DE10248064B4

DE10248064B4 - Solar-Receivervorrichtung zur solarthermischen Erhitzung eines Wärmeaufnahmemediums

Info

Publication number: DE10248064B4
Application number: DE10248064A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Eck; Wolf-Dieter Dr. Steinmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: DE10248064A1

Abstract

Solar-Receivervorrichtung mit mindestens einem Absorberrohr (32; 54; 82), welches mit konzentrierter Solarstrahlung (18) von einer primären Kollektorvorrichtung (12) beaufschlagbar ist und welches von einem Wärmeaufnahmemedium durchströmbar ist, wobei das mindestens eine Absorberrohr (32; 54; 82) in einem Beaufschlagungsbereich (40, 64) angeordnet ist, welcher eine größere Ausdehnung als eine Beaufschlagungsfläche des Absorberrohrs (32; 54; 82) aufweist, und wobei eine sekundäre Kollektorvorrichtung (38; 66; 86) für den Beaufschlagungsbereich (40; 64) vorgesehen ist, welche so angeordnet und ausgebildet ist, daß Wärmeaufnahmemedium über Strahlung aus dem Beaufschlagungsbereich (40; 64) erwärmbar ist, welche nicht direkt vom Absorberrohr (32; 54; 82) absorbiert wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Kollektorvorrichtung (66; 86) einen Wärmespeicher (58; 86) umfaßt, durch welchen Solarstrahlung aus dem Beaufschlagungsbereich (64) absorbierbar ist und durch welchen Wärme an das Wärmeaufnahmemedium abgebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solar-Receivervorrichtung mit mindestens einem Absorberrohr, welches mit konzentrierter Solarstrahlung von einer primären Kollektorvorrichtung beaufschlagbar ist und welches von einem Wärmeaufnahmemedium durchströmbar ist, wobei das mindestens eine Absorberrohr in einem Beaufschlagungsbereich angeordnet ist, welcher eine größere Ausdehnung als eine Beaufschlagungsfläche des Absorberrohrs aufweist, und wobei eine sekundäre Kollektorvorrichtung für den Beaufschlagungsbereich vorgesehen ist, welche so angeordnet und ausgebildet ist, daß Wärmeaufnahmemedium über Strahlung aus dem Beaufschlagungsbereich erwärmbar ist, welche nicht direkt vom Absorberrohr absorbiert wurde.
Aus der WO 99/42765 ist eine entsprechende Solar-Receivervorrichtung bekannt.
Aus der DE 198 40 181 A1 ist ein Parabolrinnenkollektor für ein Solarenergie-Kraftwerk mit einem Reflektor in Form einer Parabolrinne, einem längs der Brennlinie des Reflektors verlaufenden Absorberrohr und einem auf der dem Reflektor abgewandten Seite des Absorberrohrs angeordneten Sekundärreflektor bekannt. Der Sekundärreflektor ist als im wesentlichen flache Platte ausgebildet.
Aus der FR 231 27 42 A1 ist ein Solarheizungsverfahren für ein Haus bekannt.
Solar-Receivervorrichtungen werden in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt, um ein Wärmeaufnahmemedium zu erhitzen und insbesondere Wasser zu erhitzen und in den dampfförmigen Zustand überzuführen.
Ein bekanntes Solarkraftwerk war "Solar One" in der Nähe von Barstow, Kalifornien. Dieses Kraftwerk ist beispielsweise in dem Artikel "The Power Production Operation of Solar One, the 10 MWe Solar Thermal Central Receiver Pilot Plant" von L. G. Radosevich und A. C. Skinrood in Transactions of the ASME, Vol. 111, May 1989, Seiten 144–151 beschrieben.
Bei Solar One wird dabei ein Turmkonzept verwirklicht, bei dem eine zentrale Solar-Receivervorrichtung eingesetzt ist.
Bei dem Stanwell Solar Thermal Power Project, wie es in dem Artikel von D. Burbidge et al., Proceedings of the 10^th SolarPACES International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Seiten 21–26 beschrieben ist, wird ein Fresnel-System eingesetzt mit einem stationären Absorber.
Ferner sind Parabolrinnensysteme bekannt, bei welchen Solar-Receivervorrichtungen in dem Fokalbereich von Parabolrinnenkollektoren angeordnet sind.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Solar-Receivervorrichtung zu schaffen, welche eine erhöhte Lebensdauer aufweist und ein optimiertes Betriebsverhalten hat.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Solar-Receivervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die sekundäre Kollektorvorrichtung einen Wärmespeicher umfaßt, durch welchen Solarstrahlung aus dem Beaufschlagungsbereich absorbierbar ist und durch welchen Wärme an das Wärmeaufnahmemedium abgebbar ist.
Dadurch, daß der Beaufschlagungsbereich größer ist als eine Beaufschlagungsfläche des Absorberrohrs, läßt es sich erreichen, daß die thermomechanische Belastung des Absorberrohrs minimierbar ist. Ist insbesondere eine Mehrzahl von Absorberrohren vorgesehen, dann läßt sich dadurch erreichen, daß diese in der Solar-Receivervorrichtung nicht starr miteinander verbunden angeordnet werden müssen, beispielsweise durch Verschweißung, sondern frei führbar sind. Dadurch läßt sich eine mechanische Verformung der Solar-Receivervorrichtung weitgehend minimieren, da insbesondere hohe einseitige thermische Belastungen minimiert sind.
