DE102022111801A1

DE102022111801A1 - Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk

Info

Publication number: DE102022111801A1
Application number: DE102022111801.0A
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: 2022-05-11
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2023-11-16
Also published as: WO2023217632A1

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 wenigstens doppelwandigen Gehäuse (220), das einen Innenraum (208) umgibt und das eine Außenwand (206) und eine davon umgebene Innenwand (218) aufweist, wobei die Innenwand (218) aus einer Vielzahl von in radialer Richtung (238) quer zur Längsrichtung (215) gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten (10) gebildet ist, wobei Stirnseiten (12, 14, 16, 18) jeweils benachbarter Flächensegmente (10) wenigstens in einer Umfangsrichtung (242) einen Überlapp (50) bilden.

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 von keramischen Partikeln 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 Prozesswärmeanwendungen 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 wenigstens doppelwandigen Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das eine Außenwand und eine davon umgebene Innenwand aufweist. Die Innenwand ist aus einer Vielzahl von in radialer Richtung quer zur Längsrichtung gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten gebildet, wobei Stirnseiten jeweils benachbarter Flächensegmente wenigstens in einer Umfangsrichtung einen Überlapp bilden.
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.
Vorteilhaft können die besonderen Anforderungen an den Aufbau und die Lagerung der Bauteile der rotierenden Trommel durch die erfindungsgemäße Empfängervorrichtung erfüllt werden. An der Innenwand, an der die Partikel entlanggeführt sind, weist die üblicherweise mit einer Hochtemperaturlegierung ausgeführte Lauffläche im Betrieb für die Partikel eine Temperatur von mindestens 900°C auf.
Dies hat zur Folge, dass die üblicherweise aus Metall gefertigte Innenwand 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 die Außenwand in der Regel maximal 100°C heiß wird. Somit liegen an der Außenwand geringere thermische Dehnungen vor.
Die Dehnungsunterschiede werden üblicherweise durch eine Lagerungskonstruktion zwischen Innenwand und Außenwand kompensiert. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Innenwand trotzdem annähernd die gleiche Rotationsachse aufweist wie die Außenwand und nicht gegen die Außenwand verschoben wird. Dieses wird üblicherweise mit Festlagern und Loslagern erreicht. Loslager sperren die Relativbewegung in Rotationsrichtung. Festlager sperren die Relativbewegung in Rotationsrichtung und Längsrichtung.
Bei der vorgeschlagenen Empfängervorrichtung wird dagegen die gesamte Fläche der Innenwand aus vielen einzelnen, voneinander getrennten Flächensegmenten, beispielsweise Keramikelementen, zusammengesetzt, welche wenigstens teilweise überlappend angeordnet werden. Dazu kann in Umfangsrichtung das Nut-Feder-Prinzip zur Verbindung von gekrümmten oder planen Flächensegmente angewandt werden, sodass benachbarte Flächensegmente an ihren Stirnseiten wenigstens teilweise überlappend aneinander stoßen. Damit ist eine Bewegung der Flächensegmente in radialer Richtung nach innen nicht mehr möglich. Die radiale Bewegung nach außen kann durch eine elastische Isolierung zwischen der Innenwand und der Außenwand begrenzt werden.
Diese Isolierung kann vorgespannt sein, sodass dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand wirkt. Bei einer radialen Wärmedehnung wird die elastische Isolierung dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs kann sich die Isolierung wieder entspannen. Es muss somit zur Aufnahme der radialen Dehnung kein Dehnungsspalt mehr vorgesehen werden. Darüber hinaus müssen keine Wärmebrücken mehr durch die Isolierung geführt werden, um die Innenwand in radialer Richtung zu lagern.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung einzelner Flächensegmente stellt die mögliche vielseitige Formgebung dar. Außerdem kann die Fertigung einer hohen Stückzahl von Flächensegmenten als Gleichteilen kostengünstig realisiert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann zumindest ein Teil der Flächensegmente an ihren Stirnseiten eine Nut-Feder-Kontur aufweisen, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur eines benachbarten Flächensegments zusammenwirkt. Auf diese Weise können die Flächensegmente wenigstens teilweise ineinander greifen, sodass sie sich sowohl senkrecht zur Fläche der Flächensegmente nicht mehr in radialer Richtung der Innenwand nach innen bewegen können. Wenn die Stirnseiten benachbarter Flächensegmente gegeneinander verpresst sind, bilden die Flächensegmente eine stabile hohlzylinderförmige Innenwand. Eine Bewegung der Flächensegmente in radialer Richtung nach außen auf Grund der thermischen Ausdehnung ist dagegen möglich.
