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Die vorliegende Erfindung betrifft einen vakuumisolierten Absorber für einen linear fokussierenden Solarkollektor, umfassend ein Absorberrohr zum Führen eines Wärmeträgermediums sowie ein transparentes Hüllrohr, wobei das Hüllrohr das Absorberrohr unter Einschluss eines Zwischenraums umgibt und mit dem Absorberrohr zumindest an einem Ende über einen Faltenbalg zum Ausgleich unterschiedlicher Längenausdehnungen beweglich verbunden ist und wobei die Kontaktstelle zwischen dem Faltenbalg und dem Hüllrohr als Verguss ausgeführt und von einem äußeren Verschattungselement übergriffen ist.
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Linear konzentrierende Solarkollektorsysteme fokussieren mit einachsig nachgeführten Spiegelelementen direkte Solarstrahlung auf einen parallel dazu angeordneten Absorber. Durch dessen Absorberrohr wird ein flüssiges oder dampfförmiges Wärmeträgermedium gepumpt, um die absorbierte Solarwärme an den Verwendungsort der Solarwärme zu leiten. Die bedeutendsten linear fokussierenden Solarkollektoren sind die sogenannten Parabolrinnen und die Fresnelkollektoren.
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Um das Wärmeträgermedium auf möglichst hohe Temperaturen erwärmen zu können und zeitgleich die konvektiven Wärmeverluste an der Außenfläche des Absorberrohrs zu verringern, haben sich vakuumisolierte Absorber bewährt, bei denen das Absorberrohr von einem transparenten Hüllrohr größeren Durchmessers umschlossen wird und der entstehende Zwischenraum evakuiert wird.
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Eine technische Herausforderung dabei ist, einen dauerhaft luftdichten Abschluss zwischen dem in der Regel aus Glas hergestellten Hüllrohr und dem zumeist metallischen Absorberrohr herzustellen. Das den Zwischenraum abschließende Element muss neben der Versiegelung zusätzlich die unterschiedlichen Längenausdehnungen von Absorberrohr und Hüllrohr ausgleichen, deren Temperaturdifferenz in einem Bereich von null bis mehr als fünfhundert Kelvin, teilweise mehrfach täglich, pendeln kann.
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Für einen luftdichten Abschluss, sowie zur Kompensation der relativen Längenveränderung beider Elemente haben sich Metallfaltenbalge bewährt, die an einem oder an beiden Enden des Hüllrohrs einerseits mit dem Absorberrohr verschweißt und andererseits mit dem Material des Faltenbalgs ringförmig in das Glashüllrohr eingeschmolzen werden.
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Hierbei gibt es zwei Prinzipien, nämlich eine Lösung mit einem außenliegenden Faltenbalg, der sich durch entsprechende Anordnung bei Erhitzung des Absorberrohrs streckt und dem innenliegenden Balg, der so angeordnet ist, dass er bei Erhitzung des Absorberrohrs gestaucht wird.
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Ein besonders kritischer Aspekt dieser Konstruktion in der praktischen Anwendung ist, dass die in das Material des Hüllrohrs eingeschmolzene Bereich des Faltenbalgs vor direkter Strahlung geschützt werden muss, um zu verhindern, dass sich das eingeschmolzene Material durch seine höhere Absorption im Vergleich zu dem transparenten Hüllrohr stärker erhitzt und somit thermische Spannungen erzeugt werden, die zu einem mechanischen Versagen der Verbindung und damit einhergehend zu einem Verlust des Vakuums führen.
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Ebenso sind die Faltenbalge als ganzes davor zu schützen, der konzentrierten Solarstrahlung ausgesetzt zu werden, um eine Überhitzung mit entsprechend beschleunigter Materialermüdung zu verhindern.
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Zu diesem Zweck ist es im Stand der Technik bereits bekannt, den Faltenbalg mitsamt der Kontaktstelle zwischen metallischem Faltenbalg und Hüllrohr mit einem Reflektor vor Strahlungsexposition zu schützen. Dies geschieht mit einem äußeren Verschattungselement, welches zylindrisch außerhalb des Glashüllrohrs so über dem Faltenbalg positioniert wird, dass auch die Kontaktstelle mit dem Hüllrohr von diesem abgeschattet wird. Dieses äußere Verschattungselement wird dabei entweder als separates Bauteil vorgesehen oder bereits fabrikseitig mit dem Absorberrohr verbunden.