Wenn der Beaufschlagungsbereich größer ist als die Ausdehnung von Beaufschlagungsflächen des Absorberrohrs, dann tritt das Problem auf, daß der nicht direkt das Absorberrohr treffende Teil der konzentrierten Solarstrahlung nicht genutzt wird. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen der sekundären Kollektorvorrichtung läßt sich jedoch auch dieser Teil der konzentrierten Solarstrahlung nutzen, um Wärmeaufnahmemedium zu erwärmen. Es läßt sich also bei minimierter Belastung der Solar-Receivervorrichtung die Lebensdauer dieser steigern, ohne daß der Wirkungsgrad der solarthermischen Erwärmung verschlechtert wird.
Dadurch, daß eine sekundäre Kollektorvorrichtung vorhanden ist, ergeben sich auch umfangreiche Steuerungsmöglichkeiten und Regelungsmöglichkeiten, um beispielsweise auf Variationen in den Einstrahlungsbedingungen reagieren zu können.
Die sekundäre Kollektorvorrichtung umfaßt einen Wärmespeicher, durch welchen Solarstrahlung aus dem Beaufschlagungsbereich absorbierbar ist und durch welchen Wärme an das Wärmeaufnahmemedium abgebbar ist. Zusätzlich zu dem Wärmeaufnahmemedium in den Absorberrohren läßt sich dann ein Speichermedium in dem Wärmespeicher erhitzen, wobei dann wiederum beispielsweise bei verringerter Einstrahlung das Speichermedium das Wärmeaufnahmemedium erhitzen kann. Dadurch läßt sich insbesondere eine Pufferwirkung erzielen, um so Schwankungen in der Temperatur des Wärmeaufnahmemediums zu verringern.
Insbesondere im Zusammenhang mit Turmkonzepten oder Fresnel-Konzepten ist dabei eine Mehrzahl von beabstandeten Absorberrohren vorgesehen, um so über einen großen Flächenbereich konzentrierte Solarstrahlung absorbieren zu können, d. h. eine große Beaufschlagungsfläche bereitzustellen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Absorberrohre bezüglich benachbarter Absorberrohre frei geführt sind. Durch das Vermeiden einer starren Verbindung zwischen den Absorberrohren in einer Solar-Receivervorrichtung lassen sich einseitige thermomechanische Belastungen vermeiden und damit wiederum die Lebensdauer der Receivervorrichtung erheblich steigern.
Insbesondere umfaßt der Beaufschlagungsbereich einen Zwischenbereich zwischen benachbarten Absorberrohren zumindest teilweise. Es läßt sich dann auch Strahlung aus diesem Zwischenbereich, welche nicht direkt von den Absorberrohren absorbiert wurde, zur Erhitzung des Wärmeaufnahmemediums nutzen.
Ganz besonders günstig ist, wenn die sekundäre Kollektorvorrichtung eine Reflexionsvorrichtung umfaßt, mittels welcher Strahlung aus dem Beaufschlagungsbereich um das Absorberrohr auf den Absorberbereich reflektierbar ist. Durch eine solche Reflexionsvorrichtung läßt sich der Teil der konzentrierten Solarstrahlung, welcher von der primären Kollektorvorrichtung auf die Solar-Receivervorrichtung gerichtet ist und nicht direkt von den Absorberrohren absorbiert wird, sammeln und auf das oder die zugeordneten Absorberrohre reflektieren. Auch der Teil der Solarstrahlung, welcher die Absorberrohre nicht direkt getroffen hat, wird zur Erhitzung des Wärmeaufnahmemediums genutzt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Reflexionsvorrichtung so ausgebildet ist, daß die gesamte Beaufschlagungsfläche des Absorberrohrs bezogen auf eine Beaufschlagungsfläche für Direktbestrahlung durch die primäre Kollektorvorrichtung vergrößerbar ist. Dadurch läßt sich zum einen ein größerer Strahlungsfluß auf das Absorberrohr führen und zum anderen läßt sich das Absorberrohr gleichmäßiger erwärmen, um so wiederum thermomechanische Belastungen zu minimieren.
Günstig ist es, wenn die Reflexionsvorrichtung hinter einer Beaufschlagungsseite des Absorberrohrs, welche der primären Kollektorvorrichtung abgewandt ist, angeordnet ist. Dadurch behindert die Reflexionsvorrichtung nicht den Strahlungsanteil, welcher durch das oder die Absorberrohre direkt absorbierbar ist. Zum anderen läßt sich an den Absorberrohren vorbeigehende Strahlung auf einfache Weise sammeln und zu diesen hin reflektieren.
Vorteilhaft ist es dann, wenn die Reflexionsvorrichtung ein oder mehrere Spiegelelemente umfaßt, welche hinter einem Absorberrohr und/oder zwischen Absorberrohren angeordnet sind, um so für eine optimale Sammlung der an den Absorberrohren vorbeigehenden Solarstrahlung zu sorgen und diese auf die Absorberrohre hin zu reflektieren.
