DE19740644A1 - Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absorberkörper aus Keramikmaterial - Google Patents
Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absorberkörper aus KeramikmaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger mit mindestens
einem porösen Absorberkörper aus Keramikmaterial, der
vorzugsweise als volumetrischer Empfänger bei hohen
Temperaturen betrieben wird.
In einem solarthermischen Kraftwerk wird die einfallende
Solarstrahlung von Heliostaten oder Kollektoren auf einen
Solarempfänger, der üblicherweise aus einer Vielzahl von
keramischen Absorberkörpern zusammengesetzt ist, gebün
delt. Die auf den Absorberkörper auftreffende hochkonzen
trierte Solarstrahlung entspricht etwa der 200fachen bis
2500fachen Sonnenstrahlung; dadurch werden Temperaturen
von über 1000°C im Absorberkörper erzeugt. Aufgrund der
artig hoher Temperaturen kommen Metalle als Werkstoffe
nicht in Frage. Vielmehr werden hochtemperaturbeständige
Keramiken wie z. B. Siliziumkarbid oder Silizium-Silizium
karbid verwendet.
Ein volumetrischer Absorber besteht aus einem Volumen, das
mit einer Vielzahl poröser zusammenhängender Formteile,
Drahtpackungen, Schaum- oder Folienanordnungen aus Keramik
gefüllt ist. Die einfallende konzentrierte Strahlung wird
in den Porenwänden absorbiert und heizt den Absorberkörper
auf. Ein Wärmeträgermedium (ein Gas oder eine Flüssigkeit)
strömt durch das Volumen, wird dabei konvektiv aufgeheizt
und führt die Wärme ab. Um einen hohen Absorptionsgrad der
Strahlung zu erreichen, wird der Absorber dicht mit einem
porösen Material gefüllt, so daß enge Strömungskanäle für
das Wärmeträgermedium entstehen. Für einen hohen
Absorptionsgrad ist weiterhin wichtig, daß der Absorber
körper eine hohe "offene Porosität" aufweist, d. h., daß
das Verhältnis von Hohlraum zu Gesamtvolumen im Bereich
der Oberfläche groß ist. So wird sichergestellt, daß wenig
Material im Bereich der Stirnfläche vorhanden ist, das
eine Reflektion der einfallenden Solarstrahlung bewirken
würde. Ein Großteil der Solarstrahlung strahlt dann in die
von Poren gebildeten Kanäle oder Röhren ein und wird dort
von dem Absorberkörper absorbiert. Weiterhin sollte ein
Absorberkörper eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen,
da er sowohl extremen Temperaturen als auch Witterungs
einflüssen ausgesetzt ist. Diese Forderung steht der
gewünschten hohen offenen Porosität jedoch entgegen.
Im wesentlichen sind zwei Verfahren bekannt, poröse
Absorberkörper aus Keramiken herzustellen. Bei einer
Methode wird PU-Schaum mit Siliziumkarbid geschlickert,
d. h., der PU-Schaum wird zunächst mit Schlamm getränkt
und dann anschließend gebrannt, wobei der PU-Schaum ver
brennt und das Siliziumkarbid aushärtet, so daß eine
poröse Struktur entsteht. Auf diese Art lassen sich
kostengünstig poröse Strukturen herstellen. Jedoch ist die
offene Porosität nicht sehr hoch. Hinzukommt, daß sich
durch das Schlickern viele Poren zusetzen.
Ein anderes Verfahren sieht vor, PU-Schaum mittels CVD-Ver
fahren mit Siliziumkarbid zu beschichten. Da so die
Menge des eingebrachten Materials einstellbar ist, läßt
sich eine sehr hohe offene Porosität erzielen. Dieses Ver
fahren ist jedoch sehr teuer und darüber hinaus sind die
hergestellten porösen Strukturen sehr filigran, so daß
sich Probleme mit der mechanischen Belastbarkeit ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solar
empfänger mit hohem Absorptionsgrad bei gleichzeitiger
hoher Festigkeit zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der
Patentansprüche 1 oder 5 gelöst.
