand gegen Außenwand dar. Mittels des Mitnehmers liegt das Gegenlagerelement über seine Anlagefläche an dem Lagerelement an.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann auf der Anlagefläche des Mitnehmers ein Gleitelement, insbesondere aus Keramik, angeordnet sein, das dem korrespondierenden Lagerelement, insbesondere dem jeweiligen Gleitelement, zugewandt ist. Damit kann der Abrieb des Materials auf Grund der Bewegung der Lagerelemente und Gegenlagerelemente durch die thermischen Dehnungen signifikant verringert werden. Das Gleitelement kann darüber hinaus auch zusätzlich als thermische Isolation wirken.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann wenigstens eines der Gleitelemente eine dem jeweiligen korrespondierenden Gleitelement zugewandte, in radialer Richtung konkav gekrümmte Oberfläche aufweisen. Die konkav gekrümmte Oberfläche des Gleitelements erleichtert eine Montage des Behälters durch die Selbstzentrierung von Lagerelementen und Gegenlagerelementen auf diese Weise. Außerdem können so Bewegungen der Innenwand gegen die Außenwand auf Grund der thermischen Dehnung, was zu Schrumpfen und Wachsen des Durchmessers der Innenwand führen kann, begünstigt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Gegenlagerelemente zwei Schenkel aufweisen, die insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnet sind, wobei einer der beiden Schenkel eine Verbindungsfläche mit der Außenwand und der andere der beiden Schenkel die Anlagefläche aufweist. Auf diese Weise können die Funktionen der Verbindung des Gegenlagerelements zur Außenwand und der Realisierung des Mitnehmers als eigentlicher Lagerfunktion günstig dargestellt werden. Eine Fertigung des Gegenlagerelements kann so kostengünstig gestaltet werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die zwei Schenkel des Gegenlagerelements durch eine, insbesondere diagonal zwischen Enden der Schenkel angeordnete, Strebe verbunden sein. Die Strebe kann als zusätzliche Versteifung des Gegenlagerelements dienen, um auf diese Weise größere Kräfte zwischen Lagerelement und Gegenlagerelement übertragen zu können.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die zwei Schenkel des Gegenlagerelements als U-Profile ausgebildet sein. Die Ausbildung als U-Profil kann vorteilhaft dazu dienen, um auf diese Weise größere Kräfte zwischen Lagerelement und Gegenlagerelement übertragen zu können. Außerdem lassen sich die Gegenlagerelemente dadurch kostengünstig fertigen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Gleitelemente und/oder das Isolierelement mittels wenigstens eines Befestigungselements, insbesondere einer Befestigungsfeder, mit dem jeweiligen Lagerelement bzw. dem jeweiligen Gegenlagerelement verbunden sein. Gleitelemente und/oder Isolierelemente können so mittels einer Befestigung nach einem Nut/Feder-Konzept zuverlässig und dauerhaft mit dem Lagerelement bzw. Gegenlagerelement verbunden werden. Auch können so Scherkräfte auf Grund der thermischen Dehnungen von Innenwand und Außenwand gegeneinander zweckmäßig aufgefangen werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann entlang der Umfangslinie ein radial zwischen der Außenwand und der Innenwand angeordneter umlaufender Ring ausgebildet sein, welcher wenigstens ein Lagerelement aufweist oder bildet. Insbesondere kann der Ring an der Innenwand angeordnet sein.
Die Realisierung der Festlagerung kann so erfolgen, dass über den Umfang der Innenwand beispielsweise ein Steg, wie eine Art Versteifungsring angeordnet wird. Dieser Ring kann auch als mehrere einzelne Finnen, in Umfangsrichtung orientiert, ausgeführt sein. Der Ring dient als Gleitfläche in Umfangsrichtung. Über den Umfang können an diesem Ring wechselseitig Gegenlagerelemente gleitend angeordnet sein, so dass eine axiale Bewegung der Innenwand gegen die Außenwand behindert wird.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand aus einzelnen, in Umfangsrichtung zusammengefügten Längssegmenten, insbesondere ringförmig in Umfangsrichtung angeordneten und in Längsrichtung gestapelten Längssegmenten ausgebildet sein, wobei die Lagerelemente mit den Längssegmenten einstückig ausgebildet sind. Insbesondere können die Lagerelemente durch Abkanten der Längssegmente entlang von Fügelinien der Längssegmente zueinander ausgebildet sein. Durch die Unterteilung der Innenwand in einzelne Längssegmente können große Dimensionen des Behälters günstig realisiert werden. Besonders die Integration der Lagerelemente in die Längssegmente durch Abkanten der Längssegmente ermöglicht eine kostengünstige Fertigung des Behälters. Außerdem kann so eine feste Verbindung der Lagerelemente zu der Innenwand auf einfache Weise sichergestellt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Längssegmente in Längsrichtung in Axialsegmente unterteilt sein. Die weitere Unterteilung der Längssegmente in Axialsegmente begünstigt die Realisierung großer Dimensionen des Behälters. Eine kostengünstige Fertigung des Behälters kann damit vorteilhaft umgesetzt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Längssegmente und/oder Axialsegmente auf einer radialen Außenseite Versteifungsrippen, insbesondere diagonal verlaufende Versteifungsrippen aufweisen. Mittels der Versteifungsrippen kann die mechanische Stabilität der Innenwand entscheidend erhöht werden. Damit lassen sich große Dimensionen des Behälters bei trotzdem moderater Gewichtszunahme der Empfängervorrichtung vorteilhaft umsetzen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann wenigstens die Außenwand aus ebenen Längssegmenten gebildet sein, welche wenigstens entlang von in Längsrichtung ausgebildeten Fügelinien gefügt sind.
Eine polygonförmige Außengestalt der Außenwand kann sich als besonders günstig erweisen, um ebene Flächen an der Außenseite des Behälters zur Anbindung der Gegenlagerelemente zu haben. Beispielsweise können die Gegenlagerelemente durch eine Art herausnehmbares Fenster montiert werden. Solche Fenster lassen sich jedoch prinzipiell auch in einer zylindrischen Außenwand darstellen.