In alternativen Ausführungsformen können ein Teil der Flächensegmente mit Nuten an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten ausgebildet sein und ein weiterer Teil mit Federn an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten ausgebildet sein. Für eine geschlossene Innenwand können dann die beiden Ausführungsformen jeweils abwechselnd aneinander gefügt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann ein Teil der Flächensegmente an ihren Stirnseiten dachziegelartig überlappend angeordnet sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Flächensegmente einen Überlapp bilden, sodass sie sich bei thermischer Ausdehnung wenigstens teilweise übereinander schieben können. Dabei können günstigerweise die geometrischen Dimensionen der Innenwand weitestgehend konstant bleiben.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand gegen die Außenwand in radialer Richtung wenigstens teilweise mittels ersten Federelementen abgestützt sein. Auf diese Weise kann eine radiale Bewegung der Flächensegmente nach außen begrenzt werden, indem die Flächensegmente durch Federkraft vorgespannt gegen die Außenwand abgestützt sind, sodass dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand wirkt. Bei einer radialen Wärmedehnung werden die ersten Federelemente dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs können sich die Federelemente wieder entspannen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente einen keramischen Werkstoff aufweisen, insbesondere können die Flächensegmente aus einem keramischen Werkstoff gebildet sein.
Die Innenwand kann vorteilhaft aus keramischen Materialien aufgebaut werden statt aus einer entsprechenden Metalllegierung. Aufgrund des höheren Schmelzpunktes von Keramiken sind entsprechend auch höhere Einsatztemperaturen über 1000°C erreichbar, um weitere Prozesswärmeanwendungen in diesem Temperaturbereich erschließen zu können. Weiterhin werden bei dem Einsatz von keramischen Werkstoffen auch deutliche Lebensdauerverbesserungen der Innenwand bei Temperaturen bis 1000°C erwartet. Weiterhin weisen Keramiken einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Metalle auf, wodurch die Lagerung der heißen Innenwand in der kalten Außenwand entsprechend weniger Verformungsweg aufnehmen muss und räumlich kleiner ausfallen kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann zwischen der Innenwand und der Außenwand eine thermische Isolierung angeordnet sein, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist. Insbesondere kann dabei die thermische Isolierung die ersten Federelemente bilden. Die radiale Bewegung nach außen kann begrenzt werden durch eine elastische Isolierung zwischen der Innenwand und der Außenwand. Diese Isolierung kann eine Vorspannung erzeugen, sodass dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand wirkt. Bei einer radialen Wärmedehnung wird die elastische Isolierung dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs kann sich die Isolierung wieder entspannen. Es muss somit zur Aufnahme der radialen Dehnung kein Dehnungsspalt mehr vorgesehen werden. Darüber hinaus müssen keine Wärmebrücken mehr durch die Isolierung geführt werden, um die Innenwand in radialer Richtung zu lagern.
Thermische Isolierung mit federnder Wirkung kann beispielsweise durch polykristalline Wolle realisiert werden, wie sie beispielsweise in Abgaskatalysatoren eingesetzt ist. Dieses Material erreicht auch bei Temperaturen über 1000°C eine ausreichende Elastizität, um eine vorgegebene Federkraft auf die Flächensegmente aufzuweisen. Handelsübliche Produkte sind beispielsweise mit Zusammensetzungen der Wolle von 72% Al₂O₃ und 28% SiO₂ oder 80% Al₂O₃ und 20% SiO₂ (bestimmt durch chemische Analyse nach DIN EN 955-2; 4) erhältlich. Als Vorspannkraft genügt eine Kraft von wenigen Newton.
