DE10340341A1

DE10340341A1 - Kollektorsystem

Info

Publication number: DE10340341A1
Application number: DE10340341A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Priebe
Original assignee: Priebe Klaus-Peter Dipl-Ing
Current assignee: Priebe Klaus-Peter Dipl-Ing
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft Sonnenkollektoren neuer Bauart, die für eine maximale Dampfproduktion zur Nutzung mit Arbeitsmaschinen bei hohen Kollektorwirkungsgraden ausgelegt sind und in dem Gehäuse eines Flachbettkollektors den Enthitzer und Kondensator, die Vorwärmer, den Verdampfer und den Überhitzer des Arbeitsmediums aufnehmen sowie eine zusätzliche Absorberfläche für die Erhitzung des Kühlmediums vor dem Eintritt in den Vorwärmer aufnehmen. Ein entsprechend aufgebautes Rohr für einen linearen Parabolkollektor weist eine Rohr-in-Rohrkonstruktion auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Solardampferzeuger mit integrierter Wärmerückgewinnung als Kollektormodul, in dem Wasser oder ein Wasser-Gemisch oder ein anderes organisches Arbeitsmedium in einem optimierten Rankine- oder Organic-Rankine-Zyklus durch die einfallende Strahlungsenergie verdampft und der Prozessdampf zur Strom- und Wärmegewinnung genutzt wird.
Neben den Niedrigtemperaturanwendungen zur Erzeugung von heißem Wasser eröffnet die solarthermisch nutzbare Energie im mittleren Temperaturbereich (80°C–300°C) zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Die wichtigsten Anwendungsformen stellen dabei die Wärme- und Dampfproduktion in industriellen Prozessen, solaren Kühlungs- und Klimatisierungsanlagen, in der solaren Trocknung und Destillation sowie bei der Entsalzung von Meerwasser dar.
In den letzten Jahren ist zudem die Entwicklung von sogenannten Hybrid-Kraftwerkssystemen vorangetrieben worden, bei dem durch ein Kollektorfeld erzeugte Hochtemperaturwärme in einem konventionellen Kraft-Wärme-Kopplungsprozess zur Erzeugung von Elektrizität genutzt wird. Unterschieden wird dabei im wesentlichen zwischen den Modellen solarer Dampfeinspeisung in Dampfkraftwerken, wie beim kalifornischen Solar Electricity Generating System SEGS oder dem europäischen Solarturmkraftwerk PHOEBUS, und solarer Dampfeinspeisung in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GuD), bei der im fossilen Betrieb laufende Kraftwerksanlagen mit einer direkten Einkopplung von solar erzeugtem Dampf kombiniert werden. Stellvertretend für die zahlreichen Projekte auf diesem Forschungsfeld sei hier das von Siemens/KWU und der DLR getragene SIEMENS-Konzept genannt, bei dem eine direktverdampfende Parabolrinne an den Mitteldruckteil einer herkömmlichen Dampfturbine angeschlossen wird (siehe F. Trieb, W. Meinecke, K. Hennecke, F. Staiß „Systemaspekte hybrider Solarkraftwerke" aus Forschungsverbund Sonnenenergie „Themen 96/97", S. 91-101)
Allen derzeit auf dem Markt befindlichen solardampfbasierten Energieerzeugungssystemen sowie weitergehenden Konzepten und Studien ist jedoch aufgrund der Fokussierung auf industrielle Prozesse und große Kraftwerksanlagen im MW_e-Bereich gemeinsam, dass den niedrigen Solarstromgestehungskosten ein hoher Flächenverbrauch durch die großdimensionierten Kollektorfelder und hohe Personal- und Instandhaltungskosten gegenüberstehen.

Die Technik solardampferzeugender Systeme wird von unterschiedlichen Kollektortypen bestimmt, die sich in zwei wesentliche Typen klassifizieren lassen:

1. stationäre Kollektorsysteme: Flachkollektoren, Vakuumröhrenkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren mit CPC
2. nachgeführte Kollektorsysteme: Parabolrinnenkollektoren, Parabolspiegelkollektoren und Fresnelkollektoren

Aufgrund der fortschreitenden technischen Entwicklung, insbesondere auf dem Gebiet hochselektiver wärmeabsorbierender Schichten und verbesserter hochtransmissiver Gläser, erreichen z.B. Standard-Flachkollektoren inzwischen Stillstandstemperaturen von über 200°C. Die Kollektoren erreichen so unter südeuropäischen Einstrahlungsbedingungen ihre maximale prozessverwertbare Effizienz bei Temperaturen zwischen 100°C und 130°C.

Um eine weitere Steigerung der Effizienzwerte stationärer Kollektoren und die Ausweitung des für Kraft-Wärme-Kopplungen nutzbaren Prozessdampfbereiches auf Arbeitstemperaturen oberhalb 150°C zu ermöglichen, werden neben Röhrenvakuumkollektoren verstärkt evakuierte bzw. gasbefüllte Flachkollektoren diskutiert, die durch Unterdrückung der Wärmekonvektion die Abstrahlungsverluste deutlich verringern.

