DE102022209642A1

DE102022209642A1 - Solar thermal module

Info

Publication number: DE102022209642A1
Application number: DE102022209642.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hueck; Robert Hilleke
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-03-14
Also published as: WO2024056658A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein solarthermisches Modul als Teil eines solarthermischen Receivers mit einem hohen thermischen Wirkungsgrad für die Absorption von Sonnenstrahlung zur Erhitzung eines im Innern jedes solarthermischen Moduls strömenden Wärmeträgermediums. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen solarthermischen Receiver umfassend die erfindungsgemäßen solarthermischen Module. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verwendung der solarthermischen Receiver.The present invention relates to a solar thermal module as part of a solar thermal receiver with a high thermal efficiency for the absorption of solar radiation to heat a heat transfer medium flowing inside each solar thermal module. The present invention further relates to a solar thermal receiver comprising the solar thermal modules according to the invention. The present invention also relates to a method for using the solar thermal receiver.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein solarthermisches Modul für die Absorption von konzentrierter Sonnenstrahlung zur Erhitzung eines im Innern des Moduls strömenden Wärmeträgermediums. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen solarthermischen Receiver umfassend die erfindungsgemäßen solarthermischen Module. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verwendung der solarthermischen Receiver.The present invention relates to a solar thermal module for the absorption of concentrated solar radiation for heating a heat transfer medium flowing inside the module. The present invention further relates to a solar thermal receiver comprising the solar thermal modules according to the invention. The present invention also relates to a method for using the solar thermal receiver.

Die Solarthermie ist grundsätzlich ein bekanntes Gebiet und seit vielen Jahren werden entsprechende Lösungen diskutiert, um Energie aus der Sonnenstrahlung effizient zu gewinnen. Dennoch stellen praktische Probleme die breite Anwendung von beispielsweise solarthermischen Turmanlagen in Frage. Derartige solarthermische Turmanlagen umfassen einen Turm, einen solarthermischen Receiver, der im oberen Bereich des Turms angeordnet ist und dort ein Wärmeträgermedium erhitzt, sowie eine Vielzahl von am Boden angeordneten Heliostaten, die derart ausgerichtet werden, dass ihre Spiegel die Sonnenstrahlung zu dem Receiver reflektieren. In dem Receiver wird die konzentrierte Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt und auf das Wärmeträgermedium übertragen. Das erwärmte Wärmeträgermedium wird dann einem geeigneten Wärmeverbraucher bzw. einem Wärmespeicher zur späteren Verwendung zugeführt.Solar thermal energy is basically a well-known area and appropriate solutions have been discussed for many years to efficiently generate energy from solar radiation. Nevertheless, practical problems question the widespread use of solar thermal tower systems, for example. Such solar thermal tower systems include a tower, a solar thermal receiver, which is arranged in the upper area of the tower and heats a heat transfer medium there, and a large number of heliostats arranged on the floor, which are aligned in such a way that their mirrors reflect the solar radiation to the receiver. In the receiver, the concentrated solar radiation is converted into heat and transferred to the heat transfer medium. The heated heat transfer medium is then fed to a suitable heat consumer or a heat storage device for later use.

Beispielsweise die Patentschrift EP 2 520 872 B1 offenbart insbesondere in deren 4 ein solarthermisches Modul, welches als solarthermischer Receiver umfassend mehrere solarthermische Module ähnlich EP 2 520 872 B1 , 2, in entsprechenden Anlagen ähnlich EP 2 520 872 B1 , 1, eingesetzt werden können soll. Aufgrund der besonderen Form der Außenoberfläche mit Erhebungen und Vertiefungen versprechen solche Receiver einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Receiver zur Erhitzung eines Wärmeträgermediums mit einer glatten Außenoberfläche. Das kalte Wärmeträgermedium wird nämlich im Innern eines solchen besonderen solarthermischen Moduls direkt zu dessen jeweiliger Erhebung geleitet und kühlt diese damit besonders wirksam. Anschließend strömt das Wärmeträgermedium im Innern des Moduls in Richtung der Vertiefungen der Außenoberfläche, wird dabei weiter erhitzt und verlässt schließlich das jeweilige solarthermische Modul. Auf den Außenoberflächen der Erhebungen wird nicht absorbierte solare Wärme nicht vollständig in die Umgebung abgestrahlt und ginge damit verloren, sondern strahlt zum Teil auf die jeweils angrenzenden Erhebungen, so dass auch ein Teil dieser Wärme vom Wärmeträgermedium aufgenommen und abgeführt werden kann.For example, the patent specification EP 2 520 872 B1 revealed in particular in their 4 a solar thermal module, which acts as a solar thermal receiver comprising several solar thermal modules EP 2 520 872 B1 , 2 , similar in corresponding systems EP 2 520 872 B1 , 1 , should be able to be used. Due to the special shape of the outer surface with elevations and depressions, such receivers promise higher efficiency than conventional receivers for heating a heat transfer medium with a smooth outer surface. The cold heat transfer medium inside such a special solar thermal module is conducted directly to the respective elevation and thus cools it particularly effectively. The heat transfer medium then flows inside the module towards the depressions on the outer surface, is heated further and finally leaves the respective solar thermal module. Solar heat that is not absorbed on the outer surfaces of the elevations is not completely radiated into the surroundings and would therefore be lost, but rather radiates partially onto the adjacent elevations, so that part of this heat can also be absorbed and dissipated by the heat transfer medium.

Praktisch jedoch zeigt sich, dass derartige solarthermische Module nicht zum Einsatz kommen, weil viele Details der technischen Umsetzung ungelöst sind. Dazu gehören z.B. der Ausgleich von Wärmedehnungen bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität der Module, die geeignete Abdichtung der Strömungswege sowie die ausreichende Kühlung aller thermisch belasteten Bauteile.In practice, however, it turns out that such solar thermal modules are not used because many details of the technical implementation are unresolved. These include, for example, the compensation of thermal expansion while maintaining mechanical stability of the modules, the appropriate sealing of the flow paths and the adequate cooling of all thermally loaded components.

Daher besteht noch immer ein Problem darin, das Wärmeträgermedium mit einem geeigneten solarthermischen Modul ähnlich EP 2 520 872 B1 , 4, so zu erhitzen, dass sich aufgrund der besonderen Form der Außenoberfläche eines aus mehreren Modulen aufgebauten solarthermischen Receivers ähnlich EP 2 520 872 B1 , 2, ein besonders hoher Wirkungsgrad ergibt. Zu dieser besonderen Form der Außenoberfläche, die für einen hohen Wirkungsgrad erforderlich ist, gehört die Eigenschaft, dass das kalte Wärmeträgermedium die vordere Spitze des solarthermischen Moduls auf seiner Innenseite kühlen soll, um dann im Zuge seiner weiteren Erhitzung nach hinten abzuströmen. Hierfür muss das zuströmende kalte Wärmeträgermedium zwangsläufig durch den Strömungsbereich des heißen abströmenden Wärmeträgermediums hindurchgeführt werden. Insbesondere bestehen hierzu die Probleme, dass die heißen und kalten Zonen des solarthermischen Moduls ausreichend voneinander isoliert sein müssen, Wärmedehnungen adäquat ausgeglichen werden und der Receiver dabei ausreichend mechanisch belastbar sowie hinreichend dicht sein muss. Dabei liegen große Temperaturdifferenzen im solarthermischen Modul vor, denn dessen Außenseite ist hoch konzentrierter Sonnenstrahlung ausgesetzt, während das zuströmende Wärmeträgermedium eine niedrige Temperatur und das abströmende Medium eine hohe Temperatur aufweist.Therefore, there is still a problem in matching the heat transfer medium with a suitable solar thermal module EP 2 520 872 B1 , 4 , to be heated in such a way that, due to the special shape of the outer surface of a solar thermal receiver made up of several modules, is similar EP 2 520 872 B1 , 2 , results in a particularly high level of efficiency. This special shape of the outer surface, which is required for high efficiency, includes the property that the cold heat transfer medium should cool the front tip of the solar thermal module on its inside, and then flow away to the rear as it heats up further. For this purpose, the inflowing cold heat transfer medium must necessarily be guided through the flow area of the hot outflowing heat transfer medium. In particular, there are the problems that the hot and cold zones of the solar thermal module must be sufficiently insulated from one another, thermal expansion must be adequately compensated for and the receiver must be sufficiently mechanically resilient and sufficiently tight. There are large temperature differences in the solar thermal module because its outside is exposed to highly concentrated solar radiation, while the inflowing heat transfer medium has a low temperature and the outflowing medium has a high temperature.