Es sind jedoch auch andere Materialien mit vergleichbaren Eigenschaften als thermische Isolierung einsetzbar.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand gegen die Außenwand in radialer Richtung mittels der ersten Federelemente vorgespannt angeordnet sein. Auf diese Weise kann dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand wirken. Bei einer radialen Wärmedehnung werden die ersten Federelemente dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs können die ersten Federelemente wieder entspannen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente eben oder in Umfangsrichtung gekrümmt, insbesondere als Teil eines Hohlzylindermantels, ausgebildet sein. Mit ebenen Flächensegmenten kann die Innenwand als Hohlkörper mit polygonförmigem Querschnitt ausgebildet sein. Mit gekrümmten Flächensegmenten, welche einem Kreisbogenausschnitt entsprechen, kann eine hohlzylinderförmige Gestalt der Innenwand realisiert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand in Umfangsrichtung mittels eines Festlagers gegen die Außenwand abgestützt sein. Das Festlager kann günstigerweise die Relativbewegung der Innenwand in Rotationsrichtung und, an der Stelle des Festlagers, in Längsrichtung sperren. In radialer Richtung ist dagegen eine Bewegung auf Grund der thermischen Ausdehnung möglich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann das Festlager als Anschlag gegen die Außenwand auf der Stirnseite der Flächensegmente und/oder als Fixierung der jeweiligen Flächensegmente in Umfangsrichtung und in Längsrichtung ausgebildet sein. Dabei ist die Bewegung der Flächensegmente, an denen das Festlager angeordnet ist, in Umfangsrichtung und in Längsrichtung gesperrt. Auf diese Weise kann günstigerweise die Relativbewegung der Innenwand in Rotationsrichtung und, an der Stelle der fixierten Flächensegmente, in Längsrichtung gesperrt werden. Beispielsweise kann das Festlager an einer in Schwerkraftrichtung unteren Stirnseite des untersten Rings an Flächensegmenten angeordnet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente an ihren Stirnseiten in Längsrichtung eine Nut-Feder-Kontur aufweisen, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur eines benachbarten Flächensegments zusammenwirkt. Das Nut-Feder-Prinzip kann auch zwischen der Verbindung der Flächensegmente in Längsrichtung angewandt werden. Auf diese Weise kann eine stabile Verbindung benachbarter Flächensegmente in radialer Richtung erreicht werden. Bei Erwärmung werden die Flächensegmente vom Festlager der Innenwand weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung gleiten.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand in Längsrichtung gegen den Außenmantel mittels zweiter Federelemente elastisch abgestützt sein. Insbesondere können die zweiten Federelemente an der Stirnseite der in Schwerkraftrichtung untersten Flächensegmente angeordnet sein. Bei Erwärmung werden die Flächensegmente in Längsrichtung vom Festlager der Innenwand weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung gleiten. Dabei werden zweite Federelemente gespannt, die dem Festlager gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens drücken die zweiten Federelemente die Flächensegmente wieder zurück. Die zweiten Federelemente können aus einer elastischen Isolierung oder aus metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können zwischen wenigstens einem Teil der Flächensegmente und der Außenwand elastische Rückziehelemente angeordnet sein, mittels welcher die Flächensegmente mit Federkraft in Längsrichtung gegen die Außenwand vorgespannt oder vorspannbar sind. Bei Erwärmung werden die Flächensegmente in Längsrichtung vom Festlager der Innenwand weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung gleiten. Dabei werden die Rückziehelemente gespannt, die dem Festlager gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens ziehen die Rückziehelemente die Flächensegmente wieder zurück. Die Rückziehelemente können aus einer elastischen Isolierung oder aus keramischen oder metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die ersten und zweiten Federelemente und/oder die Rückziehelemente als Federelement aus Metall oder Keramik oder als thermische