So stellt die ThermoSolar AG (siehe Produktkatalog 7/03) evakuierte und kryptonbefüllte Flachkollektoren her, die auf Forschungsarbeiten des ZAE Bayern und der Ludwig-Maximilians-Universität München (siehe u.a. N. Benz, „Direkte solarthermische Prozessdampferzeugung in evakuierbaren Flachkollektoren", VDI-Verlag, 1994) zurückgreifen und die bei Temperaturen zwischen 100 und 150°C ihren optimalen Wirkungsgrad erreichen. Die Stillstandstemperatur solcher Systeme liegt bei ca. 220°C (zuzüglich der Umgebungstemperatur).

Vakuumröhrenkollektoren mit CPC (Compound Parabolic Concentrator)-Reflektoren sind seit 1992 in Europa bekannt. Es kommen dabei evakuierte Dewar-Röhren zum Einsatz, bei der die innere, evakuierte Glasröhre mit einer selektiven Absorberbeschichtung versehen ist und bei der durch die runde Absorberform die Nutzung der Solarstrahlung vom Einstrahlungswinkel unabhängig wird.

Durch den Einbau eines zusätzlichen CPC-Reflektorbleches können so Stillstandstemperaturen von über 300°C erreicht und konstante, für Prozessdampfanwendungen geeignete Arbeitstemperaturen von 150–170°C gewährleistet werden.

Der prinzipielle Aufbau eines solchen Kollektors wird zum Beispiel in den Produktunterlagen der Firma microtherm „Der SIDNEY-Kollektor" von 1996 beschrieben.

Den neuesten Stand der Technik repräsentiert des weiteren die Gebrauchsmusterschrift DE 201 08 879 , in dem eine Weiterentwicklung des CPC-Kollektortyps vorgestellt wird, bei der durch die Einbeziehung des Reflektorbleches in die tragende Konstruktion, einer nach unten geöffneten Ausführung des Vakuumrohres und dem ebenfalls nach unten ausgerichteten U-förmigen und in einem luftisolierten Sammlergehäuse mündenden Wärmeableitsystem der Herstellungsaufwand und der durch Dichtungsprobleme auftretende Wärmeverlust verringert werden.

Nachteile, der für den Solardampfprozess modifizierten stationären Kollektoren sind im wesentlichen die auf bestehende, ursprünglich für niedrige Temperaturbereiche aufsetzenden technologischen Merkmale und Konstruktionsformen, die besonderen Anforderungen evakuierter Kollektoren an Dichtigkeit und Stabilität sowie die kosten- und materialintensive Herstellung solcher Systeme.

Bei den nachgeführten Kollektorsystemen finden die Parabolrinnenkollektoren für die Generierung von Prozesstemperaturen bis 400°C die breiteste Anwendung. Dabei konzentrieren die überwiegend einachsig nachgeführten parabolförmigen Rinnen die direkte Solareinstrahlung auf ein sich in der Fokuslinie befindliches Absorberrohr, dass durch selektive Beschichtung eine hohe Absorption des solaren Spektrums bei gleichzeitig geringer Emission des infraroten Strahlungsbandes bei Arbeitstemperaturbedingungen ermöglicht.

Der Stand der Technik, insbesondere für kleine direktverdampfende Parabolrinnensysteme wird z.B. durch WO 01/02780 repräsentiert, in der ein Parabolrinnenkollektor beschrieben wird, der zur Verringerung der Wärmekonvektion eine zusätzliche Glasabdeckung aufweist. In der Patentschrift DE 199 31 372 wird der Aufbau eines Konzentrators in Steckbauweise offenbart, der den leichten und stabilen Bau eines Rinnenkonzentrators in Facettenbauweise ermöglicht um die bei Parabolrinnenkonzentratoren auftretenden Windlasten und Abschattungsverluste zu minimieren.

Wesentliche Nachteile nachgeführter Systeme liegen in der wartungsintensiven, auf den Tagesgang der Sonne abgestimmten Steuer- und Regeltechnik und in der fehlenden technischen und statischen Entwicklung und Auslegung rentabler konzentrierender Kollektorsysteme für Prozessdampfanwendungen unterhalb der Leistungsdimensionen großer solarthermischer Kraftwerksanlagen.

Beschreibung der Erfindung

Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Solardampferzeuger der eingangs genannten Art zu schaffen, der auf eine maximale Dampfproduktion bei gleichzeitig hohen Wirkungsgrad ausgerichtet ist und bei kleiner Konstruktionshöhe eine wirtschaftliche Herstellung gewährleistet.

Der erfindungsgemäße Solardampferzeuger zeichnet sich demgemäß dadurch aus, dass er zur Erzeugung überhitzten Prozessdampfes in einem optimierten Rankine- oder Organic-Rankine-Zyklus sowie zur schrittweisen und energetisch günstigen Verdampfung des Arbeitsmediums in die drei Bereiche Vorwärmer II, Verdampfer und Überhitzer segmentiert wird und optional ein Nachwärmer für das Kühlmedium hinzugefügt wird.