Die Erfindung schlägt vor, einen Absorberkörper mit einer
gestuften Porosität zu schaffen, wobei der der Solar
strahlung zugewandte vordere Bereich eine höhere offene
Porosität hat und der zurückliegende Bereich eine
geringere offene Porosität hat. So läßt sich ein hohes
Absorptionsvermögen im Oberflächenbereich erzielen, da
dort der Flächenanteil gering ist, also weniger Material
pro Volumeneinheit vorhanden ist. Die Poren bilden tief
reichende Kanäle, in die die einfallende Solarstrahlung
eindringt und dort wie in einer Strahlungsfalle gefangen
und vollständig absorbiert wird. Daher ist die Emission
von Solarstrahlung aus dem Absorberkörper heraus sehr
gering. Auch ist die Reflektivität der Stirnfläche des
Absorberkörpers sehr gering, da dort nur wenig Material
pro Flächeneinheit vorhanden ist. Im zurückliegenden
Bereich besteht dagegen eine feste Tragstruktur zum Halten
des Absorberkörpers. Der zurückliegende Bereich hat eine
ausreichend hohe Porosität, so daß das Wärmeträgermedium
den Absorberkörper durchströmen kann. Die durch die
niedrigere offene Porosität bedingte größere Innenfläche
ermöglicht einen guten konvektiven Wärmeübergang auf das
Wärmeträgermedium. Bevorzugterweise hat der hintere
Bereich eine Porosität zwischen 70 und 80%, während die
Porosität des vorderen Bereiches vorzugsweise zwischen
75 und 95% liegt. Bedingt durch die hohe Absorption der
Solarstrahlung im vorderen Bereich des Absorberkörpers und
den guten Wärmeübergang im zurückliegenden Bereich wird
der Wirkungsgrad des Solarempfängers erhöht.
Weiterhin bewirkt die sprunghafte Querschnittsänderung im
Strömungskanal zwischen dem vorderen und dem zurück
liegenden Bereich eine Blende mit Drosselwirkung. Dies
ermöglicht die Durchführung einer konstanten Strömungs
menge unabhängig von der Geschwindigkeit des Wärmeträger
mediums, da bei einer Drossel ein quadratischer Druck
verlust in Abhängigkeit von der Viskosität und der
Temperatur des Wärmeträgermediums auftritt, so daß der
Druckverlust des normalen Strömungskanals, der nur linear
von der Geschwindigkeit abhängig ist, vernachlässigbar
ist.
Der Absorberkörper mit einer gestuften Porosität wird
erfindungsgemäß derart hergestellt, daß unter Verwendung
eines porösen Rohkörpers aus Keramikmaterial, der z. B.
durch Schlickern hergestellt sein kann, die Oberfläche des
Rohkörpers in einem Bereich mit einer Partikelstrahlung,
vorzugsweise Sandstrahlung bearbeitet wird, wodurch in
diesem bearbeiteten Bereich die offene Porosität vorzugs
weise um 10-20% erhöht wird. So wird eine hohe offene
Porosität bis zu der Eindringtiefe der Partikelstrahlung
erzielt, während der dahinterliegende Bereich die
Porosität des Rohkörpers aufweist. Bei der Herstellung
wird der Partikelstrahl so geführt, daß er wie die Solar
strahlung auftrifft, was den Vorteil hat, daß die Flächen
anteile des Absorbers, die senkrecht im Strahlengang der
Solarstrahlung liegen und diese reflektieren würden, aus
dem Absorberkörper herausgeschlagen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der
Absorberkörper Kanäle auf, deren Wände im vorderen Bereich
des Absorberkörpers in ihrer Dicke reduziert sind.
