DE19718044C1 - Solarkollektorsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarkollektorsystem, mit mehreren Kollektoren zur Erhitzung eines ersten Wärme­ trägermediums, wobei Wärmeverluste eines Kollektors von einem zweiten Wärmeträgermedium aufgenommen werden und die Wärme auf die Niedrigtemperaturseite des Primär­ kreislaufs übertragen wird.

Sonnenkollektorsysteme können in solarthermischen Kraftwerken zur Stromerzeugung, beispielsweise zur Dampferzeugung eingesetzt werden. Um einen wirtschaft­ lichen Betrieb einer derartigen Anlage sicherzustellen, muß die Temperatur des Wärmeträgermediums so hoch wie bei konventionellen, zum Beispiel mit Kohle, Gas oder Öl betriebenen, Kraftwerken sein. Diese hohen Temper­ aturen werden aber nur bei einer hohen Konzentration der Solarstrahlung erreicht. Dies macht es erforder­ lich, daß die Reflektorfläche, von der die einfallende Solarstrahlung auf einen Absorber konzentriert wird, durch den das zu erhitzende Wärmeträgermedium fließt, größer ist als die Absorberfläche. Durch die Konzen­ trierung der Strahlung einer großen reflektierenden Fläche auf die kleine Absorberfläche wird erreicht, daß das Wärmeträgermedium sich auf Temperaturen aufheizt, die weit über der Umgebungstemperatur liegen. Nachteilig ist, daß bei der Steigerung der Konzentration der Solarstrah­ lung die Verluste durch Abstrahlung zunehmen.

Bei Verwendung von Wasser als Wärmeträgermedium muß dieses in der Regel in Hochdruckdampf überführt werden, bevor es dem Verbraucher, wie zum Beispiel einer Turbine, zugeführt wird. Werden in einem Kollektor Temperaturen erreicht, die die Siedetemperatur des Wassers bei einem vorgegebenen Betriebsdruck überschreiten, geht das Wasser in den Dampfzustand über. In der Veröffentlichung BWK, Nr. 9, 1996, Seiten 66 bis 68 werden Strömungsprobleme innerhalb des Kollektors, die bei Übergang des Wassers in den Dampfzustand entstehen, aufgezeigt und verschiedene Lösungen vorgeschlagen.

Der Phasenübergang führt zu einem schlechteren Wärmeüber­ gang zwischen Absorber und Wärmeträgermedium und infolge dessen zu einem Anstieg der Temperatur des Absorbers, was zur Folge hat, daß die Wärmeverluste durch Abstrahlung ansteigen. Diese Wärmestrahlung ist von dem Reflektor weggerichtet, da die reflektorseitig eingestrahlte Wärme viel größer ist als die direkt von der Sonne einge­ strahlte Wärme.

Eine bekannte Maßnahme zur Verringerung dieser Abstrah­ lung besteht darin, einen Isolierschild auf der der Sonne zugewandten Seite anzubringen. Da die Verluste durch Abstrahlung am Absorberrohr bei der Zuführung von kon­ zentrierter Solarstrahlung größer sind als der Gewinn durch Einstrahlung bei nicht konzentrierter Solarstrah­ lung bleibt das Wärmeträgermedium wärmer als ohne Iso­ lierschild. Dieser Effekt ist jedoch nur von kurzer Dauer, da die Abstrahlung lediglich verzögert wird. Sobald nämlich die Isolierschicht genügend aufgeheizt ist, strahlt diese ebenso wie das Absorberrohr die Wärme ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Solarkollektorsystem die Verluste durch Abstrahlung zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Solarkollektorsystem hat einen ersten Kollektor oder ein erstes Kollektorfeld zur Vor­ erhitzung eines in einem Primärkreislauf zirkulierenden ersten Wärmeträgermediums. In einem zweiten Kollektor bzw. Kollektorfeld wird das erste Wärmeträgermedium weiter erhitzt. Nach Verlassen des zweiten Kollektors wird das erste Wärmeträgermedium einem Verbraucher, beispielsweise einer Turbine, zugeführt, um an­ schließend wieder durch den ersten Kollektor zu laufen. Ein zweites Wärmeträgermedium, das in einem geschlos­ senen Sekundärkreislauf zirkuliert, nimmt die Wärmever­ luste des zweiten Kollektors auf und überträgt die Wärme auf die Niedrigtemperaturseite des Primärkreis­ laufs, also in dem Bereich zwischen Verbraucher und ersten Kollektor. Die Wärmeübertragung kann auch direkt im ersten Kollektor stattfinden. Das Solarkollektor­ system hat den Vorteil, daß die bei hoher Konzentration der Solarstrahlung unvermeidlich entstehende Wärme­ strahlung aufgefangen wird und dem Wärmeträgermedium des Primärkreislaufes an seiner Niedrigtemperaturseite wieder zugeführt wird. Die Strahlungsverluste des zwei­ ten Kollektors, in dem das Medium eine sehr hohe Tempe­ ratur hat, werden also dem Prozeß wieder zugeführt.