Vorteil der Konstruktion der Außenwand aus ebenen Längssegmenten ist, dass auf viele einfache Gleichteile zurückgegriffen werden kann. Da die Lagerung gleitend und somit mehrteilig ausgeführt ist, wird die Montage als auch spätere Wartung wesentlich vereinfacht. Weiterhin unterliegen die Bauteile einer wesentlich geringeren Belastung, da durch das Gleiten keine ständigen Verformungen auftreten werden, im Gegensatz zu einer Ausführung mit Doppelfeder. Somit sind auch ohne Probleme große thermische Verformungswege möglich.
Eine polygenförmige Außenwand hat so zum Verteil, dass mechanische Anbindungen auf einfachere Weise möglich sind. Ebenfalls wird dadurch bei großen Behältern ein mehrteiliger Aufbau begünstigt.
Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Empfängervorrichtung eine Aperturöffnung für den Eintritt von Sonnenstrahlung an einem der Enden des Behälters umfassen, wobei der Behälter eine Längsachse aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 90° zur Schwerkraftrichtung orientiert ist. Dabei ist der Behälter in einer bestimmungsgemäßen Drehrichtung mittels einer Drehantriebsvorrichtung derart um eine Drehachse drehbar, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenwand des Behälters entlangführbar ist.
Mittels einer solchen Anordnung kann sich ein Wärmeträgermedium-Film auf der Innenwand des rotierenden Behälters besonders günstig ausbilden, sodass ein möglichst gleichmäßiger Wärmeübertrag von der durch die Aperturöffnung eintretenden Sonnenstrahlung auf das Wärmeträgermedium erreicht werden kann.
Vorteilhaft kann so eine homogene Verteilung des Wärmeträgermediums, welches insbesondere als Partikelstrom ausgebildet sein kann, zu Beginn der Lauffläche des Wärmeträgermediums auf der Innenwand des Behälters erreicht werden. Je homogener der Partikelfilm über die komplette Höhe der Innenwand ist, desto effizienter und gleichmäßiger werden die Partikel durch die solare Einstrahlung erhitzt.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk in einer transparenten Darstellung;
2 eine Innenwand des Behälters mit daran angeordneten Lagerelementen sowie Gegenlagerelementen nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung;
3 einen vergrößerten Ausschnitt einer Innenwand des Behälters mit daran angeordneten Lagerelementen sowie Gegenlagerelementen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung;
4 einen Ausschnitt aus einer Reihe von Lagerelementen und Gegenlagerelementen nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus 3;
5 einen Behälter mit Innenwand und Außenwand nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer angeschnittenen isometrischen Darstellung;
6 einen vergrößerten Ausschnitt des Behälters mit Innenwand und Außenwand nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus 5;
7 einen vergrößerten Ausschnitt einer Innenwand des Behälters mit daran angeordneten Lagerelementen sowie Gegenlagerelementen nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung;
8 einen Ausschnitt aus einer Reihe von Lagerelementen und Gegenlagerelementen nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine vergrößerte Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels mit Sicht auf Gleitelemente;
10 eine vergrößerte Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels mit Sicht auf Gleitelemente und Isolierelemente;
11 eine vergrößerte Darstellung mit Sicht auf eine Befestigungsfeder eines Gleitelements an einem an der Innenwand angeordneten Lagerelement;
12 eine vergrößerte Darstellung mit Sicht auf eine Befestigungsfeder eines Gleitelements an einem Gegenlagerelement;
13 eine als Festlagerung ausgebildete Anordnung von Lagerelementen und Gegenlagerelementen des dritten Ausführungsbeispiels in isometrischer Darstellung;
14 eine Anordnung eines Gegenlagerelements des dritten Ausführungsbeispiels am Außenmantel;
15 ein Gegenlagerelement nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Ansicht mit Sicht auf das Gleitelement;
16 das Gegenlagerelement nach 15 mit Sicht auf die Befestigungsfeder des Gleitelements;
17 das Gegenlagerelement nach 15 ohne das Gleitelement; und
18 einen Behälter mit polygonförmigem Außenmantel nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt eine Empfängervorrichtung 110 für Solarstrahlung mit einem Behälter 200 zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums 210 in einem solarthermischen Kraftwerk in einer transparenten Darstellung.
Die in 1 dargestellte, bekannte Empfängervorrichtung 110 umfasst einen Behälter 200, welcher mittels einer nicht dargestellten Drehantriebsvorrichtung um eine Drehachse 216 drehbar ist, sowie einen Eingang 300 zum Zuführen des Wärmeträgermediums 210 zu einem Innenraum 208 des Behälters 200 und einen Ausgang 400 zum Ableiten des Wärmeträgermediums 210 aus dem Behälter 200, welche beide mit diesem Behälter 200 verbunden sind.
Der Behälter 200 weist eine Längsachse 214 auf, welche parallel oder in einem spitzen Winkel von typischerweise kleiner oder gleich 90° zur Schwerkraftrichtung g, die in der Figur durch einen senkrechten Pfeil symbolisiert ist, orientiert ist.
Der Behälter 200 umfasst insbesondere einen hohlzylindrischen Grundkörper, welcher den von einer Außenwand 206 umgebenen kreiszylinderförmigen Innenraum 208 umfasst. Beabstandet zur Außenwand 206 ist eine Innenwand 218 angeordnet, die den Innenraum 208 umgibt. Der Behälter 200 weist zwischen der außen liegenden Außenwand 206 und der Innenwand 218 eine thermische Isolation auf, damit auf der Außenseite 240 des Behälters 200 Temperaturen von ca. 100° C eingehalten werden können, obwohl eine Temperatur der Innenwand 218 durch das aufgeheizte Wärmeträgermedium 210 bei mindestens 900° C oder höher, beispielsweise 1100°C liegen kann.
Die Empfängervorrichtung 110 weist eine Aperturöffnung 416 für den Eintritt von Sonnenstrahlung 112 am unteren Ende 204 des Behälters 200 auf.
Der Behälter 200 ist in einer bestimmungsgemäßen Drehrichtung 236 mittels einer Drehantriebsvorrichtung derart um eine Drehachse 216 drehbar, dass das Wärmeträgermedium 210 unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films 212 an der Innenwand 218 des Behälters 200 entlanggeführt wird. Das Wärmeträgermedium 210 und der Wärmeträgermedium-Film 212 sind in 1 auf der dem Innenraum 208 zugewandten Seite der Innenwand 218 nur angedeutet.