Insbesondere ist dabei mindestens ein Spiegelelement vorgesehen, welches einer Beaufschlagungsseite des Absorberrohrs für Solarstrahlung von der primären Kollektorvorrichtung abgewandt angeordnet ist. Insbesondere ist ein solches Spiegelelement starr angeordnet. Es läßt sich dann von einem Bereich hinter den Absorberrohren Strahlung auf die Absorberrohre hin reflektieren. Ein entsprechendes Spiegelelement ist dabei insbesondere gekrümmt ausgebildet, beispielsweise parabolisch, wobei das Absorberrohr im Fokalbereich angeordnet ist.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Reflexionsvorrichtung eine Mehrzahl von beweglichen Spiegelelementen umfaßt, deren Ausrichtung einstellbar ist. Dadurch ergeben sich umfangreiche Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten, wobei je nach Einstrahlungsbedingungen die Strahlungsbeaufschlagung des Absorberrohrs und/oder Erwärmung des Wärmeaufnahmemediums im Absorberrohr einstellbar ist.
Insbesondere ist dann die Ausrichtung so einstellbar, daß im wesentlichen keine Reflexion auf das Absorberrohr stattfindet. Solch eine Einstellung ist vorteilhaft, wenn eine hohe Einstrahlung vorliegt.
Ferner ist es günstig, wenn die Ausrichtung so einstellbar ist, daß eine Reflexion von konzentrierter Solarstrahlung aus dem Beaufschlagungsbereich auf das Absorberrohr stattfindet. Bei niedrigeren Einstrahlungsbedingungen läßt sich dann ein erhöhter Strahlungsfluß auf das Absorberrohr hin erzielen, indem nämlich eine Direktbestrahlung stattfindet und eine indirekte Bestrahlung über die Reflexionsvorrichtung.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Ausrichtung so einstellbar ist, daß Wärmestrahlung von einer Wärmequelle auf das Absorberrohr richtbar ist. Bei der Wärmequelle handelt es sich insbesondere um einen beladenen Wärmespeicher, der Wärme abgeben kann. Die entsprechende Wärmestrahlung läßt sich dann auf das Absorberrohr richten.
Es ist dann auch günstig, wenn die Ausrichtung so einstellbar ist, daß das Absorberrohr und/oder ein Wärmespeicher zumindest teilweise abdeckbar sind, um so konvektive Wärmeverluste zu reduzieren, wenn beispielsweise erniedrigte Einstrahlungsbedingungen vorliegen.
Eine Einstellbarkeit der Reflexionsvorrichtung läßt sich auf einfache Weise erreichen, wenn diese ein oder mehrere Paare beabstandeter Spiegelelemente umfaßt, welche zwischen benachbarten Absorberrohren angeordnet sind. Je nach relativer Stellung der Spiegelelemente zueinander, wobei diese insbesondere schwenkbar sind, lassen sich verschiedene Einstellmöglichkeiten realisieren.
Günstig ist es, wenn der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher oder Phasenwechselspeicher ist, bei dem ein Phasenwechselmedium erwärmt wird, wobei die Wärme als latente Wärme gespeichert wird.
Günstig ist es, wenn der Wärmespeicher in Wärmekontakt mit dem Absorberrohr steht. Der Wärmekontakt kann dabei ein Strahlungskontakt sein und/oder ein mechanischer Kontakt.
Bei einer Ausführungsform ist der Wärmespeicher hinter einer Beaufschlagungsseite des Absorberrohrs für Strahlung von der primären Kollektorvorrichtung angeordnet, so daß der Wärmespeicher denjenigen Teil der konzentrierten Solarstrahlung, welcher nicht direkt von den Absorberrohren absorbiert wird, absorbieren kann, um das Speichermedium zu erhitzen.
Es kann alternativ vorgesehen sein, daß ein oder mehrere Absorberrohre in dem Wärmespeicher angeordnet sind und insbesondere in den Wärmespeicher eingebettet sind, so daß der Wärmespeicher die Absorptionsfläche bildet, über die Strahlung absorbiert wird und dabei zum einen Speichermedium erwärmt wird und zum anderen Wärmeaufnahmemedium in den Absorberrohren erhitzt wird.
Günstig ist es, wenn der Wärmespeicher sich über eine Breite des Beaufschlagungsbereichs erstreckt, so daß eine möglichst große Absorptionsfläche für konzentrierte Solarstrahlung bereitgestellt ist.
Eine erfindungsgemäße Solar-Receivervorrichtung läßt sich in einem solarthermischen Kraftwerk einsetzen, welches eine primäre Kollektorvorrichtung zur Beaufschlagung der Solar-Receivervorrichtung mit konzentrierter Solarstrahlung aufweist.
Insbesondere kann dabei die Solar-Receivervorrichtung erhöht über die primäre Kollektorvorrichtung angeordnet sein, wie es beispielsweise bei dem Turmkonzept oder dem Fresnel-Konzept vorgesehen ist.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Solar-Receivervorrichtung in einem Fokalbereich eines Rinnenkollektors angeordnet ist, insbesondere wenn ein Absorberrohr an oder in einem Wärmespeicher angeordnet ist.
Um ein Verfahren zur solarthermischen Erhitzung eines Wärmeaufnahmemediums, bei dem mindestens ein Absorberrohr mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt wird, wobei das Wärmeaufnahmemedium in dem Absorberrohr geführt wird und Solarstrahlung, welche in einen Beaufschlagungsbereich um das Absorberrohr gerichtet wird und das Absorberrohr nicht direkt trifft, zur Erhitzung des Wärmeaufnahmemediums gesammelt wird, so zu verbessern, daß eine entsprechende Solar-Receivervorrichtung eine erhöhte Lebensdauer aufweist, wird vorgeschlagen, daß Solarstrahlung durch einen Wärmespeicher gesammelt wird, welcher Solarstrahlung absorbiert und Wärmeaufnahmemedium aufheizt und/oder durch das Wärmeaufnahmemedium aufheizbar ist.