Diese und weitere Probleme werden durch die nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der ausführlichen Beschreibung. Diese Vorteile können genutzt werden, um eine Lösung an spezifische Bedürfnisse anzupassen oder weitere Probleme zu lösen.These and other problems are solved by the devices and methods described below. Further advantageous embodiments can be found in the dependent claims and the detailed description. These benefits can be used to tailor a solution to specific needs or to solve additional problems.

Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein solarthermisches Modul geeignet zur Nutzung als Bestandteil eines solarthermischen Receivers für die Absorption von Sonnenstrahlung zur Erwärmung eines im Innern des solarthermischen Moduls strömenden Wärmeträgermediums mit folgenden Merkmalen, wobei das solarthermische Modul einen Absorptionsbereich für Sonnenstrahlung aufweist,
wobei der Absorptionsbereich eine Außenoberfläche aufweist, wobei die Außenoberfläche des Absorptionsbereichs im Wesentlichen konvex in Form einer Kappe ausgeformt ist,
wobei der Absorptionsbereich für Sonnenstrahlung undurchlässig ist,
wobei das solarthermische Modul geeignet ist an einen Wärmeträgermediumzuführkanal angeschlossen zu werden, von dem aus das Wärmeträgermedium in das solarthermische Modul eintritt, wobei das dem solarthermischen Modul angepasst ist, dass das zugeführte Wärmeträgermedium das solarthermische Modul durch mindestens ein Innenrohr durchströmt,
wobei das Wärmeträgermedium im Innern des solarthermischen Moduls zunächst an die Spitze des Absorptionsbereichs geführt wird,
wobei das Wärmeträgermedium von der Spitze des Absorptionsbereichs im Inneren des solarthermischen Moduls entlang des verbleibenden Absorptionsbereichs geleitet wird,
wobei das solarthermische Modul angepasst ist, dass das Wärmeträgermedium durch einen Auslass in einen Wärmeträgermediumabführkanal verlässt,
wobei das mindestens eine Innenrohr ein Innenrohr A umfasst, wobei ein Abschnitt des Innenrohrs A angepasst ist durch den Wärmeträgermediumabführkanal hindurch zu verlaufen,
wobei der Abschnitt des Innenrohrs A von einem Außenrohr umschlossen ist,
wobei das Außenrohr angepasst ist, einen Teil der Wandung des Wärmeträgermediumabführkanals zu bilden,
wobei das solarthermische Modul mindestens ein Federelement im Kraftfluss zwischen dem Innenrohr A und dem Außenrohr aufweist,
wobei das mindestens eine Federelement angepasst ist eine unterschiedliche Wärmedehnung von Innenrohr A und von Außenrohr auszugleichen,
wobei das mindestens eine Federelement eine Federkraft aufweist, welche im Innenrohr A als Zugkraft und im Außenrohr als Druckkraft übertragen wird.According to one aspect, the present invention relates to a solar thermal module suitable for use as a component of a solar thermal receiver for the absorption of solar radiation for heating a heat transfer medium flowing inside the solar thermal module with the following features, wherein the solar thermal module has an absorption area for solar radiation,
wherein the absorption region has an outer surface, the outer surface of the absorbent tion area is essentially convex in the form of a cap,
where the absorption area is opaque to solar radiation,
wherein the solar thermal module is suitable for being connected to a heat transfer medium supply channel from which the heat transfer medium enters the solar thermal module, which is adapted to the solar thermal module so that the supplied heat transfer medium flows through the solar thermal module through at least one inner tube,
whereby the heat transfer medium inside the solar thermal module is first guided to the top of the absorption area,
wherein the heat transfer medium is guided from the tip of the absorption region inside the solar thermal module along the remaining absorption region,
wherein the solar thermal module is adapted so that the heat transfer medium leaves through an outlet into a heat transfer medium discharge channel,
wherein the at least one inner tube comprises an inner tube A, a section of the inner tube A being adapted to run through the heat transfer medium discharge channel,
wherein the section of the inner tube A is enclosed by an outer tube,
wherein the outer tube is adapted to form part of the wall of the heat transfer medium discharge channel,
wherein the solar thermal module has at least one spring element in the force flow between the inner tube A and the outer tube,
wherein the at least one spring element is adapted to compensate for different thermal expansion of the inner tube A and the outer tube,
wherein the at least one spring element has a spring force which is transmitted in the inner tube A as a tensile force and in the outer tube as a compressive force.

Es wurde beobachtet, dass eine derartige Konstruktion des solarthermischen Moduls eine deutliche Minimierung von Wärmespannungen ermöglicht. Ferner wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäßen solarthermischen Module einen höheren thermischen Wirkungsgrad bereitstellen. Besonders effektiv sind die erfindungsgemäßen solarthermischen Module bei der Absorption fokussierter Sonnenstrahlung. Solche fokussierte Sonnenstrahlung wird beispielsweise durch Verwendung von Heliostaten bereitgestellt, wodurch die Sonnenstrahlung aus großen Arealen auf die erfindungsgemäßen solarthermischen Module von solarthermischen Receivern gebündelt werden kann.It was observed that such a design of the solar thermal module enables thermal stresses to be significantly minimized. Furthermore, it was found that the solar thermal modules according to the invention provide a higher thermal efficiency. The solar thermal modules according to the invention are particularly effective in absorbing focused solar radiation. Such focused solar radiation is provided, for example, by using heliostats, whereby the solar radiation from large areas can be concentrated onto the solar thermal modules of solar thermal receivers according to the invention.

Der Begriff „Absorptionsbereich“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet den Bereich des solarthermischen Moduls, welcher angepasst ist, um auf seiner Außenseite von der Sonnenstrahlung erhitzt auf seiner Innenseite vom Wärmeträgermedium gekühlt zu werden.The term “absorption area” in the sense of the present invention refers to the area of the solar thermal module, which is adapted to be heated on its outside by solar radiation and cooled on its inside by the heat transfer medium.

Der Begriff „Spitze des Absorptionsbereichs“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet das Ende des solarthermischen Moduls, welches dem Einströmende des solarthermischen Moduls gegenüberliegt, welches angepasst ist, dass durch das Einströmende das Wärmeträgermedium in das solarthermische Modul strömt.The term “tip of the absorption region” in the sense of the present invention refers to the end of the solar thermal module, which is opposite the inflow end of the solar thermal module, which is adapted so that the heat transfer medium flows into the solar thermal module through the inflow end.

Der Begriff „im Wesentlichen konvexe Außenoberfläche des Absorptionsbereichs“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet, dass die Außenoberfläche des Absorptionsbereichs des solarthermischen Moduls im Wesentlichen eine konvexe Form aufweist. Vorzugsweise weisen lediglich die verbindenden Bereiche der nebeneinander angeordneten Absorptionsbereiche nicht-konvexe Bestandteile auf.The term “substantially convex outer surface of the absorption region” in the sense of the present invention means that the outer surface of the absorption region of the solar thermal module essentially has a convex shape. Preferably, only the connecting areas of the absorption areas arranged next to one another have non-convex components.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen solarthermischen Receiver umfassend eine Vielzahl von erfindungsgemäßen solarthermischen Modulen, einen Wärmeträgermediumzuführkanal und einen Wärmeträgermediumabführkanal,
wobei der Wärmeträgermediumzuführkanal mit der Vielzahl von solarthermischen Modulen verbunden ist,
wobei ein Teil des Wärmeträgermediumabführkanals durch ein Außenrohr der Vielzahl von solarthermischen Modulen gebildet wird.According to a further aspect, the present invention relates to a solar thermal receiver comprising a plurality of solar thermal modules according to the invention, a heat transfer medium supply channel and a heat transfer medium discharge channel,
wherein the heat transfer medium supply channel is connected to the plurality of solar thermal modules,
wherein a part of the heat transfer medium discharge channel is formed by an outer tube of the plurality of solar thermal modules.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung thermischer Energie aus Sonnenstrahlung, wobei Sonnenstrahlung mittels einer Vielzahl an erfindungsgemäßen solarthermischen Modulen absorbiert und deren Wärme in ein Wärmeträgermedium überführt wird,
wobei das Wärmeträgermedium aus der Vielzahl an solarthermischen Modulen in einen Wärmeträgermediumabführkanal geführt wird,
wobei das Wärmeträgermedium von dem Wärmeträgermediumabführkanal in mindestens einen Wärmeverbraucher und/oder in mindestens einen Wärmespeicher geleitet wird,
wobei das Wärmeträgermedium von dem mindestens einen Wärmeverbraucher und/oder dem mindestens einen Wärmespeicher in den Wärmeträgermediumzuführkanal geleitet wird,
wobei das Wärmeträgermedium von dem Wärmeträgermediumzuführkanal erneut in die Vielzahl an solarthermischen Modulen geleitet wird.According to a further aspect, the present invention relates to a method for obtaining thermal energy from solar radiation, wherein solar radiation is absorbed by means of a large number of solar thermal modules according to the invention and the heat is transferred into a heat transfer medium,
wherein the heat transfer medium is guided from the large number of solar thermal modules into a heat transfer medium discharge channel,
wherein the heat transfer medium is conducted from the heat transfer medium discharge channel into at least one heat consumer and/or into at least one heat storage,
wherein the heat transfer medium is guided from the at least one heat consumer and/or the at least one heat storage into the heat transfer medium supply channel,
wherein the heat transfer medium is fed again from the heat transfer medium supply channel into the plurality of solar thermal modules.