Die Kollektoren bestehen normalerweise aus einem Absor­ berrohr, durch das das erste Wärmeträgermedium strömt, einem langgestreckten rinnenförmigen Reflektor, der die einfallende Solarstrahlung auf das Absorberrohr konzen­ triert und einem koaxial beabstandet um das Absorber­ rohr verlaufende Hüllrohr.

Bei dem Absorberrohr des ersten Kollektors verläuft vorteilhafterweise in dem Absorberrohr ein koaxiales Innenrohr, durch welches das zweite Wärmeträgermedium des Sekundärkreislaufes zirkuliert. Dies hat den Vor­ teil, daß das erste Wärmeträgermedium schnell erwärmt wird, nämlich von innen durch das zweite Wärmeträger­ medium und von außen durch die Solarstrahlung, wobei ein Teil der Solarstrahlung direkt auf das Absorberrohr auftrifft und der größere Teil der Solarstrahlung von dem Reflektor auf das Absorberrohr fokussiert wird.

Der zweite Kollektor hat vorteilhafterweise an seiner der Sonne zugewandten Seite einen Kanal, durch den das zweite Wärmeträgermedium zirkuliert, so daß es die son­ nenseitige Wärmeabstrahlung des Absorberrohres auf­ nimmt. Auf diese Weise wird die Wärmestrahlung nicht nutzlos abgestrahlt, sondern direkt aufgefangen und über den Sekundärkreislauf wieder dem Primärkreislauf zugeführt. Der Kanal kann von dem Hüllrohr und einem Formteil gebildet werden.

Die Hüllrohre der Reflektoren können derart ausgebildet sein, daß zumindest in dem dem Reflektor zugewandten Umfangsbereich die Innenwand jeweils derart ausgebildet ist, daß sie zusammen mit der runden Außenwand bikon­ vexe Sammellinsen bilden. Dadurch wird das Hüllrohr zu einem Sekundärkonzentrator, da die Sammellinsen die von dem Reflektor fokussierte Solarstrahlung nochmals auf den Absorber fokussieren. So können Ungenauigkeiten in der Ausrichtung zwischen dem Reflektor und dem Absor­ berrohr ausgeglichen werden.

Die Hüllrohre des ersten Kollektors und des Zwischen­ kollektors können derart ausgebildet sein, daß sie an ihrem der Sonne zugewandten Umfangsbereich eine bikon­ vexe Sammellinse aufweisen. Diese Linse fokussiert die direkt einfallende Solarstrahlung auf das Absorberrohr und hilft das Ungleichgewicht in der Wärmeeinstrahlung zwischen Reflektorseite und Sonnenseite zu verringern.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Überblick des Sonnenkollek­ torsystems,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den ersten Kollektor,

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Zwischenkollektor, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den zweiten Kollektor.