Ein weiterer wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass das, nach der Nutzung des Exergieanteils des Arbeitsmediums, beim Durchtritt durch den Enthitzer/Kondensator an ein geeignetes flüssiges Kühlmittel abgegebene Wärmepotenzial nicht direkt im Rücklauf dem Wärmereservoir des Heizungs- bzw. Heißwasserkreislaufes zugeführt sondern vielmehr die Wärme durch den Vorwärmer I geleitet wird. Auf diese Weise wird das in den Vorwärmer II eingeleitete Arbeitsmedium konstant in einem Bereich in der Nähe des Siedepunktes vortemperiert, um in dem sich anschließenden Verdampfer- und Überhitzersegment durch die gegebene Einstrahlungsleistung der Sonne kontinuierlich von Nassdampf über Sattdampf in überhitzten Prozess- bzw. Frischdampf überführt zu werden.

In einer zusätzlichen Ausführungsform kann zum Ausgleich bzw. der Erhöhung des Temperaturniveaus im Wärmereservoir des Heizungs- bzw. Heißwasserkreislaufes über ein Dreiwegeventil direkt Wärme hinter dem Enthitzer/Kondensator aus dem Kühlmittelkreislauf entnommen werden.

In einer bevorzugten ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solardampferzeugers ist der Solardampferzeuger in Flachbauweise ausgeführt. Dazu ist ein wannen- oder kastenförmiges Metall- oder Kunststoffgehäuse mit einer ein- oder mehrschichtigen Wärmedämmung versehen, auf die eine, mit einer wärmeabsorbierenden Spezialbeschichtung versehene, Absorberplatte aufgesetzt ist.

Hinsichtlich der Vermeidung von Wärmeabstrahlungsverlusten auf der Rückseite des Gehäuses sowie den im Solardampferzeuger zu erwartenden hohen Temperaturen ist es vorteilhaft, dass die zur Absorberplatte angrenzende Wärmedämmungsschicht aus einem Glasfasermaterial besteht, während der Gehäuseboden mit einer, z.B. mit Aluminium hitzeresistent beschichteten Polyurethanschicht ausgekleidet ist.

Das mäanderförmig über der Absorberplatte verlaufende Absorberrohr des Überhitzersegmentes sowie der Verdampfer werden durch Schweiß- oder Lötverfahren wärmeübertragungsoptimiert mit der Absorberplatte verbunden.

In einer alternativen Ausführung können die Absorberrohre durch Variation der Form und Anzahl auch in einer Register- oder Fächergeometrie angeordnet sein, wobei im oberen unteren Bereich der senkrecht positionierten Absorberrohre entsprechende waagerecht verlaufende Sammelrohre vorzusehen sind.

In einer weiteren verfahrenstechnischen Vereinfachung kann der Verdampfer auch aus einer zweiteiligen Absorberplatte bestehen, bei der durch Zusammenfügung der, durch mechanische und/oder thermische Verformung, mit Querschnittsausformungen versehenen oberen und unteren Absorberplatte bevorzugt kissenartige Kanäle ausgebildet sind.

Zur Abdeckung des Solardampferzeugergehäuses, insbesondere des Überhitzer- und Verdampfersegmentes sowie des Vorwärmer II, ist in der bevorzugten Ausgestaltung zur Verringerung des Wärmeverlustes durch Rücktransmission eine doppelte Verglasung vorgesehen, während der Vorwärmer I und der ebenfalls bevorzugt im Gehäuse integrierte Enthitzer/Kondensator lichtundurchlässig durch den nach innen gezogenen, überstehenden Rand des Gehäuses abgedeckt werden oder sich unterhalb der jeweiligen Absorberplatte in Ausnehmungen der Absorberwärmedämmung befinden.

Es erweist sich zudem konstruktionstechnisch als besonders vorteilhaft das Gehäuse in bis zu vier von unten nach oben folgende Teilbereiche so aufzuteilen, dass auf die Absorberfläche zur Nacherwärmung des Arbeitsmediums die Absorberfläche des Vorwärmer II folgt, gefolgt von der Verdampferabsorberfläche und der Überhitzerabsorberfläche.

Die Stabilität und Steifigkeit des Solardampferzeugers wird neben der Wahl des Gehäusematerials und Dimensionierung des Gehäuses und Gehäuserandes weiterhin durch eine versteifte windlaststabile Rahmenkonstruktion gewährleistet.

Hinsichtlich der Fertigung und Montage der einzelnen Komponenten zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass durch entsprechende Dichtungs- und Befestigungselemente die Wärmedämmungsschichten, die Absorberplataen, die in den einzelnen Segmenten enthaltenen Bauteile und die Glasabdeckung zu einem stabilen und extremen Witterungs- und Prozessbedingungen standhaltenden Verbund zusammengefügt werden.

Es ist weiterhin vorgesehen, die im Solardampferzeuger auftretende wetterabhängige Feuchtigkeitsentwicklung durch, in regelmäßigen Abständen in den Seitenflächen des Gehäuses ausgestanzte Lüftungsschlitze zu minimieren, um das einstrahlungshemmende und feuchtigkeitsbedingte Beschlagen auf der Innenseite der Glasabdeckung zu verhindern.

