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Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger für ein solarthermisches
Kraftwerk, das Heliostaten aufweist, welche Solarstrahlung auf den
Solarempfänger
konzentrieren.
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In einem solarthermischen Kraftwerk
wird die einfallende Sonnenstrahlung von einem Heliostatfeld aus
zahlreichen Reflektoren oder Kollektoren auf einen Solarempfänger gebündelt. Die
auf den Solarempfänger
auftreffende hochkonzentrierte Solarstrahlung entspricht etwa der
zweihundertfachen bis dreihundertfachen Sonnenstrahlung. Dadurch
werden Temperaturen in der Größenordnung
von im Mittel 1000°C
im Absorber erreicht.
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Ein Solarempfänger, von dem der Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist beschrieben in
DE 197 44 541 C2 . Dieser
Solarempfänger
weist zahlreiche Absorberkörper
auf, die zu einem Absorberfeld zusammengefasst sind und deren Frontflächen in
einer gemeinsamen Ebene liegen. Ein Heliostatfeld aus zahlreichen
dem Sonnenstand nachgeführten
Spiegeln konzentriert die solare Direktstrahlung auf das Absorberfeld,
das auf einem Turm angeordnet ist. Das Absorberfeld bildet einen
volumetrischen Receiver, bei dem die Luft aus der selben Richtung
in den Absorberkörper
eintritt, aus der die einfallende Strahlung auftrifft. Dabei wird
die Strahlung von der porösen
Struktur des Absorberkörpers absorbiert.
Die Absorberstrukturen können
aus metallischen und keramischen Wabenkonstruktionen, Gestricken
oder Schäumen
bestehen. Die Strahlungsabsorption ist nicht auf die Frontfläche beschränkt sondern
die Strahlung dringt auch in die Tiefe der Absorberstruktur ein
und wird dort von der Luft konvektiv gekühlt. Dabei erhitzt sich die
Luft und kann einem nachgeschalteten Prozess, z.B. einem Dampfturbinenprozess,
zugeführt
werden. Charakteristisch für
volumetrische Receiver ist die Durchströmung des porösen Absorberkörpers richtungskonform
mit der einfallenden Strahlung.
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Bei einem Absorberfeld ist die Strahlungsdichte
der einfallenden Strahlung nicht gleichmäßig. Die Einstrahlungsdichte
verteilt sich über
das Absorberfeld nach Art einer Gauss-Kurve, wobei sich die Einstrahlungsdichte
vom Mittelbereich zum Randbereich hin verringert. Die Verringerung
der Einstrahlungsdichte liegt einerseits daran, dass die Strahlungen
der Heliostaten insgesamt eine Gauss-Verteilung bilden und andererseits
daran, dass die Strahlung jedes einzelnen Heliostaten ebenfalls
eine statistische Gauss-Verteilung bildet. Um eine bestimmte Solltemperatur
der Luft, z.B. 800°C,
zu gewährleisten,
darf bei einer vorgegebenen Maximaltemperatur in der Mitte des Absorberfeldes
die Randstrahlungsdichte nicht unter einen bestimmten Wert abfallen. Anderenfalls
vermischt sich die im Randbereich des Absorberfeldes erhitzte kältere Luft
mit der heißen Luft
und kühlt
diese ab. Deshalb wird bei den bisher gebauten volumetrischen Absorberfeldern
ca. 20 % der konzentrierten Strahlung nicht genutzt, weil im Randbereich
die Strahlungsdichte zu gering ist, um die Solltemperatur zu erreichen.
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Ein volumetrischer Receiver (Absorber)
hat den Vorteil, dass der Absorberkörper insgesamt eine hohe Temperatur
annimmt und dass somit ein guter Wärmeübergang stattfindet. Nachteilig
ist dagegen, dass bei zu starker Erhitzung eine Stillstandstemperatur
erreicht wird, bei der die Wärmeabgabe
durch Strahlung so groß wird
wie die Strahlungsaufnahme. Beim Betrieb des Receivers muss dafür gesorgt
werden, dass an der Frontseite des Absorberkörpers die Temperatur unterhalb
der Stillstandstemperatur bleibt. Bei den üblichen volumetrischen Receivern endet
die Energiegewinnung am Rand, wenn die Strahlung unter einen Wert
von 150 bis 250 kW/m2 absinkt. Die Strahlung
außerhalb
dieses Bereichs geht ungenutzt am Receiver vorbei.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Solarempfänger
zu schaffen, bei dem durch Verwertung der Randstrahlung eine Erhöhung des
Gesamtwirkungsgrades erfolgt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt
erfindungsgemäß mit den
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist an dem Rand
des Absorberfeldes mindestens, ein Rand-Absorber angeordnet, dessen
Frontwand einen von einem Fluid durchströmten Kanal seitlich begrenzt.