Das Solarkollektorsystem 1 hat einen Primärkreislauf 2, der mit einem ersten Wärmeträgermedium 3, welches hier Wasser ist, gefüllt ist. Das System 1 enthält einen ersten Kollektor 4, durch den das Rohr des Primärkreis­ laufs 2 hindurchführt. Am Eingang des Kollektors 4 hat das erste Wärmeträgermedium einen Druck von 1 bar und eine Temperatur von 30°C. In dem ersten Kollektor 4 wird das erste Wärmeträgermedium 3 auf eine Temperatur erhitzt, die knapp unter dem Siedepunkt liegt, hier bis zu einer Temperatur von 95°C. Nach dem ersten Kollektor 4 wird das erste Wärmeträgermedium 3 in einem Verdich­ ter 5 auf einen Druck von 100 bar gebracht, wobei die Temperatur annähernd gleich bleibt. In einem Zwischen­ kollektor 6 wird das unter Druck stehende erste Wärme­ trägermedium 3 weiter erhitzt bis zu einer Temperatur knapp unter dem Siedepunkt des unter Druck stehenden ersten Wärmeträgermediums 3. Bei der Verwendung von Wasser sind dies etwa 310°C.

Der erste Kollektor 4 und der Zwischenkollektor 6 sind derart ausgelegt, daß das erste Wärmeträgermedium 3 während des Passierens aufgeheizt wird, aber noch in einer flüssigen Phase bleibt. So kann ein günstiger Wärmeübergang zwischen den Kollektoren 4 und 6 und dem ersten Wärmeträgermedium 3 stattfinden und stärkere Abstrahlverluste am Kollektor 4,6 vermieden werden.

In einem zweiten Kollektor 7 wird das erste Wärmeträ­ germedium 3 bis über den Siedepunkt erhitzt, so daß es verdampft und mit einer Temperatur von 520°C bei einem Druck von 100 bar aus dem zweiten Kollektor 7 austritt. Anschließend wird das erste Wärmeträgermedium 3 einer Turbine 8 zugeleitet, die einen Generator 9 antreibt. Nach dem das erste Wärmeträgermedium 3 in der Turbine 8 abgearbeitet wurde, hat es eine Temperatur von 50°C bei einem Druck von 0,08 bar, verläuft durch einen Konden­ sator 10 und wird wieder dem ersten Kollektor 4 zuge­ führt.

In einem Sekundärkreislauf 11 verläuft ein zweites Wär­ meträgermedium 12, welches in dem zweiten Kollektor 7 von der Wärmestrahlung des Kollektors 7 bis zu einer Temperatur von 130°C aufgeheizt wird. Eine Umwälzpumpe 13 hält das zweite Wärmeträgermedium 12, das unter einem Druck von 3 bar steht, in dem Sekundärkreislauf 11 in Bewegung. Das erhitzte zweite Wärmeträgermedium 12 wird dem ersten Kollektor 4 zugeführt, wo es seine Wärme an das erste Wärmeträgermedium 3 abgibt. Nachdem es den ersten Kollektor 4 verläßt, ist seine Temperatur auf 50°C abgesunken.

In dem zweiten Kollektor 7 geht das erste Wärmeträger­ medium 3 in die Dampfphase über, so daß es nicht die komplette von dem Kollektor 7 gesammelte Solarstrahlung absorbieren kann. Der Überschuß wird als Verlustwärme abgestrahlt. Diese Verlustwärme wird von dem zweiten Wärmeträgermedium 12 aufgenommen und in dem Sekundär­ kreislauf 11 an die Niedrigtemperaturseite des Primär­ kreislaufes 2 gebracht. In dem ersten Kollektor 4 wird das erste Wärmeträgermedium 3 dann sowohl von der fo­ kussierten Solarstrahlung als auch von dem erhitzten zweiten Wärmeträgermedium 12 des Sekundärkreislaufes 11 erhitzt.