Die Drehachse 216 schließt mit der Schwerkraftrichtung g einen Winkel 222 ein, der zwischen 0° und 90° liegen kann und typischerweise ungefähr 45° betragen kann, wobei die Längsachse 214 zweckmäßigerweise koaxial zu der Drehachse 216 ausgerichtet ist.
Das bezüglich der Schwerkraftrichtung g untere Ende 204 des Behälters 200 ist offen ausgebildet, so dass die Aperturöffnung 416 des Behälters 200 gebildet ist, durch welche Solarstrahlung 112 in den Innenraum 208 des Behälters 200 eintreten kann.
Zur Aufnahme der mittels der Solarstrahlung 112 übertragenen Wärme wird die Innenwand 218 des Behälters 200 mit einem Wärmeträgermedium 210 versehen, welches über den Eingang 300 durch die Zuführungsöffnung 304 am oberen Ende 202 des Behälters 200 zugeführt wird.
Aufgrund der Rotation des Behälters 200 um die Drehachse 216 breitet sich das Wärmeträgermedium 210 auf der Innenwand 218 aus und bildet hierdurch einen Wärmeträgermedium-Film 212.
Das Wärmeträgermedium 210 wird über den Eingang 300, welcher am oberen Ende 202 des Behälters 200 angeordnet ist, in den Innenraum 208 des Behälters 200 zugeführt.
Das Wärmeträgermedium 210 ist von dem Ende 202, an dem es zugeführt wird, zu einem diesem Ende 202 gegenüberliegenden Ende 204 des Behälters 200, an welchem die Aperturöffnung 416 angeordnet ist, entlang der Innenwand 218 transportierbar, insbesondere förderbar, um einen kontinuierlichen Strom von Wärmeträgermedium 210 mit Solarstrahlung 112 zu beaufschlagen und somit zu erhitzen.
Der Eingang 300 ist aus einer konusförmigen Vorderwand 302 und einer konusförmigen, zum Innenraum 208 des Behälters 200 gerichteten Rückwand 308 gebildet, welche koaxial und in axialer Richtung übereinander angeordnet sind. Ein Konuswinkel kann beispielsweise zwischen 30° und 90°, bevorzugt zwischen 45° und 80° liegen.
Zwischen der Vorderwand 302 und der Rückwand 308 sind Leitelemente 310 in radialer Richtung 238 ausgerichtet angeordnet, welche mit der Rückwand 308 verbunden sind. Die Leitelemente 310 können in anderen Ausführungsbeispielen auch mit der Innenwand 206 oder überlappend abwechselnd mit der Rückwand 308 und der Innenwand 206 verbunden sein. Im Stand der Technik sind diese Leitelemente 310 gerade ausgebildet.
Das Wärmeträgermedium 210 wird dabei über eine in einer Spitze der konusförmigen Vorderwand 302 angeordnete Zufuhröffnung 304 in den Eingang 300 eingeführt und zwischen Leitelementen 310 in radialer Richtung 238 nach außen an die Innenwand 218 der des Behälters 200 geleitet.
Das Wärmeträgermedium 210 wird bei der Rotation des Behälters 200 in Drehrichtung 236 auf der Innenwand 218 verteilt und durch die Schwerkraft g nach unten in Richtung Ausgang 400 geleitet.
Die Innenwand 218 des Behälters 200 weist üblicherweise eine reibungsfördernde Einrichtung 234 auf, damit das Wärmeträgermedium 210 möglichst gut an der Innenwand 218 haftet und so eine genügend lange Verweildauer im Innenraum 208 aufweist, um genügend Wärme von der Solarstrahlung 112 aufzunehmen.
Das erhitzte Wärmeträgermedium 210 steht dann zur weiteren Verwendung, beispielsweise zur Stromerzeugung in dem solarthermischen Kraftwerk zur Verfügung.
Vorteilhaft kann das Wärmeträgermedium 210 fließfähig oder rieselfähig sein. Insbesondere kann das Wärmeträgermedium 210 durch Partikel gebildet sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium 210 Partikel oder Teilchen aus gesintertem Bauxit umfasst oder aus Partikeln oder Teilchen aus gesintertem Bauxit gebildet ist. Die Partikel oder Teilchen können vorzugsweise einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von ungefähr 250 µm bis ungefähr 1,8 mm aufweisen. Jedoch können auch pulverförmige Medien mit sehr viel kleineren Korngrößen, wie beispielsweise Zementmehl, eingesetzt werden. Vorzugsweise ergibt sich bei dem Wärmeträgermedium bis mindestens ungefähr 800°C, insbesondere bis mindestens ungefähr 1.000°C, keine Agglomeration von Partikeln oder Teilchen. Die Partikel weisen vorzugsweise eine hohe Sphärizität auf. Die Sphärizität, also das Verhältnis der Oberfläche einer Kugel gleichen Volumens zur Oberfläche des Partikels kann dabei insbesondere größer als ungefähr 0,8, insbesondere größer als ungefähr 0,9 sein. Vorzugsweise können die Partikel oder Teilchen thermoschockbeständig sein.
Vorteilhaft kann die Drehachse parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 90°, vorzugsweise kleiner oder gleich 80°, zur Schwerkraftrichtung g liegen. Insbesondere kann die Drehachse koaxial zur Längsachse des Behälters sein.
Dabei kann sich ein Wärmeträgermedium-Film 212 auf der Innenwand des rotierenden Behälters besonders günstig ausbilden, sodass ein möglichst gleichmäßiger Wärmeübertrag auf das Wärmeträgermedium erreicht werden kann.
Der Behälter 200 kann vorteilhaft aus Stahl gefertigt sein. Die Innenwand 218 ist dabei zweckmäßigerweise auf Grund der hohen Temperaturen des Wärmeträgermediums 210 aus einem hochtemperaturbeständigen Edelstahl oder einer anderen Hochtemperaturlegierung wie beispielsweise Inconel ausgebildet.
Dimensionen des Behälters 200 können beispielsweise bis zu 8 m Länge und 5 m Durchmesser betragen. Die Wandstärke der Innenwand 218 kann beispielsweise 6 mm betragen, während die Außenwand 206 beispielsweise 12 mm Wandstärke aufweisen kann. Mit solchen Werten kann ein Gewicht von ca. 6 t bis zu 20 t für den Behälter 200 mit einer zugehörigen thermischen Isolierung zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 resultieren.