Zur Vereinfachung des Verständnisses der Erfindung wird auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die angehängten Figuren verwiesen. Hierbei muss verstanden werden, dass die nachstehenden Details der Ausführungsformen nicht als Einschränkungen der vorliegenden Erfindung verstanden werden dürfen. Anstelle dessen stellen diese bevorzugten Ausführungsformen mit besonderen Vorteilen dar, welche zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen können.

1 stellt eine schematische Ansicht einer solarthermischen Turmanlage dar.
2 zeigt eine Schnittansicht durch ein einzelnes solarthermisches Modul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Teilansicht der vertikalen Tragstruktur des solarthermischen Moduls mit Stegen und Buchten gemäß vorteilhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise auch in dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen solarthermischen Modul integriert ist.
4 zeigt eine Teilansicht zur Verdrehsicherung eines Schraubenkopfes gemäß vorteilhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise auch in dem in 2 dargestellten solarthermischen Modul integriert ist.

To simplify the understanding of the invention, reference is made to the following detailed description and the attached figures sen. It should be understood that the following details of the embodiments should not be construed as limitations of the present invention. Instead, these represent preferred embodiments with particular advantages which may serve to better understand the present invention.

1 represents a schematic view of a solar thermal tower system.
2 shows a sectional view through a single solar thermal module according to an embodiment of the present invention.
3 shows a partial view of the vertical support structure of the solar thermal module with webs and bays according to advantageous embodiments of the present invention, as shown, for example, in the in 2 shown solar thermal module according to the invention is integrated.
4 shows a partial view for securing a screw head against rotation according to advantageous embodiments of the present invention, as shown, for example, in the in 2 The solar thermal module shown is integrated.

Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein solarthermisches Modul wie voranstehend beschrieben.According to one aspect, the present invention relates to a solar thermal module as described above.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das solarthermische Modul eine Grundplatte B und eine Führung B umfasst, wobei die Grundplatte B und die Führung B geeignet sind, seitliche Begrenzungen des Wärmeträgermediumabführkanals zu bilden, wobei die Führung B mit einer Grundplatte C verbunden ist, wobei das solarthermische Modul jeweils eine gelenkige Verbindung an einer Auflagefläche zwischen der Grundplatte B und einem Außenrohr sowie an einer Auflagefläche zwischen Führung B und Außenrohr aufweist. Es wurde festgestellt, dass mit derartigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen solarthermischen Moduls ein vertikaler Höhenversatz in dem Wärmeträgermediumabführkanal zwischen dessen hinterer Wandung als Grundplatte B und dessen vorderer Wandung als Grundplatte C und der damit verbundenen Führung B in dem Bereich des hindurchführenden Außenrohrs sehr effektiv ausgeglichen werden kann. Der Begriff „gelenkige Verbindung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist als eine bewegliche Verbindung zwischen mindestens zwei starren Körpern zu verstehen.According to further embodiments, it is preferred that the solar thermal module comprises a base plate B and a guide B, wherein the base plate B and the guide B are suitable for forming lateral boundaries of the heat transfer medium discharge channel, the guide B being connected to a base plate C, wherein the solar thermal module each has an articulated connection on a support surface between the base plate B and an outer tube and on a support surface between the guide B and the outer tube. It was found that with such embodiments of the solar thermal module according to the invention, a vertical height offset in the heat transfer medium discharge channel between its rear wall as base plate B and its front wall as base plate C and the associated guide B in the area of the outer tube passing through can be compensated very effectively. The term “articulated connection” in the sense of the present invention is to be understood as a movable connection between at least two rigid bodies.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das solarthermische Modul auf der von der Sonnenstrahlung angestrahlten Seite eine vertikale und horizontale innere Tragstruktur aufweist, wobei die innere Tragstruktur aus einer Grundplatte C sowie einer Führung B und einem damit verschraubtem Flansch besteht, wobei die Grundplatte C von der Führung B und dem Flansch mechanisch entkoppelt ist, indem mehrere über den Umfang verteilte Stege der Grundplatte C in Einbuchtungen der Führung B geführt werden. Es wurde festgestellt, dass für typische Anwendungsfälle sich merkliche mechanische Spannungen in dem solarthermischen Modul aufbauen können. Durch den voranstehend beschriebenen Aufbau ist es hingegen möglich, dass sich auch bei sehr hohen Temperaturunterschieden zwischen dem inneren Bereich der Tragstruktur des solarthermischen Moduls, der nicht von der Sonnenstrahlung angestrahlt wird, und dem äußeren Bereich der Tragstruktur des solarthermischen Moduls, der von der Sonnenstrahlung angestrahlt wird, nur geringe mechanische Spannungen in dem solarthermischen Modul aufbauen.According to further embodiments, it is preferred that the solar thermal module has a vertical and horizontal inner support structure on the side illuminated by the solar radiation, the inner support structure consisting of a base plate C and a guide B and a flange screwed thereto, the base plate C of the guide B and the flange is mechanically decoupled by guiding several webs of the base plate C distributed over the circumference into indentations in the guide B. It was found that for typical applications, noticeable mechanical stresses can build up in the solar thermal module. However, due to the structure described above, it is possible that even with very high temperature differences between the inner area of the support structure of the solar thermal module, which is not illuminated by solar radiation, and the outer area of the support structure of the solar thermal module, which is illuminated by solar radiation will only build up low mechanical stresses in the solar thermal module.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Verbindung zwischen dem Wärmeträgermediumzuführkanal und der Innenseite der Spitze des Absorptionsbereichs aus mindestens zwei Rohrleitungen besteht, wobei die mindestens zwei Rohrleitungen gelenkig miteinander verbunden sind. Beispielsweise bei Ausführungsformen, bei denen die Befestigung des Innenrohrs B an die Innenseite der Spitze des Absorptionsbereichs eher filigran ausgeführt ist, wurde beobachtet, dass durch diesen Aufbau eine verbesserte mechanische Verlässlichkeit des solarthermischen Moduls erzielt wird.According to further embodiments, it is preferred that the connection between the heat transfer medium supply channel and the inside of the tip of the absorption region consists of at least two pipes, the at least two pipes being connected to one another in an articulated manner. For example, in embodiments in which the attachment of the inner tube B to the inside of the tip of the absorption region is carried out in a rather delicate manner, it was observed that this structure achieves improved mechanical reliability of the solar thermal module.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass eine Grundplatte A, ein Innenrohr A und ein Innenrohr B, vorzugsweise alle Bauteile, welche angepasst sind das Wärmeträgermedium im Innern des solarthermischen Moduls zur Spitze des Absorptionsbereichs zu leiten, aus metallischen Werkstoffen bestehen und wobei eine Kappe mit Kühlelementen, eine Führung A, ein Flansch, eine Grundplatte C mit Kühlelementen, eine Führung B, ein Außenrohr und eine Grundplatte B, vorzugsweise alle Bauteile, welche angepasst sind das Wärmeträgermedium im Innern des solarthermischen Moduls von der Spitze des Absorptionsbereichs wegzuleiten, aus keramischen Werkstoffen bestehen. Ein derartiger Aufbau hat sich als vorteilhaft erwiesen, um die infolge des spezifischen Aufbaus auftretenden mechanischen Spannungen zu minimieren. Die vorgenannte Materialkombination erlaubt auf sehr einfache Weise die Wärmespannungen während des Betriebs des solarthermischen Moduls gering zu halten.According to further embodiments, it is preferred that a base plate A, an inner tube A and an inner tube B, preferably all components which are adapted to conduct the heat transfer medium inside the solar thermal module to the tip of the absorption area, consist of metallic materials and include a cap Cooling elements, a guide A, a flange, a base plate C with cooling elements, a guide B, an outer tube and a base plate B, preferably all components which are adapted to direct the heat transfer medium inside the solar thermal module away from the tip of the absorption area, made of ceramic materials consist. Such a structure has proven to be advantageous in order to minimize the mechanical stresses that occur as a result of the specific structure. The aforementioned combination of materials allows the thermal stresses to be kept low during operation of the solar thermal module in a very simple manner.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich an einer Grundplatte C eine Vielzahl von Kühlelementen befindet, wobei die Kühlelemente jeweils mit einem geringen Abstand an einer Führung B angrenzen, wobei die Grundplatte C und die Führung B einen Strömungskanal für das Wärmeträgermedium bilden, wobei das solarthermische Modul einen Strömungskanal für das Wärmeträgermedium aufweist, wobei die Oberflächen der Grundplatte C und der Führung B geometrisch so gestaltet sind, dass sich die freibleibende Querschnittfläche des Strömungskanals in Strömungsrichtung kontinuierlich verkleinert. Der Begriff „geringer Abstand“ wie voranstehend angeführt bedeutet, dass die Spitzen der Kühlelemente nah an die ihnen zugewandte Oberfläche der Führung B heranreichen, vorzugsweise so nah wie möglich, dabei aber einen noch genügend großen Abstand behalten, so dass sie bei der maximal möglichen Wärmedehnung nicht an die Führung B anstoßen, ohne dass es dabei zu unzulässig hohen Druckkräften auf die Kühlelemente kommt. Die maximal mögliche Wärmedehnung ergibt sich aus den maximal möglichen Temperaturunterschieden der Grundplatte C, der Kühlelemente und der Führung B.According to further embodiments, it is preferred that there are a plurality of cooling elements on a base plate C, the cooling elements each adjoining a guide B at a small distance, the base plate C and the guide B form a flow channel for the heat transfer medium, the solar thermal module having a flow channel for the heat transfer medium, the surfaces of the base plate C and the guide B being geometrically designed in such a way that the free cross-sectional area of the flow channel continuously reduces in the direction of flow. The term “small distance” as stated above means that the tips of the cooling elements reach close to the surface of the guide B facing them, preferably as close as possible, but still retain a sufficiently large distance so that they can expand at the maximum possible thermal expansion do not hit the guide B without causing impermissibly high pressure forces on the cooling elements. The maximum possible thermal expansion results from the maximum possible temperature differences of the base plate C, the cooling elements and the guide B.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass sich im Innern des solarthermischen Moduls über den Umfang verteilte Schraubverbindungen befinden, welche jeweils eine Schraube und eine Mutter umfassen, wobei die Schraube einen Kopf aufweist, wobei der Kopf der Schraube in Längsrichtung mit mindestens einer Einbuchtung, vorzugsweise umlaufend mit Einbuchtungen, versehen ist, wobei neben dem Kopf der Schraube beispielsweise an dem Flansch eine Haltebucht vorhanden ist, und wobei die mindestens eine Einbuchtung und die Haltebucht geeignet sind, einen Sicherungsstift aufzunehmen. So wurde beobachtet, dass im erfindungsgemäßen Aufbau des solarthermischen Moduls eine weitere Verbesserung durch eine derartige Sicherungsmöglichkeit erzielt werden kann. Typischerweise ist es bevorzugt, dass das solarthermische Modul an der jeweils im Innern angeordneten Schraube auch den Sicherungsstift umfasst. Bei derartigen Ausführungsformen umfasst die Schraubverbindungen auch einen Sicherheitsstift. Durch einen solchen Sicherungsstift wird auf einfache und verlässliche Weise verhindert, dass eine unbeabsichtigte Drehung der Schraube auftritt.According to further embodiments, it is preferred that there are screw connections distributed over the circumference inside the solar thermal module, each of which comprises a screw and a nut, the screw having a head, the head of the screw having at least one indentation in the longitudinal direction, preferably is provided all around with indentations, wherein next to the head of the screw, for example, there is a holding bay on the flange, and wherein the at least one indentation and the holding bay are suitable for receiving a locking pin. It was observed that a further improvement can be achieved in the structure of the solar thermal module according to the invention through such a security option. Typically, it is preferred that the solar thermal module also includes the locking pin on the screw arranged inside. In such embodiments, the screw connections also include a safety pin. Such a locking pin prevents accidental rotation of the screw in a simple and reliable manner.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das solarthermische Modul eine Grundplatte C aufweist, wobei die Grundplatte C mindestens eine Befestigung für benachbarte solarthermische Module aufweist, wobei die mindestens eine Befestigung derart angepasst ist, dass das Wärmeträgermedium unter der mindestens einen Befestigung entlang geleitet wird bevor das Wärmeträgermedium das solarthermische Modul verlässt. Obwohl das Wärmeträgermedium beim Einsatz an dieser Stelle bereits eine sehr hohe Temperatur aufweist, wurde festgestellt, dass der hiermit erzielbare Kühleffekt in typischen Anwendungsfällen sehr vorteilhaft ist. Insbesondere bei sehr stark fokussierter intensiver Sonnenstrahlung können sich die Befestigungen der benachbarten solarthermischen Module sehr stark erhitzen, so dass die angeführte Kühlung den Einsatzbereich ohne merklichen Zusatzaufwand nochmals erhöht.According to further embodiments, it is preferred that the solar thermal module has a base plate C, wherein the base plate C has at least one attachment for adjacent solar thermal modules, the at least one attachment being adapted such that the heat transfer medium is guided along under the at least one attachment the heat transfer medium leaves the solar thermal module. Although the heat transfer medium already has a very high temperature when used at this point, it was found that the cooling effect that can be achieved here is very advantageous in typical applications. Particularly in the case of very strongly focused, intense solar radiation, the fastenings of the neighboring solar thermal modules can heat up very strongly, so that the cooling mentioned increases the area of application again without any noticeable additional effort.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das solarthermische Modul einen Flansch, ein Innenrohr B, eine Führung A und eine Kappe umfasst,
wobei das Innenrohr B, die Führung A und die Kappe jeweils mittels Bajonett-Verschlüssen an dem Flansch befestigt sind. Um das Innenrohr B, die Führung A und die Kappe jeweils mittels eines Bajonettverschlusses an dem Flansch zu befestigen ist es zwar erforderlich einen verhältnismäßig komplexen Aufbau des solarthermischen Moduls zu nutzen. Jedoch hat sich gezeigt, dass neben der verlässlichen Befestigung der Bauteile auch eine besonders platzsparende Konstruktion auf diese Weise möglich ist.According to further embodiments, it is preferred that the solar thermal module comprises a flange, an inner tube B, a guide A and a cap,
wherein the inner tube B, the guide A and the cap are each attached to the flange using bayonet fasteners. In order to attach the inner tube B, the guide A and the cap to the flange using a bayonet lock, it is necessary to use a relatively complex structure of the solar thermal module. However, it has been shown that in addition to the reliable fastening of the components, a particularly space-saving design is also possible in this way.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen solarthermischen Receiver wie vorgenannt beschrieben.According to a further aspect, the present invention relates to a solar thermal receiver as described above.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren wie vorgenannt beschrieben.According to a further aspect, the present invention relates to a method as described above.

Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass das Wärmeträgermedium in mindestens einen Wärmeverbraucher geleitet wird, wobei der mindestens eine Wärmeverbraucher mindestens einen Wärmetauscher umfasst. Vorzugsweise ist der mindestens eine Wärmetauscher ein Dampfkessel und/oder ein Vorwärmer eines Dampfkessels. Beispielsweise können derartige Dampfkessel und Vorwärmer bei Dampfturbinen eingesetzt werden. Es wurde festgestellt, dass hierbei sehr effizient erneuerbare Energie für Industrieapplikationen, wie insbesondere Dampfturbinen, nutzbar gemacht werden können.According to further embodiments, it is preferred that the heat transfer medium is passed into at least one heat consumer, wherein the at least one heat consumer comprises at least one heat exchanger. Preferably, the at least one heat exchanger is a steam boiler and/or a preheater of a steam boiler. For example, such steam boilers and preheaters can be used in steam turbines. It was found that renewable energy can be used very efficiently for industrial applications, such as steam turbines in particular.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer solarthermischen Turmanlage 1. Die solarthermische Turmanlage 1 umfasst vorliegend einen Wärmeträgermediumkreislauf 2, durch den ein vorliegend gasförmiges Wärmeträgermedium geleitet wird, beispielsweise Luft. In den Wärmeträgermediumkreislauf 2 eingebunden sind ein das Wärmeträgermedium verdichtender Verdichter 3, ein solarthermischer Receiver 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der über einen Wärmeträgermediumzuführkanal 5, beispielsweise in Form einer Rohrleitung, mit dem vom Verdichter 3 verdichteten Wärmeträgermedium versorgt wird, einen Wärmeträgermediumabführkanal 6 , beispielsweise in Form einer Rohrleitung, ein Wärmeverbraucher 8, beispielsweise in Form eines Abhitzedampferzeugers, und optional ein Wärmespeicher 7, der als Feststoff-Wärmespeicher ausgebildet sein kann. Von dem Wärmeverbraucher 8 und dem Wärmespeicher 7 kann das Wärmeträgermedium über eine weitere Verbindungsleitung 9 dann wieder zurück zum Verdichter 3 geleitet werden, sofern der Wärmeträgermediumkreislauf 2 an dieser Stelle geschlossen ausgeführt ist. 1 shows a schematic view of a solar thermal tower system 1. The solar thermal tower system 1 in the present case comprises a heat transfer medium circuit 2, through which a gaseous heat transfer medium is passed, for example air. Integrated into the heat transfer medium circuit 2 are a compressor 3 that compresses the heat transfer medium, a solar thermal receiver 4 according to an embodiment of the present invention, which is supplied with the heat transfer medium compressed by the compressor 3 via a heat transfer medium supply channel 5, for example in the form of a pipeline, a heat transfer medium discharge channel 6, for example in the form of a pipeline, a heat consumer 8, for example in the form of a waste heat steam generator gers, and optionally a heat storage 7, which can be designed as a solid heat storage. From the heat consumer 8 and the heat storage 7, the heat transfer medium can then be directed back to the compressor 3 via a further connecting line 9, provided that the heat transfer medium circuit 2 is designed to be closed at this point.

Die solarthermische Turmanlage 1 umfasst ferner einen Turm 10, in dessen oberem Bereich der solarthermische Receiver 4 angeordnet ist, und eine Vielzahl von am Boden 11 angeordneten Heliostaten 12, die ring- oder ringsegmentartig um den Turm 10 herum positioniert sind. Die Heliostaten 12 werden derart angeordnet und ausgerichtet, dass sie die Sonnenstrahlung 13 reflektieren und damit als konzentrierte Sonnenstrahlung 14 auf den solarthermischen Receiver 4 konzentrieren. The solar thermal tower system 1 further comprises a tower 10, in the upper region of which the solar thermal receiver 4 is arranged, and a plurality of heliostats 12 arranged on the floor 11, which are positioned around the tower 10 in the form of a ring or ring segment. The heliostats 12 are arranged and aligned in such a way that they reflect the solar radiation 13 and thus concentrate it as concentrated solar radiation 14 on the solar thermal receiver 4.

Die Heliostaten 12 werden dafür in zumindest zwei Achsen der Sonne motorisch nachgeführt.For this purpose, the heliostats 12 are motor-tracked in at least two axes of the sun.

Während des Betriebs der solarthermischen Turmanlage 1 wird das gasförmige Wärmeträgermedium unter Einsatz des Verdichters 3 verdichtet und über den Wärmeträgermediumzuführkanal 5 dem solarthermischen Receiver 4 zugeführt. Die Heliostaten 12 bündeln und konzentrieren die Sonnenstrahlung 14 auf den solarthermischen Receiver 4, der von dem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Hierbei wird das Wärmeträgermedium auf Temperaturen im Bereich von mehreren hundert Grad Celsius erhitzt. Das erhitzte Wärmeträgermedium wird dann über den Wärmeträgermediumabführkanal 6 in Richtung des Wärmeverbrauchers 8 bzw. in Richtung des Wärmespeichers 7 geführt, wo das Wärmeträgermedium seine Wärme abgibt und entsprechend abgekühlt wird. Das abgekühlte Wärmeträgermedium kann dann über die Verbindungsleitung 9 und den Wärmeträgermediumzuführkanal 5 zurück zum solarthermischen Receiver 4 geleitet werden, sofern der Kreislauf zwischen Wärmeverbraucher 8, Wärmespeicher 7 und Verdichter 3 geschlossen ist.During operation of the solar thermal tower system 1, the gaseous heat transfer medium is compressed using the compressor 3 and fed to the solar thermal receiver 4 via the heat transfer medium supply channel 5. The heliostats 12 bundle and concentrate the solar radiation 14 onto the solar thermal receiver 4, through which the heat transfer medium flows. The heat transfer medium is heated to temperatures in the range of several hundred degrees Celsius. The heated heat transfer medium is then guided via the heat transfer medium discharge channel 6 in the direction of the heat consumer 8 or in the direction of the heat storage 7, where the heat transfer medium releases its heat and is cooled accordingly. The cooled heat transfer medium can then be directed back to the solar thermal receiver 4 via the connecting line 9 and the heat transfer medium supply channel 5, provided that the circuit between the heat consumer 8, heat storage 7 and compressor 3 is closed.

2 zeigt einen Teilbereich des in 1 dargestellten solarthermischen Receivers 4 umfassend ein erfindungsgemäßes solarthermisches Modul 15. Dabei umfasst ein solarthermischer Receiver 4 eine Vielzahl nahezu baugleicher, parallel geschalteter solarthermischer Module 15. Hierbei werden die Grundplatte A 31, die Grundplatte B 33 und die Grundplatte C 37 jeweils senkrecht ausgerichtet, so dass der Absorptionsbereich 30 der vom Boden aus reflektierten Sonnenstrahlung 14 in einem geeigneten Winkel zugewandt ist. Aus der Richtung der Sonnenstrahlung 14 betrachtet, ist der Absorptionsbereich 30 des solarthermischen Moduls 15 in seiner Mitte konvex und an seinen Rändern konkav geformt. 2 shows a portion of the in 1 shown solar thermal receiver 4 comprising a solar thermal module 15 according to the invention. A solar thermal receiver 4 comprises a large number of almost identical, parallel-connected solar thermal modules 15. Here, the base plate A 31, the base plate B 33 and the base plate C 37 are each aligned vertically, so that the absorption region 30 faces the solar radiation 14 reflected from the ground at a suitable angle. Viewed from the direction of solar radiation 14, the absorption region 30 of the solar thermal module 15 is convex in its center and concave at its edges.

Ein solarthermisches Modul 15 umfasst jeweils eine kanalförmige Weiterführung des Wärmeträgermediumzuführkanals 5 und des Wärmeträgermediumabführkanals 6 im Inneren des aus vielen Modulen 15 gebildeten solarthermischen Receivers 4. Die Grundplatte A 31 bildet dabei die äußere Seite der Weiterführung des Wärmeträgermediumzuführkanals 5. Die innere Seite dieses Wärmeträgermediumzuführkanals 5 entfällt im solarthermischen Receiver 4, sofern dieser vollständig zylindrisch ausgeführt ist bzw. sie ist für eine nicht vollständig zylindrische Bauweise nicht in 2 dargestellt, da sie für die Darstellung der Erfindung unerheblich ist. Die Grundplatte B 33 und die Grundplatte C 37 bilden die Seitenwände des Wärmeträgermediumabführkanals 6 im Innern des solarthermischen Receivers 4, welcher bei vollständig zylindrischer Bauweise zu einem ringförmigen Kanal werden und bei nicht vollständig zylindrischer Bauweise ein Ringsegment formen.A solar thermal module 15 each comprises a channel-shaped continuation of the heat transfer medium supply channel 5 and the heat transfer medium discharge channel 6 in the interior of the solar thermal receiver 4 formed from many modules 15. The base plate A 31 forms the outer side of the continuation of the heat transfer medium supply channel 5. The inner side of this heat transfer medium supply channel 5 is omitted in the solar thermal receiver 4, provided it is completely cylindrical or is not suitable for a not completely cylindrical design 2 shown because it is irrelevant to the presentation of the invention. The base plate B 33 and the base plate C 37 form the side walls of the heat transfer medium discharge channel 6 inside the solar thermal receiver 4, which becomes an annular channel when the design is completely cylindrical and forms a ring segment when the design is not completely cylindrical.