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Bei solarthermischen Kraftwerken, welche Parabolrinnen einsetzen, ist die außenliegende Anordnung des zylindrischen Strahlungsschutzes eine bewährte Lösung, bei der das Absorberrohr selbst, bedingt durch die Gesamtgeometrie des Kollektors, den oberen Bereich der Kontaktstelle während des Betriebs dauerhaft verschattet. Nur bei sehr flacher Sonnenstrahlung ist es hier möglich, dass knapp tangential am Absorberrohr vorbei reflektierte Strahlen von der Innenseite aus auf die Kontaktstelle treffen.
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Bei Fresnelkollektoren, bei denen der Abstand zwischen Primärreflektor und Absorberrohr in der Regel deutlich größer ist, kommen hingegen Sekundärreflektoren zum Einsatz, bei denen ein zweidimensional gekrümmter Spiegel oberhalb des vakuumisolierten Absorbers positioniert wird. Mithilfe dieses Sekundärreflektors werden die Strahlen, die nicht direkt auf das Absorberrohr gelenkt werden, auf die Flanken oder die Rückseite des Absorberrohrs reflektiert, wodurch sich der optische Wirkungsrad der Fresnelkollektoren deutlich erhöht. Aufgrunddessen kommt es bei Fresnelkollektoren jedoch bei entsprechend flachem Sonnenstand auch zu einer zusätzlichen Bestrahlung des unteren Bereichs der empfindlichen Kontaktstelle von der Innenseite her.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen vakuumisolierten Absorber zu schaffen, der auch bei niedrigen Sonnenständen vor einer Beaufschlagung der empfindlichen Kontaktstelle zwischen dem Faltenbalg und dem Hüllrohr mit konzentriertem Sonnenlicht geschützt ist.
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Dies gelingt durch einen vakuumisolierten Absorber gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Sinnvolle Weiterbildungen eines solchen Absorbers können den sich anschließenden abhängigen Ansprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß ist ein vakuumisolierter Absorber für ein solarthermisches Kraftwerk vorgesehen, umfassend ein Absorberrohr zum Führen eines Wärmeträgermediums sowie ein transparentes Hüllrohr, wobei das Hüllrohr das Absorberrohr unter Einschluss eines Zwischenraums umgibt und mit dem Absorberrohr zumindest an einem Ende über einen Faltenbalg zum Ausgleich unterschiedlicher Längenausdehnungen beweglich verbunden ist und wobei die Kontaktstelle zwischen dem Faltenbalg und dem Hüllrohr als Verguss ausgeführt und von einem äußeren Verschattungselement übergriffen ist, wobei weiter in dem Zwischenraum zwischen dem Verguss und dem Absorberrohr ein röhrenförmiges Verschattungselement angeordnet ist, welches den Verguss auf seiner dem Absorberrohr zugewandten Seite jederzeit untergreift und verdeckt.
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Während durch das äußere Verschattungselement sichergestellt ist, dass die konzentrierenden Spiegeleinheiten das einfallende Sonnenlicht nicht direkt auf die Kontaktstelle lenken, verhindert das zusätzliche innere Verschattungselement, dass das Sonnenlicht durch das Hüllrohr hindurch, aber an dem Absorberrohr vorbei auf die Kontaktstelle fokussiert wird und diese erhitzt und thermisch belastet wird. Vielmehr verdeckt das innere Verschattungselement die Kontaktstelle in dem Zwischenraum zwischen Absorberrohr und Hüllrohr und sorgt auf diese Weise dafür, dass sich die Kontaktstelle nicht erhitzen kann.
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Hierfür kann es vorteilhaft sein, wenn das Verschattungselement gegenüber dem Absorberrohr verschieblich gelagert ist. Aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnung aufgrund der Wärme bei dem Absorberrohr und dem Hüllrohr erfolgt mit zunehmender Temperatur auch eine relative Verschiebung zwischen diesen beiden Rohren, so dass bevorzugtermaßen das innere Verschattungselement sich mit dem Hüllrohr relativ zu dem Absorberrohr bewegen kann. Eine direkte Auflagerung auf dem Absorberrohr ist hierbei möglich, aber nur eine von mehreren Gestaltungsoptionen.