In einer alternativen Ausgestaltung kann zur Kontrolle und Regulierung der Feuchtigkeit in der ein- und austretenden Luft eine in den Seitenwänden des Gehäuses eingebrachte Trockenmittelschicht vorgesehen werden.

Erfindungsgemäß erweist es sich als besonders vorteilhaft, die im unteren Gehäuse befindliche Vorwärmereinheit I aus einem oder mehreren Absorberrohren auszubilden. Die Rohre setzen sich jeweils aus einem äußeren Metallrohr, das zur Durchmischung und strömungsfreien Führung des flüssig in den Vorwärmer eintretenden Arbeitsmediums mit einem spiralförmigen Innenprofil versehen ist, und einem vom erhitzten Kühlmittel durchströmten Innenrohr zusammen, das höchstens den halben Durchmesser des äußeren Rohres besitzt und mit einer wärmeübertragungsoptimierten Innenstruktur und/oder Beschichtung versehen ist.

Das oberhalb des Siedepunktes des Arbeitsmediums erhitzte Kühlmittel wird dabei vom Enthitzer/Kondensator durch den Vorwärmer II geführt, um eine zum Abkühlungsprofil des flüssigen Arbeitsmedium gegenläufige Wärmeübertragung und eine konstante Temperierung im Siedetemperaturbereich des Arbeitsmediums zu gewährleisten.

In dem erfindungsgemäßen Solardampferzeuger ist in der Nähe oder direkt an den Absorberrohren des Vorwärmers eine mit Gas betriebene Zusatzheizung vorgesehen, mit der der Kollektor zusätzlich betrieben werden kann. Diese Zusatzheizung wird vorteilhaft so ausgebildet, dass der von Arbeits- und Kühlmedium durchströmte Vorwärmer I in einen Strömungskanal eingebettet wird, dessen Lufteintrittsöffnung am Rahmen angeordnet ist und geöffnet werden kann, die eintretende Luft dem Brenner zugeführt wird, die erhitzte Luft den mit Wärmetauscherrippen versehenen Vorwärmer umströmt und über eine Luftaustrittsklappe am gegenüberliegendem Rahmen den Zusatzheizungskanal wieder verlassen kann. Diese Ausführungsform der Zusatzheizung im Kollektor erspart bei der Haustechnik eine zum Beispiel im Keller befindliche Zusatzheizung und den damit verbundenen Kamin.

Alternativ ist zur Kompensation des, nach dem Kondensator/Enthitzer zyklusbedingt auftretenden Wärmeverlustes in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, das Kühlmittel vor dem Eintritt in den Vorwärmer I in der als Nachwärmer bezeichneten Absorberfläche in Absorberrohren solar aufzuheizen. Auf diese Weise wird zusätzlich eine möglichst hohe Temperatur des Kühlmediums vor dem Eintritt in den Vorwärmer II und der Wärmepotenzialabgabe an das Arbeitsmedium gewährleistet und die Stabilisierung des Dampfkraftprozesswirkungsgrades auf hohem Niveau ermöglicht.

Der sich dem Vorwärmersegment anschließende Verdampfer wird in einer Ausgestaltungsform als Metallkasten mit selektiver Wärmeabsorptionsbeschichtung derart ausgeführt, dass innerhalb des Verdampferkastens diagonal versetzte Metallplättchen variabler Zahl so durch Schweiß- oder Klebetechniken befestigt werden, dass sie gegen die Strömungsrichtung des vom Vorwärmer in den Verdampfer eintretenden Arbeitsmediums weisen. Die dadurch erzielte Abscheidung von Tropfen im Nassdampf und die resultierende Unterstützung der Restflüssigkeitsverdampfung ermöglicht einen kontinuierlichen und kontrollierten Übergang des zweiphasigen Nassdampfes in eine Sattdampfphase, die dem Überhitzer zugeführt führt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Verdampfer auch als Kissenabsorber ausgeführt werden. Zur Abscheidungsvolumenvergrößerung und Restflüssigkeitsverdampfung können innerhalb des Kissenabsorbers ebenfalls diagonal gegen die Strömungsrichtung verlaufende Metallplättchen oder anders strukturierte Abscheidungselemente eingesetzt werden.

Es ist des weiteren erfindungsgemäß vorgesehen, die zwischen dem Vorwärmer II und dem Verdampfer in einem vergleichsweise kleinen Volumenbereich auftretenden und zu Siedeverzügen bzw. Dampfschlägen führenden Temperatur- und Druckunterschiede über jeweils vor dem Vorwärmer II und vor dem Verdampfer geschaltete Speisepumpen zu regulieren, wobei die vor dem Verdampfer eingesetzte, unter Siedeverzug arbeitende Speisepumpe für hohe Druck- und Temperaturlasten ausgelegt ist.

In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der vorgesehenen synchronisierten Regulierung der Eintrittsvolumina in den Vorwärmer II bzw. Verdampfer erweist es sich als vorteilhaft, die Speisepumpen entweder als mit den in den Vorwärmer II bzw. Verdampfer eintretenden Arbeitsmediumvolumina direkt korrespondierende Doppelkolbenpumpe auszuführen oder separat die Speisepumpen über eine entsprechend auszulegende Steuerung im Pulsbetrieb zu beaufschlagen.