Das kalte Wärmeträgermedium tritt aus dem Wärmeträgermediumzuführkanal 5 jeweils in das Innenrohr A 48 jedes einzelnen solarthermischen Moduls 15 ein, durchströmt anschließend das Innenrohr B 47 und wird damit an die Innenseite der Spitze des Absorptionsbereichs 30 geleitet. Die Außenseite des Absorptionsbereichs 30 besteht aus der Kappe 44 und der Grundplatte C 37, welche beide durch die konzentrierte Sonnenstrahlung 14 stark erhitzt werden und die dabei aufgenommene Wärme an das entlang ihren Innenseiten strömende Wärmeträgermedium abgeben. Dafür besitzt die Kappe 44 auf ihrer Innenseite eine Vielzahl von Kühlelementen 45, die mit geringem Abstand an die Führung A 46 sowie an die Außenseite des Flansches 40 angrenzen, während die Grundplatte C 37 auf ihrer Innenseite eine Vielzahl von Kühlelementen 38 besitzt, die mit geringem Abstand an die Führung B 36 angrenzen, welche in ihrer Gesamtheit den Strömungskanal eines einzelnen Moduls 15 für die Erhitzung des Wärmeträgermediums bilden. Das erhitzte Wärmeträgermedium tritt an einem umlaufenden Spalt zwischen Grundplatte C 37 und Führung B 36 aus, womit es in den gemeinsamen Wärmeträgermediumabführkanal 6 aller parallel geschalteten solarthermischen Module 15 gelangt.The cold heat transfer medium enters the inner tube A 48 of each individual solar thermal module 15 from the heat transfer medium supply channel 5, then flows through the inner tube B 47 and is thus directed to the inside of the tip of the absorption area 30. The outside of the absorption region 30 consists of the cap 44 and the base plate C 37, which are both strongly heated by the concentrated solar radiation 14 and release the heat absorbed in the process to the heat transfer medium flowing along their insides. For this purpose, the cap 44 has a large number of cooling elements 45 on its inside, which adjoin the guide A 46 and the outside of the flange 40 at a short distance, while the base plate C 37 has a number of cooling elements 38 on its inside, which are at a small distance Distance adjoin the guide B 36, which in its entirety form the flow channel of an individual module 15 for heating the heat transfer medium. The heated heat transfer medium exits at a circumferential gap between base plate C 37 and guide B 36, whereby it reaches the common heat transfer medium discharge channel 6 of all solar thermal modules 15 connected in parallel.

Für die mechanische Befestigung wird das Innenrohr A 48 auf seiner Eintrittsseite mit einer Haltemutter 52 verbunden, welche ein Federelement 51 vorspannt. Über die Muffe 50 wird die Druckkraft des Federelements 51 in die Grundplatte A 31 geleitet. Zugleich bewirkt das Federelement 51 über die Haltemutter 52 eine Zugkraft auf das Innenrohr A 48. An der Austrittsseite von Innenrohr A 48 leitet ein daran befindlicher Kragen eine entsprechende Druckkraft in das Außenrohr 49 ein. Von dem Außenrohr 49 wird diese Druckkraft mit einem daran befindlichen Kragen über eine gelenkige Auflagefläche 34 in die Grundplatte B 33 eingebracht, welche sich über Abstandshalter 32 an der Grundplatte A 31 abstützt. Damit ist der von dem vorgespannten Federelement 51 erzeugte Kraftfluss geschlossen. Hierdurch werden unterschiedliche Wärmedehnungen von Innenrohr A 48 und Außenrohr 49 möglich, ohne dass der mechanische Zusammenhalt dieser beiden und der weiteren genannten Bauteile verloren geht.For mechanical fastening, the inner tube A 48 is connected on its inlet side to a retaining nut 52, which biases a spring element 51. The compressive force of the spring element 51 is directed into the base plate A 31 via the sleeve 50. At the same time, the spring element 51 causes a tensile force on the inner tube A 48 via the retaining nut 52. On the outlet side of the inner tube A 48, a collar located thereon introduces a corresponding compressive force into the outer tube 49. This compressive force is transferred from the outer tube 49 with a collar on it via an articulated support surface 34 Base plate B 33 is introduced, which is supported on the base plate A 31 via spacers 32. This closes the force flow generated by the prestressed spring element 51. This makes different thermal expansions of the inner tube A 48 and outer tube 49 possible without the mechanical cohesion of these two and the other components mentioned being lost.

Das mit Hilfe der Federkraft des Federelements 51 gehaltene Außenrohr 49 hat auch auf seiner dem Absorptionsbereich 30 zugewandten Seite einen Kragen, welcher sich in der Auflagefläche 35 der Führung B 36 gelenkig bewegen kann. Die gelenkige Verbindung des Außenrohrs 49 mit der Grundplatte C 37 sowie mit den weiteren Bauteilen im Absorptionsbereich 30 kommt zustande, indem der genannte Kragen des Außenrohrs 49 von der Führung B 36 und dem Flansch 40 umfasst wird. Dabei werden die Führung B 36 und der Flansch 40 mit mehreren über den Umfang verteilten Schraubverbindungen, jeweils bestehend aus Schraube 41 und Mutter 39, so zusammengezogen, dass sie den genannten Kragen des Außenrohrs 49 umschließen. Durch die gelenkigen Auflageflächen 34 und 35 wird ein vertikaler Höhenversatz der beiden Seitenwände des Wärmeträgermediumabführkanals 6 möglich.The outer tube 49, which is held with the help of the spring force of the spring element 51, also has a collar on its side facing the absorption region 30, which can move in an articulated manner in the support surface 35 of the guide B 36. The articulated connection of the outer tube 49 with the base plate C 37 and with the other components in the absorption area 30 is achieved by the mentioned collar of the outer tube 49 being surrounded by the guide B 36 and the flange 40. The guide B 36 and the flange 40 are pulled together with several screw connections distributed over the circumference, each consisting of a screw 41 and a nut 39, so that they enclose the aforementioned collar of the outer tube 49. The articulated support surfaces 34 and 35 make it possible to vertically offset the height of the two side walls of the heat transfer medium discharge channel 6.

Der Kopf der Schraube 41 wird mit Hilfe des Sicherungsstifts 42 formschlüssig gegen Verdrehen gesichert. Eine am Innenrohr B 47 befindliche Abdeckung 43 hält diesen Sicherungsstift 42 formschlüssig in Position und verhindert damit dessen unbeabsichtigtes Herausfallen. Die Mutter 39 ist in ihrer jeweiligen Haltebucht der Führung B 36 ebenfalls formschlüssig gegen Verdrehen gesichert.The head of the screw 41 is positively secured against rotation with the help of the locking pin 42. A cover 43 located on the inner tube B 47 holds this locking pin 42 in position in a form-fitting manner and thus prevents it from accidentally falling out. The nut 39 is also positively secured against rotation in its respective holding bay of the guide B 36.

An dem Flansch 40 werden das Innenrohr B 47, die Führung A 46 und die Kappe 44 jeweils mit Hilfe von Bajonett-Verschlüssen befestigt.The inner tube B 47, the guide A 46 and the cap 44 are each attached to the flange 40 using bayonet fasteners.

Im Betrieb wird das Wärmeträgermedium aus dem verhältnismäßig kalten Wärmeträgermediumzuführkanal 5 durch das Innenrohr A 48 und damit durch den heißen Wärmeträgermediumabführkanal 6 hindurchgeführt, um nach dem Durchströmen von Innenrohr B 47 den Absorptionsbereich 30 zu kühlen. Diese Kühlwirkung würde deutlich gemindert, wenn sich das Wärmeträgermedium bereits beim Durchströmen von Innenrohr A 48 durch den Wärmeträgermediumabführkanal 6 stark erhitzt. Daher wird diese Durchführung in zweischaliger Form mit dem Innenrohr A 48 und dem Außenrohr 49 gebildet, was eine Verbesserung des Wirkungsgrades des solarthermischen Moduls 15 bewirkt.During operation, the heat transfer medium is passed from the relatively cold heat transfer medium supply channel 5 through the inner tube A 48 and thus through the hot heat transfer medium discharge channel 6 in order to cool the absorption region 30 after flowing through the inner tube B 47. This cooling effect would be significantly reduced if the heat transfer medium heats up significantly as it flows through the inner tube A 48 through the heat transfer medium discharge channel 6. Therefore, this bushing is formed in a clamshell form with the inner tube A 48 and the outer tube 49, which improves the efficiency of the solar thermal module 15.