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Konkret kann dies auch dadurch erfolgen, dass das Verschattungselement mit dem Faltenbalg an dessen Innenseite einseitig verbunden ist. In einem solchen Fall bewegt sich das Verschattungselement direkt bei jeder Bewegung des Faltenbalgs mit. Im Fall einer Befestigung an dem Faltenbalg im Bereich des Anschlusses an das Absorberrohr erfordert dies ein vergleichsweise langes Verschattungselement um die Längenänderungen des Faltenbalgs auffangen zu können. Dies ist daher nicht die bevorzugte, aber eine mögliche Lösung. Eine Befestigung im Bereich der Kontaktstelle eignet sich hierfür besser, da zwischen einer solchen Kontaktstelle weniger Buchtungen des Faltenbalgs vorhanden sind.
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Eine weitere Alternative eines beweglichen Verschattungselements kann vorsehen, dass das Verschattungselement ein auskragendes Mitnehmerelement aufweist, welches in eine Buchtung des Faltenbalgs eingreift. Insbesondere wenn das Mitnehmerelement dann in einer letzten Buchtungen vor der Kontaktstelle eingreift, befindet es sich stets im Bereich der Kontaktstelle, ohne über diese hinaus viel von dem Absorberrohr zu verschatten. Dies soll vermieden werden, um dessen Erhitzung nicht zu beeinträchtigen.
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In konkreter Ausgestaltung kann das Mitnehmerelement als radial nach außen federndes Federelement ausgestaltet sein. Selbst wenn sich in einer solchen Ausgestaltung der Faltenbalg soweit auseinanderzieht, dass die Buchtungen flacher werden, würde der Faltenbalg das Federelement wegdrücken und könnte sich entsprechend gegen den Federdruck bewegen. Eine Beeinträchtigung des Faltenbalgs würde daher nicht, oder nur in geringem Maße erfolgen.
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In konkreter Ausgestaltung kann der Faltenbalg aus einem metallischen, luftundurchlässigen Material bestehen und das Hüllrohr aus Glas hergestellt sein, wobei es sich bei dem Verguss einen Glasmetallverbund handelt. Mit einem derartigen Abschluss kann der Zwischenraum zwischen dem Hüllrohr und dem Absorberrohr sowohl flexibel hinsichtlich der Größe als auch materialschlüssig abgeschlossen sein. Er kann hierdurch ausreichend dicht versiegelt werden um ihn zu evakuieren und eine zusätzliche Isolation des Absorberrohrs zu ermöglichen.
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Weiter kann es sinnvoll sein, wenn das Verschattungselement aus einem Metall hergestellt ist. Dies hat gleich mehrere Vorteile. Zum Einen sind metallische Werkstoffe auch bei großen Temperaturen haltbar und können auch großen Temperaturschwankungen standhalten. Zum anderen sind sie dauerhaft belastbar. Ein Verschieben eines metallischen Verschattungselements ist vergleichsweise leicht zu bewerkstelligen.
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Konkret kann eine dem Absorberrohr zugewandte Seite des Verschattungselements eine Reflexionsschicht aufweisen, insbesondere eine polierte Schicht des Metalls selbst oder eine Aluminium- oder Silberschicht. Eine solche reflektierende Oberfläche ermöglicht es, einfallendes, gebündeltes Sonnenlicht abzuleiten und vermeidet, dass das Verschattungselement sich aufheizt.
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Ergänzend kann die Reflexionsschicht mit einer transparenten Antioxidationsschicht überzogen sein. Zwar ist im evakuierten Zwischenraum nicht mit einer Oxidation zu rechnen, jedoch kann durch eine solche Schicht auch bei einem ungewünschten Eindringen von Luft, bei einem unvollständigen Evakuieren oder auch im Herstellungsprozess vor der Evakuierung die Oxidation vermieden werden.