In einer zur wirtschaftlichen Herstellung besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass am Auslasspunkt des Überhitzers im Übergang zur Zuführung des Enthitzers/Kondensators ein zylindrisches Anschlusselement mit einem einstellbaren Regelventil und einer Einlass- und Auslassöffnung implementiert ist, an der durch Abnahme eines auf das Anschlusselement verschraubbaren Verschlussdeckels nachrüstbar eine Turbinen-Generator-Einheit befestigt werden kann, die den aus dem Überhitzer stammenden Dampf in einem Kraft-Wärme-Kopplungsprozess in Strom umwandelt.

In einer alternativen Ausführung kann erfindungsgemäß, in Abhängigkeit der realisierten thermischen und geforderten elektrischen Leistung, statt der Turbinen-Generatoreinheit auch ein Stirling-Motor oder ein anderer thermoelektrischer Umwandler zum Einsatz kommen.

In einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung ist der Solardampferzeuger zur Erzielung höherer Prozesstemperaturen in einer konzentrierenden nachgeführten Parabolrinnenkonstruktion ausgeführt, wobei der Vorwärmer, der Nachwärmer, der Verdampfer, das Speisepumpensystem, der Turbinen-Generatorsatz sowie der Enthitzer/Kondensator direkt am, im oder in der Nähe des auf der Fokuslinie der Parabolrinne verlaufenden und als Überhitzer fungierenden Absorberrohres integriert werden.

Der konstruktive Aufbau des bevorzugt linearen Solardampferzeugers zeichnet sich dadurch aus, dass die entsprechend kompakt zu gestaltenden Vorwärmer und Verdampfer vor dem Eintritt des Arbeitsmediums in den Überhitzerbereich angeordnet sind, wobei der Verdampfer sich in der bevorzugten Ausführung mindestens bis zur Hälfte in der Fokuslinie der Parabolrinne befindet, während die Turbinen-Generatoreinheit sowie der zusätzlich wärmeisolierte und ebenfalls kompakt ausgelegte Enthitzer/Kondensator sich am Ende des Überhitzerbereiches außerhalb der Fokuslinie befinden. Die notwendigen Zu- bzw. Ableitungen in der Arbeitsmedium- und Kühlmittelführung erfolgen über einen definierten, die Nachführung nicht beeinträchtigenden Abstand auf der Unterseite der Parabolrinne und konstruktionsmäßig vorgesehene Befestigungs- und Trageelemente an der Seite.

Es erweist sich darüber hinaus als vorteilhaft, zur Druckregulierung des Arbeitsmediums und als Sicherungsfunktion zwischen dem Verdampfer und dem Überhitzerbereich des Absorberrohres ein zusätzliches Drosselventil einzusetzen.

Eine wirtschaftliche Herstellweise des Solardampferzeugers kann gemäß einer bevorzugten Verfahrensausgestaltung dadurch umgesetzt werden, dass zu einer weiteren Maximierung des überhitzten Dampfanteils in dem Absorberrohr des Überhitzers, der Vorwärmer, der Verdampfer und der Überhitzer als Rohr-in-Rohr-Konstruktion ausgeführt sind. Dabei wird das erhitzte flüssige, vom Enthitzer/Kondensator zugeführte, Kühlmittel gegenläufig zur Arbeitsmediumfließrichtung durch ein Innenrohr geleitet, während das in den Überhitzer flüssig eintretende Arbeitsmedium in Anlehnung an die Dewartechnik über U-förmig ineinander übergehende Rohre schleifenförmig vom Vorwärmer – über den Verdampfer – zum Überhitzerbereich nach außen geführt wird.

Je nach Wahl der Durchmesserschrittweite der ineinander übergehenden Rohre wird so eine rippenartige Struktur ausgebildet, wobei unter Berücksichtigung der Wärmeübergangswerte sowie der Druck- und Temperaturstabilität der verwendeten Metallrohre die Zahl und Breite der Rippensegmente insbesondere im außenliegenden Überhitzerbereich des Absorberrohres variabel gehalten werden kann.

Die Verbindungen der ineinander liegenden Rohre sind hohen Wärmedehnungen ausgesetzt, wobei die Wärmedehnung von innen nach außen zunimmt. Die Wärmedehnung soll kompensiert werden durch ausreichend dimensionierte, halbkreisförmig nach innen geöffnete Ringwulste, die jeweils ein weiteres innenliegendes Rohrende überspannen und gleichzeitig die Umlenkung des Arbeitsmediums ermöglichen.

In einer besonders bevorzugten und vereinfachten Ausführung der Rohr-in-Rohr-Konstruktion, kann das Absorberrohr auch aus mindestens zwei u-förmigen, als Vorwärmer und Verdampfer eingesetzten Rohre bestehen, die über eine Speisepumpe miteinander verbunden und von einem äußeren Rohr ummantelt sind, wobei die verbleibende Fläche zwischen dem äußeren Rohr und den innenliegenden U-Rohren als Überhitzerbereich genutzt wird. Der Überhitzerbereich und insbesondere das u-förmige Verdampferrohr zeichnen sich dadurch aus, dass zur Vermeidung von Dampfschlägen und zur Unterstützung der Restflüssigkeitsverdampfung des Arbeitsmediums das Innenprofil der Rohre mit einer strukturierten Oberfläche oder mit diagonal gegen die Strömungsrichtung verlaufenden Metallplättchen oder einer Metallspirale versehen wird.