Als thermische Isolierung zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 können vorteilhaft Keramikfasermatten eingesetzt werden. Die Außenwand 206 kann an einer Außenseite 240 zusätzlich eine thermische Isolierung aus mikroporösen Fasern, die in Platten gepresst sein können, aufweisen.
Bei den angegebenen Dimensionen können Dehnungswerte zwischen der durch das Wärmeträgermedium 210 auf ca. 900° C aufgeheizten Innenwand 218 und der auf einer Temperatur von ca. 100° C befindlichen Außenwand 206 von bis zu 70 mm in radialer Richtung 238 und von bis zu 150 mm in Längsrichtung 215 auftreten.
2 zeigt eine Innenwand 218 des Behälters 200 mit daran angeordneten Lagerelementen 10, 11 sowie Gegenlagerelementen 30, 31 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung.
Der Behälter 200 weist ein sich in einer Längsrichtung 215 erstreckendes doppelwandiges Gehäuse 220 auf, das einen Innenraum 208 umgibt und das eine (nicht dargestellte) Außenwand 206 und eine davon umgebene Innenwand 218 aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von Lagerelementen 10, 11 und Gegenlagerelementen 30, 31 angeordnet ist. Miteinander korrespondierende Lagerelemente 10, 11 und/oder Gegenlagerelemente 30, 31 erstrecken sich in einer radialen Richtung 238 von der Außenwand 206 und/oder der Innenwand 218 weg. Weiter sind miteinander korrespondierende Lagerelemente 10, 11 und Gegenlagerelemente 30, 31 in wenigstens der Längsrichtung 215 oder in der Umfangsrichtung 242 entlang wenigstens einer Umfangslinie 244 einseitig aneinander anliegend angeordnet. Dabei sind Lagerelemente 10, 11 oder Gegenlagerelemente 30, 31 vorgesehen, die an sich gegenüberliegenden Seiten des jeweilig korrespondierenden Gegenlagerelements 30, 31 oder Lagerelements 10, 11 anliegen.
Günstigerweise ist so ein Teil der Lagerelemente 11 und der korrespondierenden Gegenlagerelemente 31 an der Innenwand 218, bzw. der Außenwand 206 wechselweise so angeordnet, dass sie als Loslager wirken und in radialer Richtung 236 wie axialer Richtung 215 gegeneinander beweglich angeordnet sind und eine Relativbewegung in Umfangsrichtung 242 sperren.
Ein weiterer Teil der Lagerelemente 10 und der korrespondierenden Gegenlagerelemente 30 ist an der Innenwand 218, bzw. der Außenwand 206 wechselweise so angeordnet, dass sie als weiteres Loslager wirken und in radialer Richtung 236 und in Umfangsrichtung 242 des Behälters 200 gegeneinander beweglich angeordnet sind und eine Relativbewegung in Längsrichtung 215 des Behälters 200 sperren.
Die beiden Loslager wirken senkrecht zueinander. Das Zusammenwirken der beiden Arten von Loslagern, insbesondere am selben Ort, wirkt als Festlager. Dies erlaubt eine relative Bewegung der Lagerelemente 10, 11 und Gegenlagerelemente 30, 31 in radialer Richtung 236, sperrt jedoch in Umfangsrichtung 242 und in Längsrichtung 215.
Auf diese Weise ist im Bereich der als Loslager angeordneten Lagerelemente 10, 11 und korrespondierenden Gegenlagerelemente 30, 31 eine Verdrehung der Innenwand 218 um die Längsachse 215 gegen die Außenwand 206 gesperrt.
Eine Festlagerung kann beispielsweise in einem Umfangsbereich des Behälters 200, beispielsweise näher zu einem Ende des Behälters 200, vorgesehen sein. Im Bereich der als weiteres Loslager angeordneten Lagerelemente 10 und korrespondierenden Gegenlagerelemente 30, die mit der ersten Art von Loslager ein Festlager bilden, ist auf einer Umfangslinie 244 eine Relativbewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Längsrichtung 215 sowie eine Verdrehung der Innenwand 218 um die Längsachse 215 gegen die Außenwand 206 gesperrt.
Die Lagerelemente 10, 11 sind als in radialer Richtung 238 zur Außenwand 206 abstehende Finnen ausgebildet, welche in Umfangsrichtung 242 wenigstens eine einem korrespondierenden Gegenlagerelement 30 zugewandte Anlagefläche 12 aufweisen, wie in 4 erkennbar ist.
Die Gegenlagerelemente 30, 31 sind als in radialer Richtung 238 zur Innenwand 206 abstehende Finnen ausgebildet, welche in Umfangsrichtung 242 wenigstens eine dem jeweils korrespondierenden Lagerelement 30 zugewandte Anlagefläche 34 aufweisen. Die Gegenlagerelemente 30, 31 können beispielsweise mit der Außenwand 206 verschraubt sein. Die Gegenlagerelemente 30, 31 können in einem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 2 dargestellt, als umgebogene Finnen ausgebildet sein.
Eine Loslagerung der Innenwand 218 gegenüber der Außenwand 206 kann dadurch realisiert werden, dass auf der Innenwand einzelne solcher Finnen als Lagerelemente 11 über den Umfang 242 der Innenwand 218 angeordnet werden. Diese Finnen können beispielsweise über die komplette axiale Länge 215 gezogen sein oder über die axiale Länge 215 unterteilt mehrfach einzeln angeordnet sein. Diese Finnen dienen als Gleitfläche in radialer und axialer Richtung. Auf den Gleitflächen können in axialer Richtung wechselseitig Mitnehmer 32 angeordnet sein, welche als Gegenlagerelemente 31 an der Außenwand 206 befestigt sind. In Umfangsrichtung 242 kann eine solche Anordnung ebenfalls wechselseitig erfolgen. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Der Mitnehmer 32 mit seiner Anlagefläche 34 stellt das Wirkelement des Gegenlagerelements 30, 31 für das Zusammenwirken von Lagerelement 10, 11 und Gegenlagerelement 30, 31 zur Einschränkung der Relativbewegung von Innenwand 218 gegen Außenwand 206 dar. Mittels des Mitnehmers 32 liegt das Gegenlagerelement 30, 31 über seine Anlagefläche 34 an dem Lagerelement 10, 11 an.