Es zeigte sich, dass für den erfindungsgemäßen Aufbau der solarthermischen Module 15 es typischerweise vorteilhaft ist, die thermische Ausdehnung der Materialien zu berücksichtigen. Im Betrieb ergeben sich nämlich unterschiedliche Temperaturen in den Bauteilen, die von dem kalten Wärmeträgermedium durchströmt werden gegenüber den Bauteilen, die von dem heißen Wärmeträgermedium umströmt werden. Während metallische Werkstoffe eine hohe Wärmedehnung aufweisen, ist die Wärmedehnung von keramischen Werkstoffen gering. Wenn daher metallische Werkstoffe mit einer geringen Temperaturänderung und keramische Werkstoffe mit einer hohen Temperaturänderung beaufschlagt werden, dann ergeben sich ähnliche absolute Wärmedehnungen für die metallischen und für die keramischen Bauteile, was eine Bauweise mit insgesamt geringeren Wärmespannungen ermöglicht. Vor diesem Hintergrund werden insbesondere die Grundplatte A 31, das Innenrohr A 48 und das Innenrohr B 47 aus metallischen Werkstoffen hergestellt. Aus keramischen Werkstoffen hergestellt werden demgegenüber insbesondere die Kappe 44 mit den Kühlelementen 45, die Führung A 46, der Flansch 40, die Grundplatte C 37 mit den Kühlelementen 38, die Führung B 36, das Außenrohr 49 und die Grundplatte B 33. It turned out that for the construction of the solar thermal modules 15 according to the invention, it is typically advantageous to take the thermal expansion of the materials into account. During operation, different temperatures arise in the components through which the cold heat transfer medium flows compared to the components around which the hot heat transfer medium flows. While metallic materials have a high thermal expansion, the thermal expansion of ceramic materials is low. Therefore, if metallic materials are exposed to a small temperature change and ceramic materials are subjected to a high temperature change, then similar absolute thermal expansions result for the metallic and ceramic components, which enables a construction with lower thermal stresses overall. Against this background, in particular the base plate A 31, the inner tube A 48 and the inner tube B 47 are made of metallic materials. In contrast, the cap 44 with the cooling elements 45, the guide A 46, the flange 40, the base plate C 37 with the cooling elements 38, the guide B 36, the outer tube 49 and the base plate B 33 are made from ceramic materials.

Nichtsdestotrotz verbleiben im Betrieb des solarthermischen Moduls 15 unterschiedliche Wärmdehnungen der verschiedenen Bauteile. Am größten können Längenänderungen zwischen dem kalten Innenrohr A 48 und dem heißen Außenrohr 49 ausfallen. Das Federelement 51 gleicht solche unterschiedlichen Längenänderungen aus, ohne dass dabei der Zusammenhalt des solarthermischen Moduls 15 verloren geht.Nevertheless, 15 different thermal expansions of the various components remain during operation of the solar thermal module. The greatest changes in length can be between the cold inner tube A 48 and the hot outer tube 49. The spring element 51 compensates for such different changes in length without the cohesion of the solar thermal module 15 being lost.

Bei mehreren übereinander gestapelten solarthermischen Modulen 15 können sich auch unterschiedliche vertikale Verschiebungen der heißen Grundplatte B 33 und der deutlich heißeren, da direkt von der Sonnenstrahlung 14 erhitzten Grundplatte C 37 ergeben. Aufgrund der gelenkig ausgeführten Auflageflächen 34 und 35 ist ein vertikaler Versatz der beiden Grundplatten 33 und 37 während des Betriebs der Anlage möglich, ohne dass dabei unzulässig hohe Wärmespannungen in dem verbindenden Außenrohr 49 entstehen.With several solar thermal modules 15 stacked one on top of the other, different vertical displacements of the hot base plate B 33 and the significantly hotter base plate C 37, which is heated directly by the solar radiation 14, can also result. Due to the articulated support surfaces 34 and 35, a vertical offset of the two base plates 33 and 37 is possible during operation of the system without impermissibly high thermal stresses arising in the connecting outer tube 49.

Wenngleich ein vertikaler Versatz der beiden Grundplatten 33 und 37 ermöglicht wird, darf sich daraus keine Hebelkraft ergeben, welche zerstörend auf den filigranen Übergang von Innenrohr B 47 zur Führung A 46 wirken könnte. Daher wird die Zuführung des kalten Wärmeträgermediums von dem Wärmeträgermediumzuführkanal 5 bis zum Eintritt in das Innere der Kappe 44 im Wesentlichen mit zwei getrennten Bauteilen, nämlich dem Innenrohr A 48 und dem Innenrohr B 47 ausgeführt. Die Verbindung zwischen diesen beiden Innenrohren wird durch die jeweilige Anbindung an das Außenrohr 49 und an den Flansch 40 beweglich ausgeführt, denn das Außenrohr 49 ist zwischen Führung B 36 und Flansch 40 beweglich gelagert.Although a vertical offset of the two base plates 33 and 37 is made possible, this must not result in any leverage force which could have a destructive effect on the delicate transition from the inner tube B 47 to the guide A 46. Therefore, the supply of the cold heat transfer medium from the heat transfer medium supply channel 5 to the entry into the interior of the cap 44 is essentially carried out with two separate components, namely the inner tube A 48 and the inner tube B 47. The connection between these two inner tubes is made movable by the respective connection to the outer tube 49 and to the flange 40, because that Outer tube 49 is movably mounted between guide B 36 and flange 40.

3 zeigt eine Teilansicht der vertikalen Tragstruktur des solarthermischen Moduls 15 mit Stegen und Buchten gemäß vorteilhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise auch in dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen solarthermischen Modul integriert ist. An der Innenseite der Grundplatte C 37 befinden sich mehrere über den Umfang verteilte Stege 70, welche in Einbuchtungen 71 der Führung B 36 hineinragen und dort jeweils mit Hilfe einer Dichtung 73 abgestützt werden. Zur Veranschaulichung zeigt 3 rechts vier Stege 70 ohne die Dichtungen 73 und links vier Stege 70 mit den Dichtungen 73. Die Bohrungen 72 dienen als Durchführung für die in 2 dargestellte Schraubverbindung jeweils bestehend aus Schraube 41 und Mutter 39, mit deren Hilfe die Stege 70 von der Führung B 36 und dem Flansch 40 umschlossen und damit in Position gehalten werden. 3 shows a partial view of the vertical support structure of the solar thermal module 15 with webs and bays according to advantageous embodiments of the present invention, as shown, for example, in 2 shown solar thermal module according to the invention is integrated. On the inside of the base plate C 37 there are several webs 70 distributed over the circumference, which protrude into indentations 71 of the guide B 36 and are each supported there with the aid of a seal 73. Shows for illustrative purposes 3 on the right four webs 70 without the seals 73 and on the left four webs 70 with the seals 73. The bores 72 serve as a passage for the in 2 shown screw connection each consisting of screw 41 and nut 39, with the help of which the webs 70 are enclosed by the guide B 36 and the flange 40 and thus held in position.

Im Betrieb des solarthermischen Moduls 15 weist die außen liegende Grundplatte C 37 eine deutlich höhere Temperatur auf als die innen liegende Führung B 36 und der Flansch 40. Aufgrund der in 2 dargestellten mechanischen Entkoppelung kann sich die Grundplatte C 37 ungehindert stärker ausdehnen als die Führung B 36 und der Flansch 40, ohne dass die erforderliche mechanische Verbindung zwischen diesen drei Bauteilen in axialer Richtung verloren geht.During operation of the solar thermal module 15, the external base plate C 37 has a significantly higher temperature than the internal guide B 36 and the flange 40. Due to the in 2 With the mechanical decoupling shown, the base plate C 37 can expand unhindered to a greater extent than the guide B 36 and the flange 40, without the necessary mechanical connection between these three components being lost in the axial direction.