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Bevorzugtermaßen kann eine von dem Absorberrohr abgewandte Seite des Verschattungselements eine Abstrahloberfläche aufweisen, welche aus einem im Infrarotbereich stark emittierenden Material hergestellt oder mit diesem überzogen ist. Trotz der Reflexionsschicht kann eine Erhitzung des Verschattungselements durch die eintreffende Strahlung erfolgen, so dass eine Abgabe der hieraus resultierenden Wärme über diese Abstrahloberfläche ermöglicht werden soll. Dies ist besonders deshalb wichtig, weil eine Konvektion in Abwesenheit von Luft nicht möglich und daher eine Abstrahlung von Infrarotstrahlung in Richtung des Absorberrohrs vorzuziehen ist. Die Gleichgewichtstemperatur des Reflektors soll auf diesem Weg möglichst gering gehalten werden.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 den Bereich einer Verbindung zwischen dem Absorberrohr und dem Hüllrohr eines Absorbers in einem Längsschnitt, mit einem erfindungsgemäßen Verschattungselement und einem außenliegenden Faltenbalg,
- 2 eine Variante des Absorbers gemäß 1 mit einem direkt bei dem Hüllrohr befestigten Verschattungselement,
- 3 eine weitere Variante des Absorbers gemäß 1 mit einem auf dem Absorberrohr verschieblichen Verschattungselement,
- 4 eine weitere Variante des Absorbers gemäß 1 mit einem in den Buchtungen des Faltenbalgs gehaltenen Verschattungselement, sowie
- 5 einen Absorber wie in 1, im Längsschnitt, jedoch mit einem innenliegenden Faltenbalg.
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1 zeigt ein Ende eines Absorbers 1 eines solarthermischen Kraftwerks mit Fresnel-Kollektoren, welcher aus einem innenliegenden Absorberrohr 2 und einem außenliegenden Hüllrohr 3 besteht. Im Inneren des Absorberrohrs 2 wird ein Wärmeträgermedium geführt, welches aufgrund einer mittels einer Spiegelanordnung fokussierten Bestrahlung mit Sonnenstrahlung erhitzt wird. Das Wärmeträgermedium leitet die auf diesem Weg eingekoppelte Wärmeenergie zur weiteren Verwendung ab.
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Zwischen dem Absorberrohr 2 und dem transparenten Hüllrohr 3 ist ein Zwischenraum 4 angelegt, welcher evakuiert und verschlossen wird, so dass eine Konvektion in dem Zwischenraum 4 nicht stattfinden kann. Das Hüllrohr 3 ist hierzu aus Glas hergestellt und lässt damit den überwiegenden Teil der auf das Absorberrohr 2 fokussierten Sonnenstrahlung zu diesem durch. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien unterliegen das Absorberrohr 2 und das Hüllrohr 3 unterschiedlichen Längenausdehnungen, so dass der Zwischenraum 4 mittels einer flexiblen Verbindung abgedichtet werden muss. Hierfür wird ein metallischer Faltenbalg 6 verwendet, welcher an dem Absorberrohr 2 anliegt und mithilfe einer geeigneten Dichtung 13 abgedichtet ist. Die Verbindung mit dem Hüllrohr 3 erfolgt hingegen über eine Kontaktstelle 7, die als Verguss des metallischen Faltenbalgs 6 in das Glasmaterial des Hüllrohrs 3 realisiert ist.
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Die Kontaktstelle 7, welche als Glasmetallverbund ausgestaltet ist, ist besonders anfällig für die Erhitzung durch die fokussierte Sonnenstrahlung, so dass die Kontaktstelle von einem äußeren Verschattungselement 14 in Form einer beabstandeten röhrenförmigen Hülle umgeben ist und dadurch eine direkte Einwirkung der Strahlung und die damit einhergehenden starken Temperaturschwankungen vermeidet. Allerdings kann gerade bei Fresnel-Kollektoren die Sonneneinstrahlung aufgrund der weiten Fokuslängen und der damit einhergehenden mehrfachen Umlenkung zur Erhöhung der Effizienz dazu führen, dass eine Bestrahlung auch der Innenseite der Kontaktstelle 7 mit ihrem Glasmetallverbund an dem äußeren Verschattungselement 14 vorbei erfolgt. Um auch dies zu vermeiden und entsprechende Temperaturspannungen zu umgehen, ist ein inneres Verschattungselement 5 vorgesehen, welches auch im Falle innerhalb des Absorbers oder dessen Sekundärreflektors ein- oder mehrfach reflektierter, fokussierter Sonnenstrahlung die Kontaktstelle verschattet und dessen zusätzliche Erwärmung dadurch vermeidet.