Da die Loslagerung auf diese Weise flächig angeordnet ist, ist deren Funktionalität zur Sperrung einer Verdrehung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Umfangsrichtung 242 automatisch auch im Bereich des Festlagers gegeben. Folglich ist es ausreichend, wenn am Festlager eine Bewegung nur noch in Längsrichtung 215 gesperrt wird. Die Realisierung kann so erfolgen, dass über den Umfang der Innenwand 218 beispielsweise ein Steg, wie eine Art Versteifungsring 246 angeordnet wird. Dieser Ring 246 kann auch wieder als mehrere einzelne Finnen, aber diesmal in Umfangsrichtung orientiert ausgeführt sein. Der Ring 246 dient wieder als Gleitfläche, diesmal nur in Umfangsrichtung 242. Über den Umfang können an diesem Ring 246 wechselseitig Gegenlagerelemente 30 gleitend angeordnet sein, so dass eine axiale Bewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 behindert wird. Die Gegenlagerelemente 30 sind ebenfalls mit der Außenwand 206 verbunden.
Für eine Festlagerung in Längsrichtung 215 kann jedoch auch eine einseitige Anbringung der Gegenlagerelemente 30 in Schwerkraftrichtung g genügen. So kann die Konstruktion in dem sogenannten Festlagerbereich entsprechend kompakter ausgeführt sein.
Die Gegenlagerelemente 30, 31 können dabei als rechtwinklig gebogene Blechstreifen ausgebildet sein, wobei ein Schenkel mit der Außenwand 206 verbunden ist und der andere Schenkel an dem Lagerelement 10, 11 anliegt.
Entlang der Umfangslinie 244 ist ein radial zwischen der Außenwand 206 und der Innenwand 218 angeordneter umlaufender Ring 246 ausgebildet, welcher wenigstens ein Lagerelement 10 aufweist oder bildet. Der Ring 246 ist bei diesem Ausführungsbeispiel an der Innenwand 218 angeordnet.
Die Innenwand 218 ist aus einzelnen, in Umfangsrichtung 242 zusammengefügten Längssegmenten 250, insbesondere ringförmig in Umfangsrichtung 242 angeordneten und in Längsrichtung 215 gestapelten Längssegmenten 250 ausgebildet. Die Längssegmente 250 sind in Längsrichtung 215 in Axialsegmente 260 unterteilt.
Durch die Unterteilung der Innenwand 218 in einzelne Längssegmente 250 und/oder Axialsegmente 260 können große Dimensionen des Behälters 200 günstig realisiert werden. Besonders die Integration der Lagerelemente 10, 11 in die Längssegmente 250 und/oder Axialsegmente 260 durch Abkanten der Längssegmente 250 und/oder Axialsegmente 260 ermöglicht eine kostengünstige Fertigung des Behälters 200. Außerdem kann so eine feste Verbindung der Lagerelemente 10, 11 zu der Innenwand 218 auf einfache Weise sichergestellt werden.
Die Lagerelemente 11 sind jeweils in Längsrichtung 215 auf der Innenwand 218 angeordnet und wirken mit den korrespondierenden an der Außenwand 206 angeordneten Gegenlagerelementen 31 zusammen. Die Lagerelemente 11 und die korrespondierenden Gegenlagerelemente 31 bilden dabei das Loslager zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206.
Die Lagerelemente 10 sind jeweils in Umfangsrichtung 242, bei diesem Ausführungsbeispiel als Ring 246, auf der Innenwand 218 angeordnet und wirken mit den korrespondierenden an der Außenwand 206 angeordneten Gegenlagerelementen 30 zusammen. Die Lagerelemente 10 und die korrespondierenden Gegenlagerelemente 30 bilden dabei in Kombination mit den Lagerelementen 11 und Gegenlagerelementen 31 das Festlager zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206.
Die Loslager sperren eine Relativbewegung in Umfangsrichtung 242. Die Festlagerung sperrt eine Relativbewegung in Umfangsrichtung 242 und in Längsrichtung 215.
Auf diese Weise ist im Bereich der als Loslager angeordneten Lagerelemente 11 und korrespondierenden Gegenlagerelemente 31 eine Verdrehung der Innenwand 218 um die Längsachse 214 gegen die Außenwand 206 gesperrt.
Im Bereich der Lagerelemente 10 und korrespondierenden Gegenlagerelemente 30 ist auf einer Umfangslinie 244 eine Relativbewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Längsrichtung 215 sowie eine Verdrehung der Innenwand 218 um die Längsachse 214 gegen die Außenwand 206 gesperrt.
Vorteilhaft können so Dehnungsunterschiede zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 durch die mittels der erfindungsgemäßen Lagerelemente und Gegenlagerelemente möglichen Lagerungskonstruktion kompensiert werden. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass die Innenwand 218 dieselbe Rotationsachse 216 aufweist wie die Außenwand 206 und in Längsrichtung 215 nicht durch die Außenwand 206 durchrutscht.
In 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt einer Innenwand 218 des Behälters mit daran angeordneten Lagerelementen 10, 11 sowie Gegenlagerelementen 30, 31 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung gezeigt, während 4 einen Ausschnitt aus einer Reihe von Lagerelementen 10, 11 und Gegenlagerelementen 30, 11 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus 3 darstellt.
Die Gegenlagerelemente 30, 31 weisen dabei zwei Schenkel 40, 42 auf, die insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Einer der beiden Schenkel 40 weist eine Verbindungsfläche 44 mit der Außenwand 206 und der andere der beiden Schenkel 42 weist die Anlagefläche 34 auf.
Die Gegenlagerelemente 30, 31 weisen einen in radialer Richtung 238 abstehenden Mitnehmer 32 auf, welcher wenigstens eine einem korrespondierenden Lagerelement 10 zugewandte Anlagefläche 34 aufweist. Der Mitnehmer 32 wird durch den zweiten Schenkel 42 realisiert.
Die zwei Schenkel 40, 42 sind bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine diagonal zwischen Enden der Schenkel 40, 42 angeordnete Strebe 46 verbunden. Die Strebe 46 kann als zusätzliche Versteifung des Gegenlagerelements 30, 31 dienen, um auf diese Weise größere Kräfte zwischen Lagerelement 10, 11 und Gegenlagerelement 30, 31 übertragen zu können. Die Kräfte, die übertragen werden müssen, können bei den angegebenen Dimensionen des Behälters 200 bis zu 10 kN pro Gegenlagerelement 30, 31 betragen.