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während
im Mittelbereich des Absorberfeldes volumetrische Receiver angeordnet
sind, bei denen der Absorberkörper
richtungs konform mit der einfallenden Strahlung durchströmt wird,
ist erfindungsgemäß ein Rand-Absorber
vorgesehen, der quer zu der einfallenden Strahlung durchströmt wird. Der
Receiver besteht also aus zwei verschiedenen Absorberarten. In dem
Randbereich, in dem die Einstrahlungsdichte beispielsweise nur 150
bis 250 kW/m2 beträgt, was bei einem volumetrischen
Receiver nicht ausreicht, um die Solltemperatur von z.B. 800°C zu erreichen,
wird der Rand-Absorber angeordnet, der quer zur Einfallsrichtung
der Strahlung durchströmt
wird. Da hierbei in dem Kanal eine kontinuierliche Erhöhung der
Temperatur des Mediums durch die auf die Frontfläche auftreffende Wärmestrahlung
erfolgt, nimmt die Wandtemperatur des Rand-Absorbers, welche für die Abstrahlungsverluste
verantwortlich ist, über
die Länge
des Kanals zu. Dadurch wird erreicht, dass die Wandtemperatur über die
Länge des
Kanals immer unterhalb der Stillstandstemperatur zur lokal vorhandenen
Strahlungsdichte ist. Dadurch nimmt der Rand-Absorber über die
Länge des
Kanals Strahlung auf, die dem durchströmenden Medium zugeführt wird.
Hieraus folgt, dass der Rand-Absorber bis zu minimalen Einstrahlungsstärken verwendet
werden kann und dennoch am Ende des Kanals die Solltemperatur erreicht.
In den Randbereichen können
dagegen normale volumetrische Absorber aufgrund des geringen Energieeintrags
nicht verwendet werden, wenn eine bestimmte Solltemperatur am Ausgang
erreicht werden soll. Der Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks erfordert,
dass das Wärmeträgermedium
mit einer bestimmten Mindesttemperatur zugeführt wird.
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Der Rand-Absorber kann entweder mit
Außenluft
als Medium oder mit einem in einem Kreislauf rezirkulierten gasförmigen oder
flüssigen
Medium betrieben werden. Bei der Verwendung eines rezirkulierten
Mediums kann auf der Kaltseite eine aktive Mengenstromregelung erfolgen.
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Durch den Rand-Absorber entsteht
zudem ein Schutz für
die das Absorberfeld einfassende Stahlkonstruktion, so dass keine
zusätzlichen Schutzvorrichtungen
in Form von Isolierungen oder Kühlungen
nötig sind.
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Die Rand-Absorber können bis
zu Strahlungsdichten von 300 bis 500 kW/m2 verwendet
werden und decken damit einen Bereich ab, in dem über den
Tageszyklus die größten Änderungen
der Strahlungsdichtung auftritt. Im Bereich hoher Strahlungsdichten > 400 kW/m2 werden
volumetrische Absorber verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Frontflächen der Absorberkörper des
Absorberfeldes in einer Ebene liegen und die Randflächen des
Rand-Absorbers hierzu schräg
verlaufen, so dass der Receiver eine Wanne bildet. Durch die Schrägstellung
wird das Einfangen der Randstrahlung begünstigt.
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Vorzugsweise sind die Rand-Absorber
als Module ausgebildet, die dehnungsbeweglich in gegenseitigem Eingriff
sind. Auf diese Weise stützen sich
die Module untereinander ab, ohne dass bei der thermischen Ausdehnung
wesentliche Materialbelastungen entstehen.
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Die Wände der Kanäle der Rand-Absorber sind für das jeweilige
Fluid undurchlässig.