In einer weiteren verbesserten Ausgestaltung erweist es sich zur Verringerung des Wärmeverlustes durch Rücktransmission als vorteilhaft, das Kollektorfeld mit einen oder mehreren nachführbaren Parabolrinnenkollektoren und/oder das Absorberrohr mit Reflektor mit einer lichtdurchlässigen einfachen oder doppelten Verglasung zu versehen.

Des weiteren ist einer besonders vorteilhaften Variante des Solardampferzeugers vorgesehen, dass zur Erhöhung des Konzentrationsfaktors der direkten Sonneneinstrahlung und zur weiteren Verringerung auftretender Wärmeverluste, ein Reflektorkeil über dem Absorberrohr angebracht ist, wobei der Reflektor sowohl als polierter Glas- als auch Metallspiegel ausgeführt werden kann.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der dargestellten Erfindung ergeben sich durch die in den Ansprüchen ferner aufgeführten Merkmale.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden in folgenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert:
Zeichnung 1: Anordnung der Kollektorfelder mit Installationskanal
Zeichnung 2: schematische Darstellung eines Solardampferzeugers in Flachbauweise und Parabolrinnenbauweise mit Arbeitsmedium- und Kühlmittelkreislauf in unterschiedlicher Anordnung als Aufsicht,
Zeichnung 3: Längs- und Querschnitt durch den Solardampferzeuger in Flach- und Parabolrinnenbauweise,
Zeichnung 4:

a) Querschnitt durch Absorberrohr gemäß Anspruch 25
b) Längsschnitt durch Absorberrohr gemäß Anspruch 25
c) Querschnitt durch Absorberrohr gemäß Anspruch 26
d) Längsschnit durch Absorberrohr gemäß Anspruch 26
e) Querschnitt durch Absorberrohr mit keilförmigem Reflektor

1: Absorberflächen 1–4
2: Turbinen-Generatoreinheit
3: Enthitzer/Kondensator
4: Nachwärmer Kühlmedium
5: Vorwärmer I
6: Vorwärmer II
7: Verdampfer
8: Überhitzer
9.1: Speisepumpe
10.2: Speisepumpe
11: Prozess- bzw. Arbeitsmediumkreislauf
12: Kühlmittelkreislauf
13: Vorlauf Kühlmittel
14: Rücklauf Kühlmittel
15: Wärmedämmschicht
17: Gehäuserahmen mit Dichtungs- und Befestigungselementen
18: Glasabdeckung einfach
19: Doppelglasabdeckung
20: Parabolrinne
21: Reflektor
22: Absorberrohr
23: Reflektorkeil
24: Installationskanal