Isolierung ausgebildet sein, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine definierte Federwirkung erreicht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann das Festlager in Längsrichtung an einem in Schwerkraftrichtung oberen Ende des Innenmantels oder entlang einer Länge der Innenwand angeordnet sein. Günstigerweise kann die Position des Festlagers in Längsrichtung an einer beliebigen Stelle entlang der ganzen Länge der Innenwand angeordnet sein. Beispielsweise kann das Festlager auch an einer in Schwerkraftrichtung unteren Stirnseite des untersten Rings an Flächensegmenten angeordnet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente in Längsrichtung dachziegelartig überlappend angeordnet sein. In Längsrichtung können die in Umfangsrichtung ausgebildeten Ringe aus Flächensegmenten, welche in Umfangsrichtung nach dem Nut-Feder-Prinzip verbunden sind, so aufgebaut sein, dass sie sich überlappen. Damit addiert sich die Wärmedehnung der einzelnen Flächensegmente nicht auf, da sich die Flächensegmente bei thermischer Ausdehnung in Längsrichtung teilweise übereinander schieben. Dabei weist die Wärmedehnung nur geringe Werte auf.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente mit der thermischen Isolierung in radialer Richtung formschlüssig verbunden sein. Um die Position in der Längsrichtung der Innenwand beizubehalten, können die Flächensegmente eine formschlüssige Verbindung zu der Isolierung zwischen Innenwand und Außenwand aufweisen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente mit der Außenwand mittels Halteelementen, insbesondere mittels metallischer oder keramischer Halteelemente, verbunden sein. In einer alternativen Ausführungsform kann jedes einzelne Flächensegment, um die Position in der Längsrichtung der Innenwand beizubehalten, auch durch metallische oder keramische Halteelemente am Außenmantel gelagert sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Stirnseiten der Flächensegmente in Richtung einer Dickenausdehnung der Flächensegmente eine dreieckförmige oder eine halbrunde oder eine rechteckige Nut-Feder-Kontur aufweisen. Auf diese Weise kann ein definierter Formschluss für eine ineinander greifende Verzahnung benachbarter Flächensegmente erreicht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente eine Oberflächenstruktur für eine vorgegebene Einstellung eines Reibwiderstands und/oder Rollwiderstands des Wärmeträgermediums aufweisen. Dadurch kann ein Übertrag der Wärme der Sonnenstrahlung auf das Wärmeträgermedium variiert und vorteilhaft optimiert eingestellt werden.
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.
Zeichnung
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 ein Gehäuse eines Behälters der Empfängervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung;
3 einen Querschnitt durch das Gehäuse nach 2 mit einer Innenwand und ersten Federelementen;
4 einen Längsschnitt durch eine Innenwand nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 einen Längsschnitt durch einen Behälter mit Innenwand und Außenwand nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 einen Längsschnitt durch eine Innenwand nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 einen Längsschnitt durch eine Innenwand 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 ein Gehäuse 220 eines Behälters 200 der Empfängervorrichtung 110 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung.
Das Gehäuse 220 erstreckt sich in Längsrichtung 215 und umgibt einen Innenraum 208. Das Gehäuse 220 ist doppelwandig ausgebildet und weist eine Außenwand 206 und eine davon umgebene Innenwand 218 auf. Außenwand 206 und Innenwand 218 sind hohlzylinderförmig ausgebildet. Die Innenwand 218 ist aus einer Vielzahl von in radialer Richtung 238 quer zur Längsrichtung 215 gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten 10 gebildet.
Bei einem Innendurchmesser des Gehäuses 220 von ca. 5 m können die Flächensegmente 10 beispielsweise Abmessungen von 0,25 m x 0,25 m aufweisen.
Die Flächensegmente 10 können zweckmäßigerweise als Keramikelemente in Form von Kacheln ausgebildet sein. Die Dimensionen können beispielsweise 0,25 m x 0,25 m betragen, bei einem Innendurchmesser der Innenwand 218 von ca. 5 m.