Die Anlagefläche 34 des Gegenlagerelements 31 weist ein Gleitelement 36, beispielsweise eine keramische Platte, auf, deren Oberfläche konkav gegenüber der Anlagefläche 12 des Lagerelements 11 ausgebildet ist.
Die konkav gekrümmte Oberfläche des Gleitelements 36 erleichtert eine Montage des Behälters 200 durch die Selbstzentrierung von Lagerelementen 10, 11 und Gegenlagerelementen 30, 31 auf diese Weise. Außerdem können so Bewegungen der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 auf Grund der thermischen Dehnung, was zu Schrumpfen und Wachsen des Durchmessers der Innenwand 218 führen kann, begünstigt werden.
An den Anlageflächen 12, 34 können so zusätzlich keramische Platten als Gleitelemente 14, 36 zur Schonung des Materials eingebracht werden. Damit kann der Abrieb des Materials auf Grund der Bewegung der Lagerelemente 10, 11 und Gegenlagerelemente 30, 31 durch die thermischen Dehnungen signifikant verringert werden. Das Gleitelement 14, 36 kann darüber hinaus auch zusätzlich als thermische Isolation wirken.
Als Material können für die Gleitelemente 14, 36 Keramikplatten beispielsweise aus Al₂O₃, SiC, ZrO₂ eingesetzt werden. Da die Gleitelemente 14 der Lagerelemente 10, 11 auf den Gleitelementen 36 der Gegenlagerelemente 30, 31 gleiten, kommt so als Kombination eine Keramik-Keramik-Gleitkombination vorteilhaft zum Einsatz.
Die Längssegmente 250 und/oder Axialsegmente 260 weisen auf einer radialen Außenseite 240 Versteifungsrippen 254, insbesondere diagonal verlaufende Versteifungsrippen 254 auf.
Mittels der Versteifungsrippen 254 kann die mechanische Stabilität der Innenwand 218 entscheidend erhöht werden. Damit lassen sich große Dimensionen des Behälters 200 bei trotzdem moderater Gewichtszunahme der Empfängervorrichtung 110 vorteilhaft umsetzen.
5 zeigt einen Behälter 200 mit Innenwand 218 und Außenwand 206 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer angeschnittenen isometrischen Darstellung, während in 6 ein vergrößerter Ausschnitt des Behälters 200 nach 5 aus dem Bereich zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 dargestellt ist.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel sind die zwei Schenkel 40, 42 des Gegenlagerelements 30, 31 als U-Profile ausgebildet. Dadurch kann die im zweiten Ausführungsbeispiel aus Stabilitätsgründen angeordnete Strebe 46 entfallen. Die Ausbildung als U-Profil kann vorteilhaft dazu dienen, um auf diese Weise größere Kräfte zwischen Lagerelement 10, 11 und Gegenlagerelement 30, 31 übertragen zu können. Außerdem lassen sich die Gegenlagerelemente 30, 31 dadurch kostengünstig fertigen
7 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Innenwand 218 des Behälters 200 mit daran angeordneten Lagerelementen 10, 11 sowie Gegenlagerelementen 30, 31 nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung. In 8 ist ein Ausschnitt aus einer Reihe von Lagerelementen 11 und Gegenlagerelementen 31 nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 9 zeigt eine vergrößerte Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels nach 8 mit Sicht auf Gleitelemente 14, 36, während in 10 eine vergrößerte Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels mit Sicht auf Gleitelemente 14, 36 und Isolierelemente 16 erkennbar ist.
Zwischenschichten als thermische Isolation zwischen dem Gleitelement 14, 36 und den Lagerelementen 10, 11 bzw. Gegenlagerelementen 30, 31 können den Wärmeübertrag von der Innenwand 218 auf die Außenwand 206 entscheidend verringern. Dadurch ist es möglich, dass an der Außenwand 206 geforderte niedrigere Temperaturen eingehalten werden. Auch kann so der thermische Verlust der Empfängervorrichtung 110 auf günstige Weise auf ein gefordertes Maß verringert werden.
Insbesondere in 9 und 10 ist zu erkennen, dass die Lagerelemente 10, 11 mit den Längssegmenten 250 einstückig ausgebildet sind, indem nämlich die Lagerelemente 10, 11 durch Abkanten der Längssegmente 250 entlang von Fügelinien 252 der Längssegmente 250 zueinander ausgebildet sind.
Zwischen wenigstens einem Lagerelement 10, 11 und dem korrespondierenden Gegenlagerelement 30, 31 ist jeweils ein Gleitelement 14, insbesondere aus Keramik, angeordnet. Dabei ist insbesondere das Gleitelement 14 am Lagerelement 10, 11, nämlich auf der Anlagefläche 12, angeordnet, während auf der Anlagefläche 34 des Mitnehmers 32 ein Gleitelement 36, insbesondere ebenfalls aus Keramik, angeordnet ist, das dem korrespondierenden Lagerelement 10, insbesondere dem jeweiligen Gleitelement 14, zugewandt ist. Das Gleitelement 36 weist dabei eine dem jeweiligen korrespondierenden Gleitelement 14 zugewandte, in radialer Richtung 238 konkav gekrümmte Oberfläche auf.
Wie in 10 erkennbar, ist zwischen dem Gleitelement 14 und der Anlagefläche 12 ein Isolierelement 16 zur thermischen Isolierung angeordnet. Als Isolierelemente 16 können vorteilhaft Keramikfasermatten eingesetzt werden.
11 zeigt eine vergrößerte Darstellung mit Sicht auf ein Befestigungselement 18 eines Gleitelements 36 an einem an der Innenwand 218 angeordneten Lagerelement 31.
Das Gleitelement 14 des Lagerelements 11 ist mittels eines Befestigungselements 18, das insbesondere als Befestigungsfeder 18 ausgebildet ist, mit dem jeweiligen Lagerelement 11 verbunden. Die Befestigungsfeder 18 greift dabei durch einen Durchbruch 22 in dem Lagerelement 11 durch.