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Bei dem inneren Verschattungselement 5 handelt es sich hier im Wesentlichen um eine metallische Röhre, welche auf einer innen liegenden Reflexionsschicht 9 poliert ist und dadurch eingestrahltes Sonnenlicht, welches an dem Absorberrohr 2 vorbeifällt, reflektieren kann, um so Hitze von der vergossenen Kontaktstelle zwischen Faltenbalg 6 und Hüllrohr 3 fernzuhalten. Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine Abstrahloberfläche vorgesehen, über welche Infrarotstrahlung abgegeben werden kann, so dass die Gleichgewichtstemperatur des Reflektors möglichst gering gehalten werden kann.
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In der 1 ist eine Verbindung des inneren Verschattungselements 5 mit dem Faltenbalg im Bereich der Dichtung 13 dargestellt. Dies stellt jedoch nur eine Möglichkeit für die Anbringung des inneren Verschattungselements 5 dar. Da die Verbindung hier an einem relativ zum Absorberrohr sehr unbeweglichen Bereich des Faltenbalgs erfolgt, muss das innere Verschattungselement 5 ausreichend lang sein, um die Kontaktstelle 7 in jeder Position verdecken zu können.
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Durch eine Anbringung des Verschattungselements näher an der Kontaktstelle kann diese sowohl kürzer gehalten als auch näher an das Hüllrohr 3 herangerückt werden. Dies vermeidet, dass viel Strahlung zwischen den Verschattungselementen 5 und 14 eindringt und sichert die Kontaktstelle 7 sicher ab.
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Eine weitere Variante des inneren Verschattungselements 5 sieht gemäß 3 eine Anordnung auf dem Absorberrohr 2 vor, welche verschieblich gestaltet werden kann, um die Kontaktstelle möglichst lokal abzuschirmen. In 4 wird dies durch ein Mitnehmerelement 10 geleistet, welches etwa als Federelement ausgestaltet sein kann. Ein solches Mitnehmerelement kann in die Buchtungen 11 des Faltenbalgs 6 eingesteckt werden und bewegt sich mit der Ausdehnung des Faltenbalgs 6 mit, welche aus dem Unterschied zwischen der Längenausdehnung des Hüllrohrs 3 und des Absorberrohrs 2 resultiert. Eine Montage kann hier auf das Einstecken des inneren Verschattungselements 5 in die Buchtungen 11 des Faltenbalgs 6 beschränkt werden.
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5 schließlich zeigt einen innenliegenden Faltenbalg 6, welcher zwischen dem Absorberrohr 2 und dem Hüllrohr angeordnet ist und bei einer Ausdehnung des Absorberrohrs 2 relativ zu dem Hüllrohr nicht gedehnt sondern gestaucht wird. Hier wird ein ringförmiges inneres Verschattungselement 5 vorgesehen, welches senkrecht zur Oberfläche des Absorberrohrs 2 steht und sich radial von dieser forterstreckt.
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Vorstehend beschrieben ist somit ein vakuumisolierter Absorber, der auch bei niedrigen Sonnenständen vor einer Beaufschlagung der empfindlichen Kontaktstelle zwischen dem Faltenbalg und dem Hüllrohr mit konzentriertem Sonnenlicht geschützt ist.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Absorber
- 2
- Absorberrohr
- 3
- Hüllrohr
- 4
- Zwischenraum
- 5
- inneres Verschattungselement
- 6
- Faltenbalg
- 7
- Kontaktstelle
- 8
- Abstrahloberfläche
- 9
- Reflexionsschicht
- 10
- Mitnehmerelement
- 11
- Buchtung
- 12
- Verbindungspunkt
- 13
- Dichtung
- 14
- äußeres Verschattungselement