Durch die Auftrennung der vertikalen und horizontalen Tragstruktur auf der der Sonnenstrahlung 14 zugewandten Seite des solarthermischen Moduls 15 in die Grundplatte C 37 sowie die miteinander verschraubten Bauteile Führung B 36 und Flansch 40 führen stark unterschiedliche Temperaturen nicht zu unzulässig hohen Wärmespannungen in radialer Richtung, während die Tragfunktion in axialer Richtung vorhanden bleibt.By separating the vertical and horizontal support structure on the side of the solar thermal module 15 facing the solar radiation 14 into the base plate C 37 and the screwed together components guide B 36 and flange 40, very different temperatures do not lead to unacceptably high thermal stresses in the radial direction, while Support function remains present in the axial direction.

4 zeigt eine Teilansicht zur Verdrehsicherung eines Schraubenkopfes gemäß vorteilhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie beispielsweise auch in 2 dargestellten solarthermischen Modul integriert ist. Der Kopf der Schraube 41 ist in Längsrichtung umlaufend mit Einbuchtungen 91 versehen. Neben dem Kopf der Schraube 41 befindet sich an dem Flansch 40 eine Haltebucht 90. Die formschlüssige Verdrehsicherung der Schraube 41 kommt zustande, indem ein Sicherungsstift 42 in die Haltebucht 90 und zugleich in eine Einbuchtung 91 am Kopf der Schraube 41 eingesetzt wird. 4 shows a partial view for securing a screw head against rotation according to advantageous embodiments of the present invention, as shown, for example, in 2 The solar thermal module shown is integrated. The head of the screw 41 is provided with indentations 91 all around in the longitudinal direction. Next to the head of the screw 41 there is a holding bay 90 on the flange 40. The positive anti-twist protection of the screw 41 is achieved by inserting a locking pin 42 into the holding bay 90 and at the same time into an indentation 91 on the head of the screw 41.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the examples disclosed and other variations may be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2520872 B1 [0003, 0005]

Claims

Solar thermal module (15) suitable for use as a component of a solar thermal receiver (4) for the absorption of solar radiation (14) for heating a heat transfer medium flowing inside the solar thermal module (15) with the following features, wherein the solar thermal module (15) has an absorption area (30) for solar radiation (14), wherein the absorption region (30) has an outer surface, wherein the outer surface of the absorption region (30) is essentially convex in the form of a cap (44), wherein the absorption region (30) for solar radiation ( 14) is impermeable, the solar thermal module (15) being suitable for being connected to a heat transfer medium supply channel (5), from which the heat transfer medium enters the solar thermal module (15), the solar thermal module (15) being adapted so that supplied heat transfer medium flows through the solar thermal module (15) through at least one inner tube (47, 48), the heat transfer medium inside the solar thermal module (15) first being guided to the tip of the absorption area (30), the heat transfer medium flowing from the tip of the absorption area (30) is guided inside the solar thermal module along the remaining absorption area (30), the solar thermal module (15) being adapted so that the heat transfer medium leaves through an outlet into a heat transfer medium discharge channel (6), the at least one inner tube (47, 48) comprises an inner tube A (48), characterized in that a section of the inner tube A (48) is adapted to run through the heat transfer medium discharge channel (6), the section of the inner tube A (48) being enclosed by an outer tube (49). is, wherein the outer tube (49) is adapted to form part of the wall of the heat transfer medium discharge channel (6), the solar thermal module (15) having at least one spring element (51) in the force flow between the inner tube A (48) and the outer tube (49 ), wherein the at least one spring element (51) is adapted to compensate for different thermal expansion of the inner tube A (48) and of the outer tube (49), wherein the at least one spring element (51) has a spring force which is in the inner tube A (48). Tensile force and in the outer tube (49) is transmitted as a compressive force.

Solar thermal module (15) according to Claim 1 with the following features, wherein the solar thermal module comprises a base plate B (33) and a guide B (36), the base plate B (33) and the guide B (36) being suitable for forming lateral boundaries of the heat transfer medium discharge channel (6), wherein the guide B (36) is connected to a base plate C (37), characterized in that the solar thermal module (15) has an articulated connection on a support surface (34) between the base plate B (33) and an outer tube (49) and on a support surface (35) between guide B (36) and outer tube (49).

Solar thermal module (15) according to one of the preceding claims with the following features, wherein the solar thermal module (15) has a vertical and horizontal inner support structure on the side illuminated by the solar radiation (14), characterized in that the inner support structure consists of a base plate C (37) as well as a guide B (36) and a flange (40) screwed to it, the base plate C (37) being mechanically decoupled from the guide B (36) and the flange (40) by having several distributed over the circumference Webs (70) of the base plate C (37) are guided in indentations (71) of the guide B (36).

Solar thermal module (15) according to one of the preceding claims, characterized in that the connection between the heat transfer medium supply channel (5) and the inside of the tip of the absorption region (30) consists of at least two pipes (48, 47), the at least two pipes being articulated are connected to each other.

Solar thermal module (15) according to one of the preceding claims, characterized in that a base plate A (31), an inner tube A (48) and an inner tube B (47), preferably all components which are adapted to the heat transfer medium inside the solar thermal module (15) to the tip of the absorption area (30), consist of metallic materials and with a cap (44) with cooling elements (45), a guide A (46), a flange (40), a base plate C (37). Cooling elements (38), a guide B (36), an outer tube (49) and a base plate B (33), preferably all components which are adapted to the heat transfer medium inside the solar thermal module (15) from the tip of the absorption area (30), consist of ceramic materials.

Solar thermal module (15) according to one of the preceding claims with the following features, wherein a plurality of cooling elements (38) are located on a base plate C (37), characterized in that the cooling elements (38) are each at a small distance on a guide B (36), the base plate C (37) and the guide B (36) forming a flow channel for the heat transfer medium, the solar thermal module (15) having a flow channel for the heat transfer medium, the surfaces of the base plate C (37) and the guide B (36) are geometrically designed in such a way that the free cross-sectional area of the flow channel continuously reduces in the direction of flow.

Solar thermal module (15) according to one of the preceding claims with the following features, wherein the solar thermal module (15) has a base plate C (37), the base plate C (37) having at least one attachment for adjacent solar thermal modules (15), characterized in that the at least one fastening is adapted in such a way that the heat transfer medium is guided under the at least one fastening before the heat transfer medium leaves the solar thermal module (15).

Solar thermal module (15) according to one of the preceding claims with the following features, wherein inside the solar thermal module (15) there are screw connections distributed over the circumference, each comprising a screw (41) and a nut (39), characterized in that the screw has a head, the head of the screw (41) being provided with at least one indentation (91), preferably with indentations (91), in the longitudinal direction, wherein next to the head of the screw (41), for example on the flange (40 ) a holding bay (90) is present, and wherein the at least one indentation (91) and the holding bay (90) are suitable for receiving a locking pin (42).

Solar thermal module (15) according to one of the preceding claims with the following features, characterized in that the solar thermal module (15) comprises a flange (40), an inner tube B (47), a guide A (46) and a cap (44). , whereby the inner tube B (47), the guide A (46) and the cap (44) are each attached to the flange (40) using bayonet locks.

Solar thermal receiver (4) comprising a plurality of solar thermal modules (15) according to one of Claims 1 until 9 , a heat transfer medium supply channel (5) and a heat transfer medium discharge channel (6), the heat transfer medium supply channel (5) being connected to the plurality of solar thermal modules (15), with a part of the heat transfer medium discharge channel (6) passing through an outer tube (49) of the plurality of solar thermal modules (15) is formed.

Method for obtaining thermal energy from solar radiation, wherein solar radiation is generated by means of a large number of solar thermal modules (15) according to one of Claims 1 until 9 is absorbed and transferred into a heat transfer medium, the heat transfer medium being guided from the plurality of solar thermal modules (15) into a heat transfer medium discharge channel (6), the heat transfer medium being transferred from the heat transfer medium discharge channel (6) into at least one heat consumer (8) and/or into at least a heat storage medium (7), the heat transfer medium being passed from the at least one heat consumer (8) and/or the at least one heat storage medium (7) into the heat transfer medium supply channel (5), the heat transfer medium being fed from the heat transfer medium supply channel (5) again into the A large number of solar thermal modules (15) are conducted.

Procedure according to Claim 11 , wherein the heat transfer medium is passed into at least one heat consumer (8), wherein the heat consumer (8) comprises at least one heat exchanger, wherein the heat exchanger is a heat exchanger of a steam boiler and / or a preheater of a steam boiler.