Dadurch lassen sich thermomechanische Belastungen des oder der Absorberrohre verringern, da insbesondere eine ungleichmäßige Belastung reduziert wird, wobei der Gesamtstrahlungsfluß, der – direkt oder indirekt – zur Erhitzung des Wärmeaufnahmemediums dient, nicht wesentlich verringert wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solar-Receivervorrichtung diskutiert.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines solarthermischen Kraftwerks mit einer Solar-Receivervorrichtung;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Receivervorrichtung;
3 bis 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Receivervorrichtung mit unterschiedlichen Spiegelelementstellungen und
6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Receivervorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein Heliostatenfeld 12 mit einer Mehrzahl von Heliostaten 14. Das Heliostatenfeld 12 bildet eine primäre Kollektorvorrichtung, mittels der Solarstrahlung 16 konzentrierbar ist und konzentrierte Solarstrahlung 18 auf eine Solar-Receivervorrichtung 20 gerichtet wird.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Solar-Receivervorrichtung 20 erhöht bezüglich der primären Kollektorvorrichtung 12 angeordnet. Beispielsweise ist die Solar-Receivervorrichtung 20 an einem Turm 22 angeordnet.
Die Solar-Receivervorrichtung 20 ist durch ein Wärmeaufnahmemedium wie Wasser durchströmt, wobei dieses Wärmeaufnahmemedium in der Solar-Receivervorrichtung 20 Wärme aufnimmt, d. h. solarthermisch erhitzt wird.
Zur Zuführung von Wärmeaufnahmemedium zu der Solar-Receivervorrichtung 20 ist eine oder sind mehrere Zuführungsleitungen 24 vorgesehen. Zur Abführung von in der Solar-Receivervorrichtung 20 erhitztem Wärmeaufnahmemedium ist eine oder sind mehrere Abführungsleitungen 26 vorgesehen.
Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels umfaßt die primäre Kollektorvorrichtung 12 beweglich angeordnete Spiegelelemente 28, um die Solarstrahlung 16 auf die Solar-Receivervorrichtung 20 zu konzentrieren. Es kann dabei insbesondere im Zusammenhang mit einem Turmkonzept, bei dem die Solar-Receivervorrichtung 20 zentral an dem Turm 22 angeordnet ist, vorgesehen sein, daß die Spiegelelemente 28 zweiachsig beweglich sind.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Spiegelelemente 28 nur einachsig beweglich und bilden beispielsweise einen linearen Fresnel-Reflektor, welcher beabstandete, erhöht angeordnete Solar-Receivervorrichtungen 20 beaufschlägt. Ein solcher linearer Fresnel-Reflektor ist in dem eingangs zitierten Artikel "Stanwell Solar Thermal Power Project" von D. Burbidge et al. aus Proceedings of the 10th SolarPACES International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Sydney, Australia, 8–10 March, 2000, Seiten 21–26, offenbart. Auf diesen Artikel wird ausdrücklich Bezug genommen.
Alternativ kann es ferner vorgesehen sein, daß die primäre Kollektorvorrichtung durch einen Rinnenkollektor gebildet ist, wobei die Solar-Receivervorrichtung an der Fokallinie des Rinnenkollektors angeordnet ist.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solar-Receivervorrichtung, welche in 2 als Ganzes mit 30 bezeichnet ist und welche insbesondere in Einsatz kommt bei einem Kraftwerkskonzept, bei dem die Solar-Receivervorrichtung 30 erhöht gegenüber der primären Kollektorvorrichtung 12 angeordnet ist, ist eine Mehrzahl von beabstandeten Absorberrohren 32 vorgesehen, die jeweils von dem Wärmeaufnahmemedium parallel durchströmt werden. Die Absorberrohre 32 sind dabei insbesondere parallel ausgerichtet und verlaufen quer und insbesondere senkrecht zu einer Bodenflächen 34. Vorzugsweise sind die Absorberrohre 32 parallel zu einer Höhenrichtung des Turms 22 bzw. eines Haltegestells für die Solar-Receivervorrichtung 30 angeordnet.
Die Absorberrohre 32 sind erfindungsgemäß frei geführt, d. h. nicht direkt miteinander starr gekoppelt. Insbesondere sind die parallelen Absorberrohre 32 nicht miteinander verschweißt. Dadurch sind hohe einseitige thermische Belastungen der Solar-Receivervorrichtung 30 verhindert. Andererseits ist dadurch eine Beaufschlagungsfläche 36 für konzentrierte Solarstrahlung 18 von der primären Kollektorvorrichtung 12 gebildet, welche nicht geschlossen ist.
Die konzentrierte Solarstrahlung 18 beaufschlagt direkt eine Beaufschlagungsseite 36 der Absorberrohre 32, welche der primären Kollektorvorrichtung 12 zugewandt ist. Die Beaufschlagungsfläche an der Beaufschlagungsseite 36 für direkte Beaufschlagung ist kleiner als die gesamte Umfangsfläche des jeweiligen Absorberrohrs 32.