Claims

Kollektorsystem zur optimalen Solardampferzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollektorfeld in einen Abschnitt für den Vorwärmer II, den Verdampfer und den Überhitzer sowie optional für einen Nachwärmer unterteilt wird, die Kollektorfelder als Flachbettkollektor, als Röhrenkollektor ohne und mit CPC-Reflektor oder als Parabolrinnenkollektor ausgeführt werden können und die einzelnen Kollektorfelder in einem Gehäuse zusammengefasst werden oder als Einzelkollektoren miteinander über einen Installationskanal verbunden werden.
Ein Solardampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Kollektorbauweise mit integrierter Wärmerückgewinnung zur Maximierung der Dampfproduktion in einem optimierten Rankine- oder Organic-Rankine-Zyklus der Solardampferzeuger aus einem solar betriebenen Überhitzer, einem Enthitzer/Kondensator sowie mindestens einem vorgeschalteten innenliegenden Vorwärmer I, einem weiteren solarbetriebenen Vorwärmer II und einem solar betriebenen Verdampfer besteht, der erzeugte überhitzte Dampf nach der Nutzung des Exergieanteils der Wärme im dampfförmigen Zustand in den Enthitzer/Kondensator gelenkt wird und das erhitzte flüssige Kühlmittel zur Vorerwärmung des, aus dem Enthitzer/Kondensator stammenden, flüssigen Arbeitsmediums durch den Vorwärmer I geführt wird, um anschließend im Rücklauf die Restwärme an ein Wärmereservoir abzugeben und zum Kühlmittelkreislauf des Enthitzers/Kondensators zurückgeführt zu werden.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Ausführungsform zur Erhöhung des Temperaturniveaus im Wärmereservoir das erhitzte flüssige Kühlmittel dem Kühlmittelkreislauf direkt nach dem Enthitzer/Kondensator entnommen wird, wobei die Regelung der Entnahme über ein ansteuerbares Dreiwegeventil erfolgt.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Ausführungsform das Kühlmedium nach dem Enthitzer eine weitere Solarabsorberfläche durchläuft bevor es das Dreiwegeventil und den Vorwärmer I durchläuft.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der aus solar betriebenen Nachwärmer, ersten Vorwärmer, solar betriebenen zweiten Vorwärmer, solar betriebenen Verdampfer und solar betriebenen Überhitzer zusammengesetzte Solardampferzeuger sich in einem wannen- oder kastenförmigen Metall- oder Kunststoffgehäuse befindet, der sich aus einer ein- oder mehrschichtigen Wärmedämmung aus hitzeresistent beschichteten Polyurethan-Schaum, Glasfasermatten oder einem anderen geeigneten Material, aus mit licht- und wärmeabsorbierenden Schichten versehenen und profilierten Absorberplatten, aus einer lichtdurchlässigen Glasabdeckung für den Überhitzer-, Verdampfer-, Vorwärmer II- und Nachwärmerbereich zusammensetzt, wobei die Bauteile über entsprechende Dichtungs- und Befestigungselemente sowie einer windlaststabilen Rahmenkonstruktion verbunden sind.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kollektorabschnitte mit jeweils eigenen Gehäusen ausgeführt und mit einem wärmeisolierten Installationskanal untereinander verbunden sind.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Überhitzung des dampfförmig in den Überhitzer gelangenden Arbeitsmediums eingesetzten Absorberrohre wahlweise in Register- oder Fächeranordnung oder in mäanderförmiger Anordnung wärmeübertragungsoptimiert mit der Absorberplatte verbunden sind, wobei sowohl die Zahl der Rohre als auch die Zahl und der Abstand der Windungen in der mäanderförmigen Ausführung variabel entsprechend des Wärmeeintrages und der Leistungsauslegung des Solardampferzeugers gestaltet ist.
Solardampferzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Absorberbereich des Überhitzers und oder des Verdampfers bevorzugt aus einer oberen und einer mit der oberen Platte verbundenen unteren Absorberplatte zusammensetzt und durch Querschnittsausformungen der oberen und/oder unteren Absorberplatte kissenartige Kanäle ausgebildet werden.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des Wärmeverlustes durch Rücktransmission eine doppelte Verglasung zur äußeren Abdeckung des Gehäuses vorgesehen ist.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf den Seitenflächen des Gehäuses zur Verringerung der Feuchtigkeitsentwicklung im Solardampferzeuger in regelmäßigen Abständen Lüftungsschlitze befinden.
Solardampferzeuger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontrolle der Feuchtigkeit der ein- und austretenden Luft wahlweise in den Seitenwänden des Gehäuses eine Trockenmittelschicht eingebracht ist.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Solardampferzeuger der mit einer zusätzlichen Wärmeisolierung versehene Enthitzer/Kondensator sich vertikal im längsseitigen Randbereich des Gehäuses befindet und der Vorwärmer I sich im unteren, zusätzlich wärmeisolierten Bereich des Gehäuses befindet.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Vorwärmer I aus einem oder mehreren Rohren zusammensetzt, die jeweils aus einem mit einem spiralförmigen Innenprofil versehenen Metallrohr und einem weiteren innenliegenden, mit einer wärmeübertragungsoptimierten Innenstruktur oder Beschichtung versehenen Metallrohr mit höchstens dem halben Durchmesser des äußeren Rohres bestehen, wobei das außen liegende Rohr vom flüssigen Arbeitsmedium durchströmt wird, während im inneren Rohr das erhitzte, vom Kondensator/Enthitzer/Nachwärmer-Kühlkreislauf stammende flüssige Kühlmittel hindurchgeleitet wird.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 13 mit Zusatzheizung, dadurch gekennzeichnet, dass der von Arbeits- und Kühlmedium durchströmte Vorwärmer I in einen Strömungskanal eingebettet wird, dessen Lufteintrittsöffnung am Rahmen angeordnet ist und geöffnet werden kann, die eintretende Luft dem Brenner zugeführt wird, die erhitzte Luft den mit Wärmetauscherrippen versehenen Vorwärmer umströmt und über eine Luftaustrittsklappe am gegenüberliegendem Rahmen den Zusatzheizungskanal wieder verlassen kann.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Ausprägung der Kühlmittelkreislauf nach dem Enthitzer und vor dem Eintritt in den Vorwärmer I durch das Kollektorgehäuse unterhalb der Absorberplatten und oberhalb der Wärmedämmung erfolgt.