Gleitelemente 14, 36 und/oder Isolierelemente 16 können so mittels einer Befestigung nach einem Nut/Feder-Konzept zuverlässig und dauerhaft mit dem Lagerelement 10, 11 bzw. Gegenlagerelement 30, 31 verbunden werden. Auch können so Scherkräfte auf Grund der thermischen Dehnungen von Innenwand 218 und Außenwand 206 gegeneinander zweckmäßig aufgefangen werden.
Auf die gleiche Art können auch die Gleitelemente 36 und Isolierelemente 16 mit den Gegenlagerelementen 30, 31 bzw. den Lagerelementen 10, 11 verbunden werden.
Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Anlagefläche 34 und dem Gleitelement 36 des Gegenlagerelements 31 ein zusätzliches thermisches Isolierelement 16 angeordnet.
12 zeigt eine vergrößerte Darstellung mit Sicht auf eine Befestigungsfeder 38 eines Gleitelements 36 an einem Gegenlagerelement 30, 31. Dabei greift die Befestigungsfeder 38 durch einen entsprechenden Durchbruch 48 im zweiten Schenkel 42 des Gegenlagerelements 30, 31.
In 13 ist eine als Festlagerung ausgebildete Anordnung von Lagerelementen 10, 11 und Gegenlagerelementen 30, 31 des dritten Ausführungsbeispiels in isometrischer Darstellung dargestellt.
Bei dieser Darstellung sind die in Längsrichtung 214 angeordneten Lagerelemente 11 mit ihren korrespondierenden Gegenlagerelementen 31 erkennbar, welche das Loslager bilden. In Umfangsrichtung 242 sind dagegen die Lagerelemente 10 mit ihren korrespondierenden Gegenlagerelementen 30 erkennbar, welche mit den Lagerelementen 11 mit ihren korrespondierenden Gegenlagerelementen 31 das Festlager bilden.
An Kreuzungspunkten der Umfangslinie 244 mit den in Längsrichtung 215 verlaufenden Fügelinien 252 der Längssegmente 250, bzw. der Axialsegmente 260 sind dabei jeweils zwei Lagerelemente 10 mit Gegenlagerelementen 30 und jeweils zwei Lagerelemente 11 mit Gegenlagerelementen 31 so verschränkt angeordnet, dass ein Festlager gebildet wird und eine Relativbewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Längsrichtung 215 und in Umfangsrichtung 242 verhindert wird.
In dieser Darstellung ist auch die Versteifung der Axialsegmente 260 durch die diagonal verlaufenden Verstrebungen 254 erkennbar.
14 zeigt eine Anordnung eines Gegenlagerelements 31 des dritten Ausführungsbeispiels am Außenmantel 206. Dabei ist der eine Schenkel 40 des Gegenlagerelements 31 durch ein in der Außenwand 206 angeordnetes Fenster 248 durchgeführt und kann von der Außenseite mit der Außenwand 206 verbunden werden.
15 zeigt ein Gegenlagerelement 30 nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Ansicht mit Sicht auf das Gleitelement 36, während in 16 das Gegenlagerelement 30 mit Sicht auf die Befestigungsfeder 38 des Gleitelements 36 und in 17 das Gegenlagerelement 30 ohne das Gleitelement 36 dargestellt ist.
In 16 ist dabei zu erkennen, wie die Befestigungsfeder 38 des Gleitelements 36 durch den Durchbruch 48 im zweiten Schenkel 42 des Gegenlagerelements 30 durchgeführt ist. In 17 ist dagegen lediglich der Durchbruch 48 im zweiten Schenkel 42 erkennbar.
In 18 ist ein Behälter 200 mit polygonförmigem Außenmantel 206 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei ist die Außenwand 206 aus ebenen Längssegmenten 256 gebildet, welche entlang von in Längsrichtung 215 ausgebildeten Fügelinien 258 gefügt sind.
Eine polygonförmige Außengestalt der Außenwand 206 kann sich als besonders günstig erweisen, um ebene Flächen an der Außenseite 240 des Behälters 200 zur Anbindung der Gegenlagerelemente 30, 31 zu haben. Beispielsweise können die Gegenlagerelemente 30, 31 durch eine Art herausnehmbares Fenster 248, wie in 14 erkennbar, montiert werden.
Vorteil der Konstruktion der Außenwand 206 aus ebenen Längssegmenten 256 ist, dass auf viele einfache Gleichteile zurückgegriffen werden kann. Da die Lagerung gleitend und somit mehrteilig ausgeführt ist, wird die Montage als auch spätere Wartung wesentlich vereinfacht. Weiterhin unterliegen die Bauteile einer wesentlich geringeren Belastung, da durch das Gleiten keine ständigen Verformungen auftreten werden, im Gegensatz zu einer Ausführung mit Doppelfeder. Somit sind auch ohne Probleme große thermische Verformungswege möglich.
Eine polygenförmige Außenwand 206 hat so zum Vorteil, dass mechanische Anbindungen auf einfachere Weise möglich sind. Ebenfalls wird dadurch bei großen Behältern 200 ein mehrteiliger Aufbau begünstigt.