Erfindungsgemäß ist eine sekundäre Kollektorvorrichtung 38 vorgesehen, welche ebenfalls von der konzentrierten Solarstrahlung 18 beaufschlagbar ist. Die Solar-Receivervorrichtung 30 umfaßt dadurch einen Beaufschlagungsbereich 40, welcher eine größere Ausdehnung aufweist als die Beaufschlagungsfläche der Absorberrohre 32 für Direktbeaufschlagung durch konzentrierte Solarstrahlung 18 an der Beaufschlagungsseite 36.
Die sekundäre Kollektorvorrichtung 38 ist so angeordnet und ausgebildet, daß von ihr getroffene konzentrierte Solarstrahlung 18 auf das Absorberrohr 32 zu reflektierbar ist und von diesem absorbierbar ist, um die Gesamt-Strahlungsbeaufschlagungsfläche des Absorberrohrs 32 zu vergrößern bzw. die Beaufschlagungsintensität zu erhöhen.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Reflexionsvorrichtung 42 vorgesehen, welche hinter der Beaufschlagungsseite 36 zur Direktbeaufschlagung durch konzentrierte Solarstrahlung 18 angeordnet ist. Die Reflexionsvorrichtung 42 umfaßt eine Mehrzahl von gekrümmten wie beispielsweise parabolischen Spiegelelementen 44, wobei jedem Absorberrohr 32 ein Spiegelelement zugeordnet ist. Ein solches Spiegelelement 44 ist mit einer Spiegelachse 46 symmetrisch zu dem zugeordneten Absorberrohr 32 angeordnet, wobei die Spiegelachse 46 insbesondere durch ein Zentrum des Absorberrohrs 32 geht, welches im Fokalbereich sitzt.
Wenn konzentrierte Solarstrahlung, welche auf die Beaufschlagungsfläche 35 gerichtet ist und nicht direkt von dem Absorberrohr 32 absorbiert wird, auf ein solches Spiegelelement 44 trifft, dann wird sie als reflektierte konzentrierte Solarstrahlung 48 auf das zugeordnete Absorberrohr 32 gerichtet und absorbiert. Eine entsprechende Beaufschlagungsfläche 50 ist dabei dem Spiegelelement 44 zugewandt und insbesondere der Beaufschlagungsseite 36 für Direktabsorption von konzentrierter Solarstrahlung abgewandt. (Die Beaufschlagungsfläche 50 für reflektierte konzentrierte Solarstrahlung kann teilweise mit der Beaufschlagungsfläche für Direktabsorption von konzentrierter Solarstrahlung überlappen.)
Insgesamt läßt sich dadurch die Beaufschlagungsfläche der jeweiligen Absorberrohre 32 erhöhen.
Dadurch, daß die Absorberrohre 32 in der Solar-Receivervorrichtung 30 nicht starr miteinander verbunden sind, sondern einzeln frei geführt sind, ist zwischen den Absorberrohren 32 ein Abstandsbereich als Zwischenbereich gebildet. Eine hohe einseitige thermische Belastung der Solar-Receivervorrichtung 30 ist dadurch vermieden. Über die sekundäre Kollektorvorrichtung 38, die insbesondere die Reflexionsvorrichtung 42 umfaßt, läßt sich konzentrierte Solarstrahlung 18, die an den jeweiligen Absorberrohren 32 vorbeigeht, d. h. durch diese nicht direkt absorbiert wird und auf diesen Zwischenbereich trifft auf die zugeordneten Absorberrohre 32 hin reflektieren und insbesondere auf eine Rückseite der Absorberrohre 32 hin reflektieren.
Die Beaufschlagungsfläche der Solar-Receivervorrichtung bezogen auf die Absorberrohre 32 ist nicht geschlossen. Jedoch wird die an den Absorberrohren 32 vorbeigehende Strahlung durch die sekundäre Kollektorvorrichtung 38 gesammelt und auf die zugeordneten Absorberrohre 32 hin reflektiert, d. h. der entsprechende nicht direkt absorbierte Strahlungsanteil geht nicht verloren, sondern wird mittels der sekundären Kollektorvorrichtung 38 gesammelt und somit ebenfalls genutzt. Da die Beaufschlagungsfläche der Absorberrohre 32 gleichmäßiger über den Umfang verteilt ist, sind damit auch einseitige thermische Belastungen der Absorberrohre 32 verringert. Darüber hinaus sind dadurch auch Wärmegradienten des Wärmeaufnahmemediums, welches in den Absorberrohren 32 strömt, verringert.
Die Spiegelelemente 44 können auch beweglich angeordnet sein.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solar-Receivervorrichtung, welche in den 3 bis 5 gezeigt und dort als Ganzes mit 52 bezeichnet ist, ist wiederum eine Mehrzahl von Absorberrohren 54 vorgesehen, welche beabstandet zueinander mit einem Zwischenraum zwischen benachbarten Absorberrohren 54 angeordnet sind. Eine Beaufschlagungsseite 56 eines jeweiligen Absorberrohrs 54 ist der primären Kollektorvorrichtung 12 zugewandt und ist direkt mit konzentrierter Solarstrahlung 18 beaufschlagbar. Hinter einer Beaufschlagungsseite der Solar-Receivervorrichtung 52, welche mittels der Beaufschlagungsseiten 56 gebildet ist und welche der primären Kollektorvorrichtung 12 zugewandt ist, ist ein Wärmespeicher 58 angeordnet. Dieser ist insbesondere als Latentwärmespeicher ausgebildet, welcher ein Phasenwechselmedium 60 umfaßt. In dem Wärmespeicher 58 läßt sich dann Wärme als latente Wärme speichern. Das Phasenwechselmedium ist so ausgewählt, daß die Phasenübergangstemperatur in dem relevanten Temperaturbereich liegt.