Solardampferzeuger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Ausführung des Solardampferzeugers das Kühlmittel vor dem Eintritt in den Vorwärmer I in einem von dem Überhitzer- und Verdampferbereich sowie dem Arbeitsmittelkreislauf separierten Absorbersegment, dem Nachwärmer, erwärmt wird.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer als Absorberrohr oder vorzugsweise als Kissenabsorber mit selektiver Wärmeabsorptionsbeschichtung derart ausgeführt ist, dass zur Abscheidungsvolumenvergrößerung und Unterstützung der Restflüssigkeits verdampfung Metallplättchen diagonal gegen die Strömungsrichtung des eintretenden flüssig-dampfförmigen Arbeitsmediums angeordnet sind.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regulierung des Eintrittvolumens des flüssigen bzw. flüssig-dampfförmigen Arbeitsmediums in den Vorwärmer II bzw. den Verdampfer eine erste Speisepumpe vor den Vorwärmer II und eine zweite, unter Siedeverzug arbeitende Speisepumpe zwischen Vorwärmer II und Verdampfer geschaltet ist.
Solardampferzeuger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Dampfschlägen die Synchronisation der dem Vorwärmer II bzw. Verdampfer zugeführten Arbeitsmediumvolumina über eine Doppelkolbenspeisepumpe mit Regelung erfolgt.
Solardampferzeuger nach Anspruch 18 und 19 dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise die Speisepumpen im Pulsbetrieb betrieben werden.
Solardampferzeuger nach Anspruch 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einer vereinfachten Ausführung ein, sich selbsttätig bei Unterschreitung des optimalen Arbeitsdruckes im Gesamtsystem, öffnendes Rückschlagventil am Einlass des Verdampfers vorgesehen ist.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass auf der Oberseite des Solardampferzeugers bzw. zwischen dem Auslasspunkt am Überhitzer und der Zuführung zum Enthitzer/Kondensator ein mit einem verschraubbaren Verschlussdeckel verschließbares zylindrisches Anschlusselement mit einem einstellbaren Druckregelventil und einer Einlass- und Auslassöffnung vorgesehen ist, an dem nachrüstbar durch Abnahme des Deckels zur Nutzung des, aus dem Überhitzer stammenden Dampfes, eine Turbinen-Generator-Einheit befestigt werden kann.
Solardampferzeuger nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass statt einer Turbine auch ein Stirling-Motor oder ein anderer thermoelektrischer Umwandler, z.B. auf der Basis eines Seebeck-Elementes, vorgesehen werden kann.
Solardampferzeuger nach Anspruch 1 bis 4, 13, 14, 16, 18 bis 21 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung höherer Prozesstemperaturen bzw. Dampfmengen der Solardampferzeuger mit den solar bestrahlten Abschnitten, Vorwärmer II, Verdampfer und Überhitzer ganz oder abschnittsweise in einer konzentrierenden, wahlweise nachgeführten Parabolrinnenkonstruktion ausgeführt wird, wobei die erste und zweite Speisepumpe, der Turbinen-Generatorsatz sowie der Enthitzer/Kondensator derart ausgeführt werden, dass sie direkt am, im oder in der Nähe des über der Parabolrinne verlaufenden und als Überhitzer fungierenden Absorberrohres integriert sind.
Solardampferzeuger nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Ausführungsform zur Erzeugung von Prozessdampf mit einem maximalen überhitzten Dampfanteil das Absorberrohr als Rohr-in-Rohr-Konstruktion vorgesehen ist, wobei das erhitzte, aus dem Enthitzer/Kondensator stammende Kühlmedium gegenläufig zur Arbeitsmediumfließrichtung durch ein Innenrohr geleitet wird und Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer als davon getrennte und u-förmig ineinander übergehende Rohre mit steigendem Durchmesser ausgeführt werden, so dass sich eine rippenförmige Struktur ausbildet durch die in Gegenrichtung zum Kühlmittelfluss das Arbeitsmedium schleifenförmig nach außen geführt wird.
Solardampferzeuger nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorberrohr in einer vereinfachten Ausführung einer Rohr-in-Rohr-Konstruktion derart ausgestaltet wird, dass der Vorwärmer und Verdampfer als separate u-förmige Rohre vorgesehen und über eine Speisepumpe miteinander verbunden sind, wobei ein oder mehrere Vorwärmer und ein oder mehrere Verdampfer von einem äußeren als Überhitzerbereich vorgesehenen Rohr umgeben sind.
Solardampferzeuger nach Anspruch 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzerbereich und insbesondere das u-förmige Verdampferrohr so ausgeführt sind, dass zur Vermeidung von Dampfschlägen und zur Unterstützung der Restflüssigkeitsverdampfung das Innenprofil mit einer strukturierten Oberfläche oder mit diagonal gegen die Strömungsrichtung verlaufenden Metallplättchen oder einer Metallspirale versehen wird.
Solardampferzeuger nach Anspruch 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der einzelnen Rippensegmente in Abhängigkeit von der optimalen Wärmeabsorptionsfläche und der Temperatur- und Druckstabilität des Absorberrohres insbesondere für den Überhitzerbereich variabel gestaltet werden kann.
Solardampferzeuger nach Anspruch 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Parabolrinne mit einer lichtdurchlässigen einfachen oder doppelten Verglasung abgedeckt ist.
Solardampferzeuger nach Anspruch 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regulierung des Arbeitsmediumdruckes und als Sicherungsfunktion zwischen dem Verdampfer und dem Absorberrohr ein Drosselventil vorgesehen werden kann.
Solardampferzeuger nach Anspruch 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verringerung des Wärmeverlustes durch Rückemission ein Reflektorkeil über dem Absorberrohr eingefügt wird, wobei der Reflektor sowohl als Glas- als auch als Metallspiegel ausführbar ist.