Sie werden vorzugsweise durch zwei Platten aus Hochtemperaturstahl
oder Keramik begrenzt. Der Zwischenraum zwischen den Platten ist
zur Erhöhung
des Wärmeüberganges
mit einer porösen
Struktur aus einem Drahtgeflecht oder Schaummaterial ausgekleidet. Die
poröse
Struktur und die umgebenden Platten sind vorzugsweise einstöckig verbunden,
wodurch die Wärmeleitung
erhöht
wird. Über
die Länge
des Kanals ergibt sich so mit ein Temperaturgradient, wobei nicht
nur die Temperatur des strömenden
Mediums sondern auch die Temperatur der Frontwand vom Einlass des
Kanals zum Auslass hin ansteigt.
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Die den Rand-Absorber bildenden Module können auch
in mehreren Reihen verwendet werden, um einen großen Bereich
geringer und stark wechselnder Einstrahlung abzudecken.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Solarturmkraftwerks mit einem auf
einem Turm angeordneten Receiver,
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2 einen
Schnitt durch den Randbereich des Receivers entlang der Linie II-II
von 1,
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3 eine
perspektivische Darstellung der Module des Rand-Absorbers, und
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4 einen
Schnitt durch eine andere Ausführungsform
des Randmoduls mit verlängertem
Einlass.
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In 1 ist
ein Solarturmkraftwerk dargestellt, das einen auf einem Turm 10 befestigten
Receiver 11 aufweist. In der Umgebung des Turmes 10 ist
ein Heliostatfeld 12 aus zahlreichen Spiegeln 13 installiert,
die der Sonne nachgeführt
sind und jeweils die Sonnenstrahlung auf den Receiver 11 leiten.
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Der Receiver 11 weist ein
Absorberfeld 14 auf, das hier rund ist, jedoch auch eine
andere Umrissform haben kann. Das Absor berfeld 14 besteht aus
zahlreichen Absorberkörpern 15,
die jeweils eine der einfallenden Strahlung zugewandte Frontfläche 16 aufweisen.
Die Frontflächen 16 liegen
sämtlich
in einer gemeinsamen Ebene. Die von dem Heliostatfeld kommende Strahlung
ist mit 17 bezeichnet und auf die Frontflächen 16 gerichtet.
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Die Frontflächen 16 der Absorberkörper 15 haben
hier quadratische Gestalt, jedoch sind auch andere Formen wie runde
oder vieleckige Formen möglich.
Die Absorberkörper 15 sind
mit gegenseitigen Abständen
angeordnet und zwischen ihnen sind Durchlässe 18 gebildet.
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Jeder Absorberkörper 15 ist in das
vordere Ende eines rohrförmigen
Trägerteils 20 eingesetzt. Das
rückwärtige Ende
des Trägerteils 20 ist
verjüngt und
in eine Hülse 21 einer
Tragstruktur 22 eingesetzt. Die Tragstruktur 22 weist
eine durchgehende Platte 23 aus hochtemperaturbeständigem Stahl
auf, die auf ihrer Rückseite
mit einer thermischen Isolierung 24 versehen ist. Die Platte 23 hat
Löcher 28 für den Durchtritt
der Heißluft 25.
Jedes Loch 28 ist mit einer Blende 26 versehen.
Die Blenden 26 haben unterschiedlich große Blendenöffnungen 27,
die entsprechend der Position in dem Absorberfeld 14 bemessen
sind. Je höher
die Temperatur der Heißluft 25 ist, umso
größer ist
die Blendenöffnung 27.
Auf diese Weise wird erreicht, dass sämtliche Heißluftströme eine Temperatur haben, die
möglichst
nahe an der geforderten Solltemperatur der Heißluft liegt.
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Die Luft wird durch den Absorberkörper 15 hindurch
gesaugt. Dabei wird Außenluft 30 durch
die Frontfläche 16 hindurch
angesaugt. Die Heißluft 25 wird
einem (nicht dargestellten) Dampferzeuger einer Turbine zugeführt. Die
dadurch abgekühlte
Luft wird zu dem Receiver 11 zurückgeführt. Der Strömungsweg
dieser Luft ist mit den Pfeilen 31 bezeichnet . Die Luft
tritt in den Raum zwischen den rohrförmigen Trägerteilen 20 und strömt dann
durch die Spalte zwischen den Absorberkörpern 15 hindurch
nach außen.
Ein Teil dieser Luft wird durch die Frontflächen 16 hindurch wieder
angesaugt.