Bezugszeichenliste

10: Lagerelement
11: Lagerelement
12: Anlagefläche
14: Gleitelement
16: Isolierelement
18: Befestigungselement
20: Befestigungselement
22: Durchbruch
30: Gegenlagerelement
31: Gegenlagerelement
32: Mitnehmer
34: Anlagefläche
36: Gleitelement
38: Befestigungselement
40: Schenkel
42: Schenkel
44: Verbindungsfläche
46: Strebe
48: Durchbruch
110: Empfängervorrichtung
112: Solarstrahlung
200: Behälter
202: erstes Ende
204: zweites Ende
206: Außenwand
208: Innenraum
210: Wärmeträgermedium
212: Wärmeträgermedium-Film
214: Längsachse
215: Längsrichtung
216: Drehachse
218: Innenwand
220: Gehäuse
222: Winkel
236: Drehrichtung
238: radiale Richtung
240: Außenseite
242: Umfangsrichtung
244: Umfangslinie
246: Ring
248: Fenster
250: Längssegment
252: Fügelinie
254: Versteifungsrippe
256: Längssegment
258: Fügelinie
260: Axialsegment
300: Eingang
302: Vorderwand
304: Zuführungsöffnung
308: Rückwand
310: Leitelement
400: Ausgang
416: Aperturöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014106320 A1 [0003]

Claims

Empfängervorrichtung (110) für Solarstrahlung (112) mit einem Behälter (200) zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums (210) in einem solarthermischen Kraftwerk, mit einem sich in einer Längsrichtung (215) erstreckenden doppelwandigen Gehäuse (220), das einen Innenraum (208) umgibt und das eine Außenwand (206) und eine davon umgebene Innenwand (218) aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von Lagerelementen (10, 11) und Gegenlagerelementen (30, 31) angeordnet ist, wobei miteinander korrespondierende Lagerelemente (10, 11) und/oder Gegenlagerelemente (30, 31) sich in einer radialen Richtung (238) von der Außenwand (206) und/oder der Innenwand (218) weg erstrecken und wobei miteinander korrespondierende Lagerelemente (11) und Gegenlagerelemente (31) in wenigstens der Längsrichtung (215) und wobei miteinander korrespondierende Lagerelemente (10) und Gegenlagerelemente (30) in der Umfangsrichtung (242) entlang wenigstens einer Umfangslinie (244) einseitig aneinander anliegend angeordnet sind, wobei wenigstens zwei Lagerelemente (10, 11) vorgesehen sind, die an sich gegenüberliegenden Seiten des jeweilig korrespondierenden Gegenlagerelements (30, 31) anliegen und/oder wobei wenigstens zwei Gegenlagerelemente (30, 31) vorgesehen sind, die an sich gegenüberliegenden Seiten des jeweilig korrespondierenden Lagerelements (10, 11) anliegen.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lagerelemente (10, 11) als in radialer Richtung (238) zur Außenwand (206) abstehende Finnen ausgebildet sind, welche in Umfangsrichtung (242) wenigstens eine einem korrespondierenden Gegenlagerelement (30) zugewandte Anlagefläche (12) aufweisen und/oder wobei die Gegenlagerelemente (30, 31) als in radialer Richtung (238) zur Innenwand (206) abstehende Finnen ausgebildet sind, welche in Umfangsrichtung (242) wenigstens eine dem jeweils korrespondierenden Lagerelement (30) zugewandte Anlagefläche (34) aufweisen.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen wenigstens einem Lagerelement (10, 11) und dem korrespondierenden Gegenlagerelement (30, 31) ein Gleitelement (14), insbesondere aus Keramik, angeordnet ist, insbesondere wobei das Gleitelement (14) am Lagerelement (10, 11) angeordnet ist.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 3, wobei zwischen dem Gleitelement (14) und der Anlagefläche (12) ein Isolierelement (16) zur thermischen Isolierung angeordnet ist.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gegenlagerelemente (30, 31) einen in radialer Richtung (238) abstehenden Mitnehmer (32) aufweisen, welcher wenigstens eine einem korrespondierenden Lagerelement (10) zugewandte Anlagefläche (34) aufweist.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 5, wobei auf der Anlagefläche (34) des Mitnehmers (32) ein Gleitelement (36), insbesondere aus Keramik, angeordnet ist, das dem korrespondierenden Lagerelement (10), insbesondere dem jeweiligen Gleitelement (14), zugewandt ist.
Empfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei wenigstens eines der Gleitelemente (14, 36) eine dem jeweiligen korrespondierenden Gleitelement (14, 36) zugewandte, in radialer Richtung (238) konkav gekrümmte Oberfläche aufweist.
Empfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Gegenlagerelemente (30, 31) zwei Schenkel (40, 42) aufweisen, die insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnet sind, wobei einer der beiden Schenkel (40, 42) eine Verbindungsfläche (44) mit der Außenwand (206) und der andere der beiden Schenkel (40, 42) die Anlagefläche (34) aufweist.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die zwei Schenkel (40, 42) des Gegenlagerelements (30, 31) durch eine, insbesondere diagonal zwischen Enden der Schenkel (40, 42) angeordnete, Strebe (46) verbunden sind.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die zwei Schenkel (40, 42) des Gegenlagerelements (30, 31) als U-Profile ausgebildet sind.
Empfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Gleitelemente (14, 36) und/oder das Isolierelement (16) mittels wenigstens eines Befestigungselements (18, 38, 20), insbesondere einer Befestigungsfeder (18, 38, 20), mit dem jeweiligen Lagerelement (10, 11) bzw. dem jeweiligen Gegenlagerelement (30, 31) verbunden sind.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entlang der Umfangslinie (244) ein radial zwischen der Außenwand (206) und der Innenwand (218) angeordneter umlaufender Ring (246) ausgebildet ist, welcher wenigstens ein Lagerelement (10) aufweist oder bildet, insbesondere wobei der Ring (246) an der Innenwand (218) angeordnet ist.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) aus einzelnen, in Umfangsrichtung (242) zusammengefügten Längssegmenten (250), insbesondere ringförmig in Umfangsrichtung (242) angeordneten und in Längsrichtung (215) gestapelten Längssegmenten (250) ausgebildet ist, wobei die Lagerelemente (10, 11) mit den Längssegmenten (250) einstückig ausgebildet sind, insbesondere wobei die Lagerelemente (10, 11) durch Abkanten der Längssegmente (250) entlang von Fügelinien (252) der Längssegmente (250) zueinander ausgebildet sind.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Längssegmente (250) in Längsrichtung (215) in Axialsegmente (260) unterteilt sind.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Längssegmente (250) und/oder Axialsegmente (260) auf einer radialen Außenseite (240) Versteifungsrippen (254), insbesondere diagonal verlaufende Versteifungsrippen (254) aufweisen.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens die Außenwand (206) aus ebenen Längssegmenten (256) gebildet ist, welche wenigstens entlang von in Längsrichtung (215) ausgebildeten Fügelinien (258) gefügt sind.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Aperturöffnung (416) für den Eintritt von Sonnenstrahlung (112) an einem der Enden (202, 204) des Behälters (200); wobei der Behälter (200) eine Längsachse (214) aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 90° zur Schwerkraftrichtung (g) orientiert ist, wobei der Behälter (200) in einer bestimmungsgemäßen Drehrichtung (236) mittels einer Drehantriebsvorrichtung derart um eine Drehachse (216) drehbar ist, dass das Wärmeträgermedium (210) unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films (212) an einer Innenwand (218) des Behälters (200) entlangführbar ist.