Der Wärmespeicher 58 ist vorzugsweise in einer Längsrichtung 62 ausgedehnt und zusammenhängend, wobei die Längsrichtung 62 quer und insbesondere senkrecht zur Längsrichtung der Absorberrohre 54 liegt.
Der Wärmespeicher 58 liegt in einem Beaufschlagungsbereich 64 für konzentrierte Solarstrahlung 18, welche von der primären Kollektorvorrichtung 12 auf die Solar-Receivervorrichtung 52 gespiegelt wird. Auch die Absorberrohre 54 liegen in diesem Beaufschlagungsbereich 64. Dadurch kann der Wärmespeicher 58 zumindest einen Teil der konzentrierten Solarstrahlung absorbieren, welche nicht direkt von den Aborberrohren 54 (an der Beaufschlagungsseite 56) absorbiert wurde.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Absorberrohre 54 in einem Abstand quer zur Längsrichtung 62 und quer zur Längsrichtung der Absorberrohre 54 selber zu dem Wärmespeicher 58 angeordnet.
Es kann auch vorgesehen sein, daß die Absorberrohre 54 den Wärmespeicher 58 berührend angeordnet sind oder, wie unten noch näher beschrieben wird, in diesen eingebettet sind.
Der Wärmespeicher 58 bildet ein Teil einer sekundären Kollektorvorrichtung 66 für den Beaufschlagungsbereich 64, über den Wärmeaufnahmemedium erwärmbar ist.
Dazu umfaßt die sekundäre Kollektorvorrichtung 66 ferner eine Reflexionsvorrichtung 68 mit zwischen benachbarten Absorberrohren angeordneten Spiegelelementpaaren 70. Ein solches Spiegelelementpaar umfaßt ein erstes Spiegelelement 72 und ein beabstandetes zweites Spiegelelement 74, welche um eine Schwenkachse 76 parallel zur Längsrichtung des Absorberrohrs 54 jeweils schwenkbar angeordnet sind.
Die Spiegelelemente 72, 74 weisen eine solche Ausdehnung auf, daß der Zwischenbereich zwischen benachbarten Absorberrohren 54 bei einer bestimmten Spiegelstellung so abdeckbar ist, daß die Strahlungsbeaufschlagung des Wärmespeichers 58 an seiner der primären Kollektorvorrichtung 12 zugewandten Seite 76 abschirmbar ist und/oder ein sehr großer Anteil des Strahlungsflusses im Zwischenraum auf die Absorberrohre 54 reflektierbar ist.
Die Schwenkstellung der Spiegelelemente 72, 74 in einem Spiegelelementpaar 70 der Reflexionsvorrichtung 68 ist einstellbar und insbesondere steuerbar und/oder regelbar. Die Schwenkbewegung der Spiegelelemente 72, 74 erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Motors (in der Zeichnung nicht gezeigt). Die Steuerung des Motors kann automatisch erfolgen, je nach Einstrahlungsbedingungen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist anstatt einer Motorsteuerung ein Bimetallelement jedem Spiegelelement 72, 74 zugeordnet, welches bei Temperaturerhöhung sich verbiegt und dadurch eine Schwenkbewegung des jeweiligen Spiegelelements 72, 74 initiiert und dadurch deren Schwenkstellung entsprechend einstellt.
In 3 ist eine Schwenkstellung gezeigt, bei welcher die Spiegelelemente 72, 74 der Spiegelelementpaare 70 parallel zueinander ausgerichtet sind und parallel zur Strahlungsrichtung der Einstrahlung von konzentrierter Solarstrahlung von der primären Kollektorvorrichtung 12 auf die Solar-Receivervorrichtung 52 ausgerichtet sind. Dadurch kann die konzentrierte Solarstrahlung 18 sowohl von den Absorberrohren 54 an deren Beaufschlagungsseite 56 absorbiert werden als auch von dem Wärmespeicher 58 insbesondere über den Teil der Seite 76, welcher zwischen benachbarten Absorberrohren 54 liegt.
Eine solche Stellung der Spiegelelemente 72, 74 wird insbesondere in Zeiten hoher Einstrahlung verwendet, da gleichzeitig Wärmeaufnahmemedium in den Absorberrohren 54 erhitzbar ist und der Wärmespeicher 58 beladbar ist.
In 4 ist eine Stellung der Spiegelelemente 72, 74 gezeigt, in welcher deren jeweilige spiegelnde Seite 78 der primären Kollektorvorrichtung 72 zugewandt ist, wobei die beiden Spiegelelemente 72, 74 in einem Winkel zueinander liegen. Die Stellung der Spiegelelemente 72, 74 ist derart, daß konzentrierte Solarstrahlung, welche nicht direkt von den Absorberrohren 54 absorbiert wurde und in dem Zwischenbereich zwischen benachbarten Absorberrohren 54 auf die Spiegelelemente 72, 74 trifft, auf die jeweiligen Absorberrohre 54 hin reflektiert wird.