Bevorzugterweise sind die Kanäle dabei geradlinig aus
gebildet. Bei Verwendung von Kanälen mit reduzierter Wand
stärke läßt sich der reflektierende Anteil der Stirnfläche
verringern und bedingt durch den geradlinigen Aufbau die
Strömungsverteilung besser einstellen. Bei der Herstellung
wird mit dem Partikelstrahl etwa 3/4 der ursprünglichen
Wandstärke weggenommen. Dies führt zu einer Erhöhung des
Wirkungsgrades, da der reflektierende Anteil der Stirn
fläche verringert ist und gleichzeitig die innere Fläche
des Absorberkörpers vergrößert ist, da durch das Abtragen
der Wandstärke die innere Kantenlänge der Kanäle ver
größert wird. Auch der Absorberkörper gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel wird erfindungsgemäß durch Bearbeitung
eines Rohkörpers mit Partikelstrahlung hergestellt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Absorber
körpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
Fig. 2 die Vorderansicht eines Rohkörpers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 3 die Herstellung des Absorberkörpers gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 4 den fertiggestellten Absorberkörper des zweiten
Ausführungsbeispiels.
In einem solarthermischen Kraftwerk wird die einfallende
Solarstrahlung von mehreren Kollektoren, z. B. Heliostaten
auf einen Solarempfänger gebündelt. Der Solarempfänger
kann z. B. auf einem Turm angeordnet sein und weist eine
Vielzahl von Absorberkörpern 1 - wie sie in Fig. 1 dar
gestellt sind - auf. Üblicherweise werden die Absorber
körper 1 mit einer geradlinigen Außenkontur versehen, um
ein besseres Zusammenpassen zu ermöglichen. Die Stirn
flächen 2 der Absorberkörper 1 bilden die Frontseite des
Solarempfängers, auf die die konzentrierte Strahlung
gerichtet wird. In seinem rückwärtigen Bereich ist der
Absorberkörper 1 gehalten und an ein Ableitungsrohr
angeschlossen, das zu einer Saugvorrichtung wie z. B.
einem Ventilator führt. Umgebungsluft wird durch den von
der einfallenden Solarstrahlung erhitzten Absorberkörper 1
geführt, wobei die Luft konvektiv erhitzt und einer
späteren Nutzung zugeführt wird.
Der in Fig. 1 gezeigte Absorberkörper 1 ist an seiner
Oberfläche 2 mit einer Partikelstrahlung bearbeitet
worden. Diese Bearbeitung wird später in Verbindung mit
Fig. 3 für ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert.
Diese Bearbeitung führt zu einer höheren offenen Porosität
im Bereich der Stirnseite 2 bis zu einer Tiefe ha, bis zu
der die Partikelstrahlung vorgedrungen ist. In diesem
vorderen Bereich 1a sind eine Vielzahl von Strömungs
kanälen 3 ausgebildet, die dadurch entstanden sind, daß
Elemente der Stirnfläche 2 und Verbindungsstege von
dahinterliegenden Poren von dem Partikelstrahl heraus
geschlagen worden sind. Die Darstellung in Fig. 1 ist
schematisch, tatsächlich können viel mehr Strömungs
kanäle 3 ausgebildet sein. Auf die Stirnfläche 2
einfallende konzentrierte Solarstrahlung wird nur an
wenigen Flächen zwischen den Strömungskanälen 3
reflektiert und kann durch die Strömungskanäle 3 tief in
den Absorberkörper 1 eindringen, so daß die Strahlung dort
gewissermaßen gefangen wird und nicht mehr herausgelangen
kann. Der Absorberkörper 1 absorbiert also einen Großteil
der einfallenden Solarstrahlung und wird zudem gleichmäßig
erhitzt.
In dem zurückliegenden Bereich 1b, der sich über die ver
bleibende Höhe hb erstreckt, ist die offene Porosität des
Absorberkörpers 1 um etwa 10 bis 20% geringer als in dem
vorderen Bereich 1a. Großflächige Strömungskanäle 3 sind
dort nicht vorhanden, statt dessen besteht der hintere
Bereich 1b aus vielen miteinander verbundenen kleineren
Poren 4. Aufgrund der höheren mechanischen Festigkeit des
zurückliegenden Bereiches 1b kann der Absorberkörper 1
dort mit nicht dargestellten Mitteln befestigt werden.
Durch die Stirnfläche 2 einströmende Luft wird zunächst
durch die Strömungskanäle 3 und dann durch eine Vielzahl
von Poren 4 gesaugt, wobei sie konvektiv erhitzt wird.