Zwischen der Innenwand 218 und der Außenwand 206 ist eine thermische Isolierung 20 angeordnet, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist. Dazu kann beispielsweise polykristalline Wolle verwendet werden, wie sie beispielsweise in Abgaskatalysatoren eingesetzt ist.
Die radiale Bewegung nach außen kann begrenzt werden durch eine elastische Isolierung 20 zwischen der Innenwand 218 und der Außenwand 206. Diese Isolierung 20 kann eine Vorspannung in Form von ersten Federelementen 40 erzeugen, sodass dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand 218 wirkt. Bei einer radialen Wärmedehnung wird die elastische Isolierung 20 dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs kann sich die Isolierung 20 wieder entspannen. Es muss somit zur Aufnahme der radialen Dehnung kein Dehnungsspalt mehr vorgesehen werden. Darüber hinaus müssen keine Wärmebrücken mehr durch die Isolierung 20 geführt werden, um die Innenwand 218 in radialer Richtung zu lagern.
3 zeigt einen Querschnitt durch das Gehäuse 220 nach 2 mit der Innenwand 218 und den ersten Federelementen 40. Isolierung 20 und erste Federelemente 40 sind schematisch als Spiralfedern dargestellt.
Der Übersichtlichkeit halber sind Bezugszeichen, wie in den folgenden Figuren, jeweils nur an einzelnen Bauteilen angebracht.
Wie in 3 erkennbar, sind die Flächensegmente 10 auf dem Umfang der Innenwand 218 so angeordnet, dass Stirnseiten 12, 14 jeweils benachbarter Flächensegmente 10 in der Umfangsrichtung 242 einen Überlapp 50 bilden und ineinander greifen. Dabei weisen die Flächensegmente 10 jeweils an ihren Stirnseiten 12, 14 eine Nut-Feder-Kontur 24, 26 auf, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur 25, 27 eines benachbarten Flächensegments 10 zusammenwirkt.
Die Flächensegmente 10 sind bei dem Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung 242 in Form eines Kreisbogenausschnitts gekrümmt, und bilden so einen Teil eines Hohlzylindermantels.
Die Stirnseiten 12, 14, 16, 18 der Flächensegmente 10 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel in Richtung einer Dickenausdehnung 22 der Flächensegmente 10 eine dreieckförmige Nut-Feder-Kontur 24, 26 auf. Alternativ ist auch möglich, dass die Nut-Feder-Kontur 24, 26 halbrund oder rechteckig oder in einer anderen günstigen Form ausgeführt ist. Auf diese Weise kann ein definierter Formschluss für eine ineinander greifende Verzahnung benachbarter Flächensegmente 10 erreicht werden.
Die Innenwand 218 wird gegen die Außenwand 206 in radialer Richtung 238 mittels der ersten Federelemente 40 abgestützt.
Insbesondere kann die thermische Isolierung 20 die ersten Federelemente 40 bilden, welche die Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 abstützen.
Dabei kann die Innenwand 218 zweckmäßigerweise gegen die Außenwand 206 in radialer Richtung 238 mittels der ersten Federelemente 40 vorgespannt angeordnet sein. Auf diese Weise kann dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand 218 wirken. Bei einer radialen Wärmedehnung werden die ersten Federelemente 40 dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs können die ersten Federelemente 40 wieder entspannen.
Die Bewegung der Innenwand 218 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in 3 mit einem Pfeil 46 dargestellt.
4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Innenwand 218 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Innenwand 218 ist in Umfangsrichtung 242 mittels eines Festlagers 30 gegen die, nicht dargestellte, Außenwand 206 abgestützt. Das Festlager 30 kann dabei als Fixierung der jeweiligen Flächensegmente 10 in Umfangsrichtung 242 ausgebildet sein. Die Außenwand 206 ist dabei nicht dargestellt. Das Festlager 30 sperrt eine Bewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Umfangsrichtung 242 und, an der Stelle der jeweiligen Flächensegmente 10, an denen das Festlager 30 angeordnet ist, in Längsrichtung 215. Eine Bewegung der Innenwand 218 in radialer Richtung 238 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist jedoch möglich.