Dadurch kann Solarstrahlung von den Absorberrohren 54 über eine Beaufschlagungsfläche absorbiert werden, welche größer ist als die Flächen der Beaufschlagungsseiten 56 zur Beaufschlagung durch direkt absorbierbare Solarstrahlung.
Die Spiegelelemente 72, 74 sind dabei insbesondere so ausgebildet und ihre Schwenkstellung ist so eingestellt, daß der größte Anteil der konzentrierten Solarstrahlung, welche an den Absorberrohren 54 vorbeigeht und auf den Zwischenbereich zwischen diesen trifft, durch die Spiegelelemente 72, 74 auf die Absorberrohre 54 hin reflektiert wird. Dadurch wird im wesentlichen die gesamte Einstrahlung der konzentrierten Solarstrahlung auf die Solar-Receivervorrichtung 52 auf die Absorberrohre 54 hin fokussiert, wie oben bereits anhand des Ausführungsbeispiels gemäß 2 beschrieben.
Eine solche Schwenkstellung der Spiegelelemente 72, 74 wird bei niedriger Einstrahlung eingesetzt und/oder wenn der Wärmespeicher 58 beladen ist.
Eine weitere mögliche Stellung der Spiegelelemente 72, 74 der Spiegelelementpaare 70 der Reflexionsvorrichtung 68 ist in 5 gezeigt. Diese Stellung wird insbesondere eingesetzt, wenn der Wärmespeicher 58 beladen ist und niedrige Einstrahlung vorliegt.
Die Spiegelelemente 72, 74 sind mit ihrer spiegelnden Seite 78 dem Wärmespeicher 58 zugewandt und decken diesen nach außen hin in Richtung zu der primären Kollektorvorrichtung ab. Die spiegelnde Seite 78 ist jeweils dem Wärmespeicher 58 zugewandt, so daß Wärmestrahlung von dem Wärmespeicher, welcher als Wärmequelle wirkt, auf die Absorberrohre 54 hin richtbar ist und so die Absorberrohre 54 von hinten her erwärmbar sind, um so für eine Aufheizung des Wärmeaufnahmemediums in den Absorberrohren 54 zu sorgen.
Von den Absorberrohren 54 kann ferner, wenn sie mit konzentrierter Solarstrahlung 18 beaufschlagt werden, direkt Solarstrahlung absorbiert werden.
Die Spiegelelemente 72, 74 decken in dieser Stellung auch den Wärmespeicher 58 und zumindest teilweise die Absorberrohre 54 nach außen hin ab, um so konvektive Wärmeverluste zu minimieren. Die Stellung gemäß 4 wird insbesondere eingesetzt, wenn der Wärmespeicher 58 beladen ist und verringerte Einstrahlung vorliegt. Die Spiegelelemente 72, 74 können auch so ausgebildet sein, daß die Absorberrohre 54 vollständig nach außen abdeckbar sind.
Durch das Vorsehen einer sekundären Kollektorvorrichtung 38 bzw. 66 bei den Solar-Receivervorrichtungen 20 bzw. 52 läßt sich konzentrierte Solarstrahlung, welche sonst an den frei geführten Absorberrohren 54 vorbeigehen würde, sammeln und zur Erwärmung des Wärmeaufnahmemediums nutzen. Es läßt sich dabei erreichen, daß die thermomechanische Belastung der Solar-Receivervorrichtung 20 bzw. 52 minimiert ist, da insbesondere die Absorberrohre 54 nicht starr miteinander gekoppelt werden müssen. Grundsätzlich tritt dadurch ein Verlust an Absorptionsfläche auf, der jedoch durch die sekundäre Kollektorvorrichtung 38 bzw. 66 ausgeglichen wird, indem nämlich über die Reflexionsvorrichtung 42 bzw. 68 Solarstrahlung auf die Absorberrohre 32, 54 gerichtet wird und durch den Wärmespeicher 58 über Solarstrahlungsabsorption Wärme gespeichert wird.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel einer Solar-Receivervorrichtung, welche in 6 als Ganzes mit 80 bezeichnet ist, ist eine Mehrzahl von beabstandeten Absorberrohren 82 in ein Speichermodul 84 eingebettet, welches als Wärmespeicher 86 ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Latentwärmespeicher, wobei dann die Absorberrohre 82 von einem Phasenwechselmedium 88 umgeben sind.
Der Wärmespeicher 86 ist mit einer Beaufschlagungsseite 90 der primären Kollektorvorrichtung 12 zugewandt und bildet eine sekundäre Kollektorvorrichtung. Konzentrierte Solarstrahlung wird durch den Wärmespeicher 86 absorbiert, wobei Wärmeaufnahmemedium, welches in den Absorberrohren 82 strömt, erhitzt wird. Ferner wird das Phasenwechselmedium 88 erhitzt und speichert dadurch Wärme.
Bei Bedarf kann das Wärmeaufnahmemedium dem Phasenwechselmedium 88 im Wärmespeicher 86 Wärme entziehen, insbesondere wenn erniedrigte Einstrahlungsbedingungen vorliegen. Mittels der Solar-Receivervorrichtung 80 läßt sich eine Pufferwirkung bezüglich der solarthermischen Erhitzung des Wärmeaufnahmemediums erzielen. Ein Wärmespeicher 86 ist direkt in die Solar-Receivervorrichtung 80 integriert.