In Fig. 2 ist ein Rohkörper 10 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Rohkörper 10 besteht aus
einer Vielzahl von gerade verlaufenden rechteckigen
Kanälen 11, die nebeneinander angeordnet sind. Die
Kanäle 11 sind durch Kanalwände 12 begrenzt. Die Wände 12
haben eine gewisse Stärke, um die mechanische Festigkeit
des Rohkörpers 10 zu garantieren. Die gestrichelten Linien
deuten an, wie die Kanalwände 12 eines fertiggestellten
Absorberkörpers im Vorderbereich aussehen.
Anhand von Fig. 3 wird nun die Herstellung eines Absorber
körpers 20 aus dem Rohkörper 10 erläutert. Auf den
vorderen Bereich des Rohkörpers 10, der später im ein
gebauten Zustand der einfallenden Solarstrahlung zugewandt
sein wird, werden die Wände 12 des Rohkörpers 10 mit Sand
strahlung 13 bearbeitet. Die Sandstrahlung 13 wird schräg -
unter einem Winkel α - gegen die Kanalwände 12
gerichtet. Jede Kanalwand 12 wird beidseitig bearbeitet,
wobei die Sandstrahlung 13 Partikel aus den porösen
Wänden 12 herausschlägt, so daß die Wanddicke auf etwa
1/4 ihres ursprünglichen Wertes reduziert wird. Mit der
Variation des Winkels α kann die Tiefe des abgetragenen
Wandbereichs 12' verändert werden.
Der in Fig. 4 gezeigte fertiggestellte Absorberkörper 20
hat in seinem vorderen Bereich 20a Wandbereiche ver
minderter Stärke 12', während im dahinterliegenden
Bereich 20b die Kanalwände 12 ihre ursprüngliche Stärke
aufweisen. Der im vorderen Bereich 20a einfallenden
konzentrierten Solarstrahlung wird aufgrund der ver
ringerten Wandstärke wenig Reflektionsfläche entgegen
gesetzt, so daß ein Großteil der einfallenden Solar
strahlung in den Absorberkörper 20 gelangt und dort
absorbiert wird. Die an der Vorderseite des Absorbers 20
eingesogene Umgebungsluft wird durch diesen gesaugt und
dabei konvektiv erwärmt. Der abrupte Übergang zwischen den
Bereichen verringerter Wandstärke 12' und den Bereichen
voller Wandstärke 12 bildet eine Blende in den Strömungs
kanälen 11, wodurch eine definierte Luftströmung erzielt
werden kann.
Claims (6)
1. Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absorber
körper (1; 20) aus Keramikmaterial,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Absorberkörper (1; 20) eine gestufte Porosität
aufweist, derart, daß der der Solarstrahlung
zugewandte vordere Bereich (1a; 20a) eine höhere offene
Porosität hat und der zurückliegende Bereich (1b; 20b)
eine geringere offene Porosität hat.
2. Solarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Porosität im zurückliegenden
Bereich (1b; 20b) zwischen 70 und 80% und im vorderen
Bereich (1a; 20a) zwischen 75 und 95% beträgt.
3. Solarempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Absorberkörper (20) Kanäle (11) auf
weist, deren Wände im vorderen Bereich (1a; 20a) in
ihrer Wandstärke reduziert sind.
4. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkörper (1; 20)
aus Siliziumkarbid besteht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Absorberkörpers (1; 20)
für einen Solarempfänger unter Verwendung eines
porösen Rohkörpers (10) aus Keramikmaterial,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Rohkörpers (10) in einem
Bereich mit einer Partikelstrahlung (13) bearbeitet
wird, wodurch in diesem Bereich die offene Porosität
erhöht wird, so daß eine gestufte Porosität mit einer
hohen offenen Porosität im bearbeiteten
Bereich (1a; 20a) und einer geringeren Porosität im
dahinterliegenden Bereich (1b; 20b) entsteht.
6. Verfahren zur Herstellung eines Absorberkörpers nach
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Rohkörper (10) Kanäle (11) aufweist und daß der
Partikelstrahl (13) schräg gegen die Kanalwände (12)
gerichtet wird.
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