In Fig. 2 ist der erste Kollektor 4 gezeigt. Der Kol­ lektor 4 weist ein Absorberrohr 14 auf, das üblicher­ weise aus Metall besteht und eine schwarze strahlungs­ absorbierende Oberfläche hat. Das Absorberrohr 14 bil­ det einen Teil des Primärkreislaufes 2. Daher wird es von dem ersten Wärmeträgermedium 3 durchströmt. Das Absorberrohr 14 ist von einem strahlungsdurchlässigen Hüllrohr 15 umgeben. Das Hüllrohr 15 besteht aus Glas. Zwischen dem Hüllrohr 15 und dem Absorberrohr 14 befin­ det sich ein Innenraum 16, der zweckmäßigerweise eva­ kuiert ist, um Wärmeverluste durch Konvektion zu ver­ meiden. Unterhalb des Hüllrohres 15 befindet sich ein hier nicht dargestellter rinnenförmiger Reflektor, der die einfallende Solarstrahlung 17 auf die Absorberrohre 14,20 fokussiert. Die Solarstrahlung 17 kann auch mit anderen Mitteln auf das Absorberrohr 14 konzentriert werden.

Zusätzlich sind in dem dem Reflektor zugewandten Um­ fangsbereich des Hüllrohres 15 konvexe Sammellinsen 18 ausgebildet, die die Solarstrahlung 17 nochmals auf das Absorberrohr 14 konzentrieren. An seinem oberen, der Sonne zugewandten Umfangsbereich weist das Hüllrohr 15 eine weitere bikonvexe Sammellinse 18 auf, die die di­ rekt einfallende Solarstrahlung 17 auf das Absorberrohr 14 fokussiert. Der Reflektor und damit auch das Hüll­ rohr 15 werden der Sonne nachgeführt, so daß die Solar­ strahlung 17 immer senkrecht auf die Linsen 18 auf­ trifft.

In dem Absorberrohr 14 befindet sich ein koaxiales In­ nenrohr 19, das Bestandteil des Sekundärkreislaufs 11 ist. Das zweite Wärmeträgermedium 12 durchströmt daher das Innenrohr 19 und gibt dabei seine Wärme an das erste Wärmeträgermedium 3 ab. Das erste Wärmeträger­ medium 3 wird also von außen her von der Solarstrahlung 17 und von innen her durch das zweite Wärmeträgermedium 12 erhitzt.

Fig. 3 zeigt den Zwischenkollektor 6, der sich von dem ersten Kollektor 4 dadurch unterscheidet, daß sein Ab­ sorberrohr 20 einen kleineren Durchmesser hat als das Absorberrohr 14 des ersten Kollektors 4. In dem Absor­ berrohr 20, das Bestandteil des Primärkreislaufes 2 ist und durch das das erste Wärmeträgermedium 3 strömt, befindet sich außerdem kein Innenrohr. Da die Tempe­ ratur des ersten Wärmeträgermediums 3 am Eingang des Zwischenkollektors 6 bereits 95°C beträgt, ist es sinn­ voller, das bis zu 130°C erhitzte zweite Wärmeträger­ medium 12 in dem ersten Kollektor 4 an dem ersten Wär­ meträgermedium 3 vorbeizuführen, da dieses dort nur eine Temperatur von 30°C-95°C hat. Im Zwischenkollek­ tor 6 hingegen kann die Temperatur des ersten Wärme­ trägermediums 3 die des zweiten Wärmeträgermediums 12 überschreiten.

Der in Fig. 4 dargestellte zweite Kollektor 7 ähnelt im Aufbau dem Zwischenkollektor 6. Das Absorberrohr 20, welches das erste Wärmeträgermedium 3 führt, ist von einem Hüllrohr 21 umgeben, welches nur an seinem dem Reflektor zugewandten Umfangsbereich Linsen 18 auf­ weist. Der der Sonne zugewandte Umfangsbereich ist kreisförmig. An den Seiten, also im Übergangsbereich zwischen reflektorseitigem und sonnenseitigem Umfangs­ bereich weist das Hüllrohr 21 jeweils einen Vorsprung 22 bzw. 23 auf. Ein halbschalenförmiger Formkörper 24 umgibt den der Sonne zugewandten Umfangsbereich des Hüllrohres 21 und stützt sich auf den Vorsprüngen 22, 23 ab, so daß ein Kanal 25 zwischen dem Hüllrohr 21 und dem Formteil 24 gebildet wird. Der Kanal 25 ist Be­ standteil des Sekundärkreislaufes 11, so daß er das zweite Wärmeträgermedium 12 führt.