Die Solar-Receivervorrichtung 80 kann auch in einem Rinnenkollektor eingesetzt werden, insbesondere wenn in den Wärmespeicher 86 nur ein Absorberrohr 82 eingebettet ist. Der Wärmespeicher 86 ist dabei im Fokalbereich des Rinnenkollektors angeordnet. Er weist eine solche äußere Gestalt auf, daß eine optimale Absorption von konzentrierter Solarstrahlung (konzentriert durch die parabolischen Rinnenspiegel des Rinnenkollektors) erfolgen kann und daß eine solche Menge an Phasenwechselmedium 88 im Wärmespeicher 86 enthalten ist, daß eine optimale Pufferwirkung erzielbar ist.

Claims

Solar-Receivervorrichtung mit mindestens einem Absorberrohr (32; 54; 82), welches mit konzentrierter Solarstrahlung (18) von einer primären Kollektorvorrichtung (12) beaufschlagbar ist und welches von einem Wärmeaufnahmemedium durchströmbar ist, wobei das mindestens eine Absorberrohr (32; 54; 82) in einem Beaufschlagungsbereich (40, 64) angeordnet ist, welcher eine größere Ausdehnung als eine Beaufschlagungsfläche des Absorberrohrs (32; 54; 82) aufweist, und wobei eine sekundäre Kollektorvorrichtung (38; 66; 86) für den Beaufschlagungsbereich (40; 64) vorgesehen ist, welche so angeordnet und ausgebildet ist, daß Wärmeaufnahmemedium über Strahlung aus dem Beaufschlagungsbereich (40; 64) erwärmbar ist, welche nicht direkt vom Absorberrohr (32; 54; 82) absorbiert wurde, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Kollektorvorrichtung (66; 86) einen Wärmespeicher (58; 86) umfaßt, durch welchen Solarstrahlung aus dem Beaufschlagungsbereich (64) absorbierbar ist und durch welchen Wärme an das Wärmeaufnahmemedium abgebbar ist.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von beabstandeten Absorberrohren (32; 54; 82) vorgesehen ist.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberrohre (32; 54; 82) bezüglich benachbarter Absorberrohre frei geführt sind.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Beaufschlagungsbereich (40; 64) den Zwischenbereich zwischen benachbarten Absorberrohren (32; 54; 82) zumindest teilweise umfaßt.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundäre Kollektorvorrichtung (38; 66) eine Reflexionsvorrichtung (42; 68) umfaßt, mittels welcher Strahlung aus dem Beaufschlagungsbereich (40; 64) um das Absorberrohr (32; 54) auf das Absorberrohr (32; 54) reflektierbar ist.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung (42; 68) so ausgebildet ist, daß die gesamte Beaufschlagungsfläche des Absorberrohrs (32; 54) bezogen auf die Beaufschlagungsfläche für Direktbestrahlung durch die primäre Kollektorvorrichtung (12) vergrößerbar ist.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung (42; 68) hinter einer Beaufschlagungsseite (36; 56) des Absorberrohrs (32; 54), welche der primären Kollektorvorrichtung (12) zugewandt ist, angeordnet ist.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung ein oder mehrere Spiegelelemente (44; 72, 74) umfaßt, welche hinter einem Absorberrohr (32; 54) und/oder zwischen Absorberrohren (54) angeordnet sind.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Spiegelelement (44) vorgesehen ist, welches einer Beaufschlagungsseite (36) des Absorberrohrs (32) für Solarstrahlung von der primären Kollektorvorrichtung (12) abgewandt angeordnet ist.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung (64) eine Mehrzahl von beweglichen Spiegelelementen (72, 74) umfaßt, deren Ausrichtung einstellbar ist.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung so einstellbar ist, daß im wesentlichen keine Reflexion auf das Absorberrohr (54) stattfindet.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung so einstellbar ist, daß eine Reflexion von konzentrierter Solarstrahlung (18) aus dem Beaufschlagungsbereich (64) auf das Absorberrohr (54) stattfindet.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung so einstellbar ist, daß Wärmestrahlung von einer Wärmequelle (58) auf das Absorberrohr (54) richtbar ist.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung so einstellbar ist, daß das Absorberrohr (54) und/oder ein Wärmespeicher (58) zumindest teilweise abdeckbar sind.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsvorrichtung (68) ein Paar Spiegelelemente (72, 74) umfaßt, welche zwischen benachbarten Absorberrohren (54) angeordnet sind.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher ist.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (86) in Wärmekontakt mit dem Absorberrohr (82) steht.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (58) hinter einer Beaufschlagungsseite (56) des Absorberrohrs (54) für Strahlung von der primären Kollektorvorrichtung (12) angeordnet ist.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Absorberrohre (82) in dem Wärmespeicher (86) angeordnet sind.
Solar-Receivervorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Absorberrohre (82) in den Wärmespeicher (86) eingebettet sind.
Solar-Receivervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (58; 86) sich über eine Breite des Beaufschlagungsbereichs (64) erstreckt.
Solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine primäre Kollektorvorrichtung (12) zur Beaufschlagung einer Solar-Receivervorrichtung mit konzentrierter Solarstrahlung (18), gekennzeichnet durch eine Solar-Receivervorrichtung (20; 52; 80) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Solar-Receivervorrichtung (20; 52; 80) erhöht über die primäre Kollektorvorrichtung (12) angeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Solar-Receivervorrichtung (80) in einem Fokalbereich eines Rinnenkollektors angeordnet ist.