Die Flächensegmente 10 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel an ihren Stirnseiten 16, 18 in Längsrichtung 215 ebenfalls eine Nut-Feder-Kontur 26 auf, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur 27 eines benachbarten Flächensegments 10 zusammenwirkt.
Das Nut-Feder-Prinzip kann auch zwischen der Verbindung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 angewandt werden. Auf diese Weise kann eine stabile Verbindung benachbarter Flächensegmente 10 in radialer Richtung 238 erreicht werden.
Die Innenwand 218 ist in Längsrichtung 215 gegen den Außenmantel 206 mittels zweiter Federelemente 42 elastisch abgestützt. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die zweiten Federelemente 42 an der Stirnseite 26 der in Schwerkraftrichtung g untersten Flächensegmente 10 angeordnet.
Bei Erwärmung werden die Flächensegmente 10 vom Festlager 30 der Innenwand 218 weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung 20 gleiten. Dabei werden die zweiten Federelemente 42 gespannt, die dem Festlager 30 gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens drücken die zweiten Federelemente 42 die Flächensegmente 10 wieder zurück. Die zweiten Federelemente 42 können aus einer elastischen Isolierung 20 oder aus metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in 4 mit einem Pfeil 48 dargestellt.
In 5 ist ein Längsschnitt durch einen Behälter 200 mit Innenwand 218 und Außenwand 206 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Innenwand 218 weist auch bei diesem Ausführungsbeispiel Flächensegmente 10 auf, welche nach dem Nut-Feder-Prinzip zusammengefügt sind. Dabei sind jedoch zwischen wenigstens einem Teil der Flächensegmente 10 und der Außenwand 206 elastische Rückziehelemente 44 angeordnet, mittels welcher die Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 gegen die Außenwand 206 vorgespannt oder vorspannbar sind.
Bei Erwärmung werden die Flächensegmente 10 in Längsrichtung vom Festlager 30 der Innenwand 218 weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung 20 gleiten. Dabei werden die Rückziehelemente 44 gespannt, die dem Festlager 30 gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens ziehen die Rückziehelemente 44 die Flächensegmente 10 wieder zurück. Die Rückziehelemente 44 können aus einer elastischen Isolierung 20 oder aus keramischen oder metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Die Rückziehelemente 44 wie auch die ersten und zweiten Federelemente 40, 42 der vorigen Ausführungsbeispiele können vorteilhaft als Federelement aus Metall oder Keramik oder als thermische Isolierung 20 ausgebildet sein, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist.
Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in 5 mit einem Pfeil 48 dargestellt.
Die Innenwand 218 ist mit einem, in 5 nicht dargestellten, Festlager 30 gegen die Außenwand 206 gelagert. Das Festlager 30 kann dabei in Längsrichtung 215 an einem in Schwerkraftrichtung g oberen Ende 32 des Innenmantels 218 oder entlang einer Länge 28 der Innenwand 218 angeordnet sein. Günstigerweise kann die Position des Festlagers 30 in Längsrichtung 215 an einer beliebigen Stelle entlang der ganzen Länge 28 der Innenwand 218 angeordnet sein.
6 zeigt einen Längsschnitt durch eine Innenwand 218 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dabei sind die Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 dachziegelartig überlappend angeordnet, wobei zumindest ein Teil der Flächensegmente 10 an ihren Stirnseiten 16, 18 dachziegelartig überlappend angeordnet sind.
In Längsrichtung 215 können in Umfangsrichtung 242 ausgebildete Ringe aus Flächensegmenten 10, welche in Umfangsrichtung 242 nach dem Nut-Feder-Prinzip verbunden sind, so aufgebaut sein, dass sie sich überlappen. Damit addiert sich die Wärmedehnung der einzelnen Flächensegmente 10 nicht auf, da sich die Flächensegmente 10 bei thermischer Ausdehnung in Längsrichtung 215 teilweise übereinander schieben. Die Wärmedehnung weist dabei nur geringe Werte auf.
Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in 6 mit einem Pfeil 48 dargestellt. Der Überlapp 50 ist beispielhaft an einem Flächensegment 10 dargestellt und kann sich dabei durch die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 verändern.
Die Flächensegmente 10 können zweckmäßigerweise mit der thermischen Isolierung 20 in radialer Richtung 238 formschlüssig verbunden sein. Um ihre Position in der Längsrichtung 215 der Innenwand 218 beizubehalten, können die Flächensegmente 10 eine formschlüssige Verbindung zu der Isolierung 20 zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform können die Flächensegmente 10 mit der Außenwand 206 auch mittels Halteelementen, insbesondere mittels metallischer oder keramischer Halteelemente, verbunden sein. So kann jedes einzelne Flächensegment 10, um die Position in der Längsrichtung der Innenwand 218 beizubehalten, auch durch metallische oder keramische Halteelemente am Außenmantel 206 gelagert sein.
7 zeigt einen Längsschnitt durch eine Innenwand 218 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Innenwand 218 ist in Umfangsrichtung 242 und in Längsrichtung 215 mittels eines Festlagers 30 gegen die, nicht dargestellte, Außenwand 206 abgestützt. Das Festlager 30 ist dabei als Anschlag gegen die Außenwand 206 auf der unteren Stirnseite 26 des untersten Rings der Flächensegmente 10 ausgebildet. Die Außenwand 206 als Gegenlager ist nicht dargestellt. Das Festlager 30 sperrt eine Bewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Umfangsrichtung 242 und, an der Stelle der untersten Flächensegmente 10, an denen das Festlager 30 angeordnet ist, in Längsrichtung 215. Eine Bewegung der Innenwand 218 in radialer Richtung 238 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist jedoch möglich.
Die Flächensegmente 10 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel, wie auch bei den in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen, an ihren Stirnseiten 16, 18 in Längsrichtung 215 eine Nut-Feder-Kontur 26 auf, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur 27 eines benachbarten Flächensegments 10 zusammenwirkt.
Die Innenwand 218 ist in Längsrichtung 215 gegen den Außenmantel 206 mittels zweiter Federelemente 42 elastisch abgestützt. Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die zweiten Federelemente 42 an der Stirnseite 16 der in Schwerkraftrichtung g obersten Flächensegmente 10 angeordnet.
Bei Erwärmung werden die Flächensegmente 10 vom Festlager 30 der Innenwand 218 weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung 20 gleiten. Dabei werden die zweiten Federelemente 42 gespannt, die dem Festlager 30 gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens drücken die zweiten Federelemente 42 die Flächensegmente 10 wieder zurück. Die zweiten Federelemente 42 können aus einer elastischen Isolierung 20 oder aus metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in 7 mit einem Pfeil 48 dargestellt.
Bei allen Ausführungsbeispielen können die Flächensegmente 10 vorteilhaft eine Oberflächenstruktur für eine vorgegebene Einstellung eines Reibwiderstands und/oder Rollwiderstands des Wärmeträgermediums 210 aufweisen. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit, mit der Wärmeträgermedium-Film 212 (siehe 1) an einer Innenseite der Innenwand 218 in Schwerkraftrichtung g nach unten gleitet, beeinflusst werden. Dadurch kann ein Übertrag der Wärme der Sonnenstrahlung 112 auf das Wärmeträgermedium 210 variiert und vorteilhaft optimiert eingestellt werden.