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Der bisher beschriebene Receiver
11 entspricht
demjenigen von
DE
197 44 541 C2 . Erfindungsgemäß ist um den Rand
35 des
Absorberfeldes
14 ein Rand-Absorber
36 angeordnet,
der aus zahlreichen gleichen Modulen
37 besteht. Die Module sind
wie Blütenblätter um
das Absorberfeld
14 radial angeordnet. Jedes Modul
37 hat
eine Frontwand
38 mit einer Frontfläche
39. Die Frontflächen
39 sind
gegenüber
den Frontflächen
16 schräggestellt,
so dass sie einen das Absorberfeld umgebenden trichterförmigen Kragen
bilden.
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Die Frontwand 38 bildet
zusammen mit einer Rückwand 40 einen
Kanal 41, der radial zum Absorberfeld verläuft und
einen äußeren Einlass 42 aufweist.
Der Auslass 43 besteht aus einem rohrförmigen Trägerteil 44, das auf
einer Hülse 21 der Tragstruktur 22 sitzt.
In dem Loch 28 der Tragstruktur 22 befindet sich
eine Blende 26, die den Auslass 43 teilweise verschließt und damit
den Mengenstrom des Fluids, das den Kanal 41 durchströmt, reguliert.
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Das Modul 37 hat generell
L-Form. Es besteht aus einem Fußteil 45,
das von dem rohrförmigen
Trägerteil 44 schräg seitlich
absteht, und einem daran anschließenden Plattenteil 46,
das etwa rechtwinklig zu dem Fußteil 45 verläuft und
in der entgegengesetzten Richtung schräg absteht. Die beiden Teile 45, 46 sind
durch eine Stützwand 47 verbunden, in
der sich eine Öse 48 befindet,
durch die eine Stange gesteckt werden kann, die das Modul 37 abstützt.
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Der Kanal 41 erstreckt sich
durch die beiden Teile 46 und 45 hindurch zum
Auslass 43. Er ist mit einer porösen Struktur 49 gefüllt, bei
der es sich um eine Wabenstruktur, einen Schaum, ein Gestrick oder ähnliches
handelt. Die poröse
Struktur 49 ist vorzugsweise einstöckig mit den Wänden 38 und 40 ausgebildet.
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Beim Betrieb wird durch den Einlass 42 Außenluft
angesaugt, die beispielsweise eine Temperatur von 30°C hat. Folglich
hat auch die strahlungsabsorbierende Frontfläche 39 in der Nähe des Einlasses
eine ähnliche
Temperatur. In dem Kanal 41 erwärmt sich die Luft zunehmend
und auch die Temperatur der Frontfläche 39 erhöht sich
durch die aufgenommene Wärmestrahlung
bis zum Erreichen des Knies 50. Im Knie 50 kann
die Temperatur der Frontflächen 39 sehr
hohe Werte erreichen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass
trotz eines relativ geringen Energieeintrags im Rand-Absorber 36 das
Medium die geforderte Solltemperatur annimmt.
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3 zeigt
eine perspektivische Darstellung der nebeneinander gesetzten Module 37,
die den Rand-Absorber 36 bilden. Die die Wände 38 und 40 verbindenden
Seitenwände
zweier Module 37 greifen mit Nut 51 und Feder 52 dehnungsbeweglich
ineinander. Dadurch stützen
sich die Module 37 aneinander ab, jedoch können sie
sich seitlich frei bewegen. Auf diese Weise ist auch eine Auffächerung
mehrerer kreisförmig
angeordneter Module möglich.
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In 1 ist
weiterhin mit dem zusätzlichen Modul 37a eine
Möglichkeit
angedeutet, dass die Module in zwei Reihen angeordnet sein können, nämlich einer
radial inneren Reihe und einer äußeren Reihe.
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Während
bei dem dargestellten Beispiel durch den Einlass 42 Außenluft
angesaugt wird, ist es auch möglich,
ein Modul 37 in der Weise vorzusehen, dass der Einlass 42 durch
eine Rohrverlängerung 53 verlängert ist.
Das in 4 dargestellte
Modul ist Bestandteil eines geschlossenen Kreislaufs, in dem ein
Medium zirkuliert und der beispielsweise den Wärmetauscher des Dampferzeugers
eines Kraftwerks enthält.
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Der Rand-Absorber 36 kann
auf seiner Strahlungsempfangsseite mit einer selektiven Beschichtung
versehen sein. Eine selektive Beschichtung hat die Wirkung, dass
sie die einfallende Strahlung absorbiert und die ihrerseits Strahlung
mit einer sehr viel langwelligeren Wellenlänge imitiert.