Wegen der hohen Temperatur von bis zu 520°C und dem dampfförmigen Zustand des ersten Wärmeträgermediums 3 kann dieses nicht mehr die ganze Wärme des Absorberroh­ res 20 aufnehmen. Daher strahlt das Absorberrohr 20 Wärme ab und zwar von dem Reflektor weggerichtet auf den Kanal 25 und das darin geführte zweite Wärmeträger­ medium 12 zu. Das zweite Wärmeträgermedium 12 ist mit schwarzer Tusche im Verhältnis 1 : 250 vermischt, so daß es Wärmestrahlung besser absorbiert. Das Formteil 24 ist ebenso wie das Hüllrohr 21 strahlungsdurchläs­ sig, so daß das zweite Wärmeträgermedium 12 auch noch die direkt einfallende Solarstrahlung 17 absorbiert.

Claims (10)

1. Solarkollektorsystem (1) mit mindestens einem ersten Kollektor (4) zur Vorerhitzung eines in einem Primärkreislauf (2) zirkulierenden ersten Wärmeträgermediums (3) und mindestens einem zwei­ ten Kollektor (7) zur weiteren Erhitzung des ersten Wärmeträgermediums (3), das zwischen dem zweiten Kollektor (7) und dem ersten Kollektor (4) einem Verbraucher (8) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Sekundärkreislauf (11) vor­ gesehen ist, in dem ein zweites Wärmeträgermedium (12) zirkuliert, welches Wärmeverluste des zweiten Kollektors (7) aufnimmt und auf die Niedrigtempe­ raturseite des Primärkreislaufes (2) überträgt.

2. Solarkollektorsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem ersten Kollektor (4) und dem zweiten Kollektor (7) ein Verdichter (5) zur Druckerhöhung des ersten Wärmeträgerme­ diums (3) und mindestens ein Zwischenkollektor (6) zur weiteren Erhitzung des verdichteten ersten Wärmeträgermediums (3) vorhanden ist.

3. Solarkollektorsystem nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (4, 6, 7) jeweils ein Absorberrohr (14, 20), durch das das erste Wärmeträgermedium (3) strömt, einen langge­ streckten rinnenförmigen Reflektor, der die ein­ fallende Solarstrahlung (17) auf das Absorberrohr (14, 20) konzentriert sowie ein koaxial beabstandet um das Absorberrohr (14, 20) verlaufendes Hüllrohr (15, 21) aufweisen.

4. Solarkollektorsystem nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß durch das Absorberrohr (14) des ersten Kollektors ein koaxiales Innenrohr (19) verläuft, das das zweite Wärmeträgermedium (12) führt, so daß dessen Wärme an das erste Wärme­ trägermedium (3) abgegeben wird.

5. Solarkollektorsystem nach Anspruch 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der zweite Kollektor (7) an seiner der Sonne zugewandten Seite einen Kanal (25) aufweist, durch den das zweite Wärmeträgerme­ dium (12) zirkuliert, wobei es die sonnenseitige Abstrahlung des Absorberrohres (20) aufnimmt.

6. Solarkollektorsystem nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kanal (25) von dem Hüllrohr (21) und einem halbschalenförmigen Formteil (24) gebildet ist.

7. Solarkollektorsystem nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Formteil (24) transparent ist und daß das zweite Wärmeträgermedium (12) zu­ sätzlich durch die direkte Solarstrahlung (17) erwärmt wird.

8. Solarkollektorsystem nach einem der Ansprüche 1- 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Wärme­ trägermedium (12) schwarz gefärbt ist.

9. Solarkollektorsystem nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (15, 21) in dem dem Reflektor zugewandten Umfangsbereich mehrere langgestreckte auf das Absorberrohr (14, 20) fokussierte bikonvexe Sammellinsen (18) aufweist.

10. Solarkollektorsystem nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (15) des ersten Kollektors (4) und des Zwischenkollektors (6) in dem der Sonne zugewandten Umfangsbereich eine langgestreckte auf das Absorberrohr fokus­ sierte bikonvexe Sammellinse (18) aufweist.