Bezugszeichen

10: Flächensegment
12: Stirnseite
14: Stirnseite
16: Stirnseite
18: Stirnseite
20: thermische Isolierung
22: Dickenausdehnung
24: Kontur
25: Gegenkontur
26: Kontur
27: Gegenkontur
28: Länge
30: Festlager
32: Ende
34: Stirnseite
40: erstes Federelement
42: zweites Federelement
44: Rückziehelement
46: thermische Ausdehnung
48: thermische Ausdehnung
50: Überlapp
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
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 wenigstens doppelwandigen Gehäuse (220), das einen Innenraum (208) umgibt und das eine Außenwand (206) und eine davon umgebene Innenwand (218) aufweist, wobei die Innenwand (218) aus einer Vielzahl von in radialer Richtung (238) quer zur Längsrichtung (215) gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten (10) gebildet ist, wobei Stirnseiten (12, 14, 16, 18) jeweils benachbarter Flächensegmente (10) wenigstens in einer Umfangsrichtung (242) einen Überlapp (50) bilden.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der Flächensegmente (10) an ihren Stirnseiten (12, 14, 16, 18) eine Nut-Feder-Kontur (24, 26) aufweisen, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur (25, 27) eines benachbarten Flächensegments (10) zusammenwirkt.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, zumindest ein Teil der Flächensegmente (10) an ihren Stirnseiten (12, 14, 16, 18) dachziegelartig überlappend angeordnet sind.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) gegen die Außenwand (206) in radialer Richtung (238) wenigstens teilweise mittels ersten Federelementen (40) abgestützt ist.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) einen keramischen Werkstoff aufweisen, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff gebildet sind.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Innenwand (218) und der Außenwand (206) eine thermische Isolierung (20) angeordnet ist, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist, insbesondere wobei die thermische Isolierung (20) die ersten Federelemente (40) bildet.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) gegen die Außenwand (206) in radialer Richtung (238) mittels der ersten Federelemente (40) vorgespannt angeordnet ist.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) eben oder in Umfangsrichtung (242) gekrümmt, insbesondere als Teil eines Hohlzylindermantels, ausgebildet sind.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) in Umfangsrichtung (242) mittels eines Festlagers (30) gegen die Außenwand (206) abgestützt ist.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Festlager (30) als Anschlag gegen die Außenwand (206) auf der Stirnseite (18) der Flächensegmente (10) und/oder als Fixierung der jeweiligen Flächensegmente (10) in Umfangsrichtung (242) und in Längsrichtung (215) ausgebildet ist.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) an ihren Stirnseiten (16, 18) in Längsrichtung (215) eine Nut-Feder-Kontur (26) aufweisen, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur (27) eines benachbarten Flächensegments (10) zusammenwirkt.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) in Längsrichtung (215) gegen den Außenmantel (206) mittels zweiter Federelemente (42) elastisch abgestützt ist, insbesondere wobei die zweiten Federelemente (42) an den Stirnseiten (16, 18) der in Schwerkraftrichtung (g) obersten oder untersten Flächensegmente (10) angeordnet sind.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen wenigstens einem Teil der Flächensegmente (10) und der Außenwand (206) elastische Rückziehelemente (44) angeordnet sind, mittels welcher die Flächensegmente (10) mit Federkraft in Längsrichtung (215) gegen die Außenwand (206) vorgespannt oder vorspannbar sind.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die ersten und zweiten Federelemente (40, 42) und/oder die Rückziehelemente (44) als Federelement aus Metall oder Keramik oder als thermische Isolierung (20) ausgebildet sind, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist.
Empfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Festlager (30) in Längsrichtung (215) an einem in Schwerkraftrichtung (g) oberen Ende (32) des Innenmantels (218) oder entlang einer Länge (28) der Innenwand (218) angeordnet ist.
Empfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Flächensegmente (10) in Längsrichtung (215) dachziegelartig überlappend angeordnet sind.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Flächensegmente (10) mit der thermischen Isolierung (20) in radialer Richtung (238) formschlüssig verbunden sind.
Empfängervorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Flächensegmente (10) mit der Außenwand (206) mittels Halteelementen, insbesondere mittels metallischer oder keramischer Halteelemente, verbunden sind.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stirnseiten (12, 14, 16, 18) der Flächensegmente (10) in Richtung einer Dickenausdehnung (22) der Flächensegmente (10) eine dreieckförmige oder eine halbrunde oder eine rechteckige Nut-Feder-Kontur (24, 26) aufweisen.
Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) eine Oberflächenstruktur für eine vorgegebene Einstellung eines Reibwiderstands und/oder Rollwiderstands des Wärmeträgermediums (210) aufweisen.
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.