DE19743428A1 - Solarempfänger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk, insbesondere für solarther­ mische Kraftwerke mit rinnenförmigen Konzentratoren zur Bündelung der einfallenden Solarstrahlung auf dem So­ larempfänger.

Bei solarthermischen Kraftwerken wird die einfallende Solarstrahlung von Konzentratoren um ein Vielfaches verstärkt auf einen Solarempfänger gebündelt, der die konzentrierte Solarstrahlung absorbiert und an ein Wär­ meträgermedium, wie z. B. Luft oder Wasser, abgibt. Das erhitzte Wärmeträgermedium wird dann einer Nutzung, beispielsweise einer Turbine zum Antrieb eines Genera­ tors, zugeführt.

Bei solarthermischen Kraftwerken mit rinnenförmigen Konzentratoren ist der Solarempfänger üblicherweise rohrförmig und konzentrisch zu der Brennlinie des meist parabolrinnenförmigen Konzentrators angeordnet. Der Solarempfänger kann entweder als direktabsorbierender Empfänger, bei dem ein gefärbtes Wärmeträgermedium durch das die Solarstrahlung durchlassende Empfänger­ rohr strömt, das dann die einfallende Solarstrahlung direkt absorbiert, oder als volumetrischer Empfänger ausgebildet sein, bei dem im Inneren des Empfängerroh­ res ein poröser Absorber angeordnet ist, der die ein­ fallende Solarstrahlung absorbiert und von dem Wärme­ trägermedium durchströmt wird, wobei dieses konvektiv erhitzt wird. Als Wärmeträgermedium werden üblicherwei­ se flüssige Medien, wie Wasser oder Thermoöl, verwen­ det.

Bei langgestreckten Solarempfängern strömt das Wärme­ trägermedium in Längsrichtung durch den porösen Absor­ ber; es muß also durch die ganze Länge des Absorbers gefördert werden. Bei den üblicherweise zylinderförmi­ gen Solarempfängern ist man bestrebt, ihren Querschnitt möglichst klein zu wählen, um die Oberfläche und damit die Abstrahlungsverluste zu minimieren. Dies führt je­ doch zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Wärme­ trägermediums, was einen erhöhten Druckverlust des Wär­ meträgermediums zur Folge hat, da der Druckverlust in­ nerhalb eines porösen Absorbers quadratisch mit der Ge­ schwindigkeit des Wärmeträgermediums ansteigt. Um die­ sem Druckverlust entgegenzutreten, muß Energie zum Ver­ dichten des Wärmeträgermediums aufgewendet werden, was den Wirkungsgrad der Anlage senkt. Bei üblichen Solar­ empfängern dieser Art muß ein nicht optimaler Kompromiß zwischen der Rohrgröße, die im Bereich des Strahlungs­ einfalls zur Aufnahme der Strahlung möglichst groß und im der Strahlung abgewandten Bereich zur Verringerung der Abstrahlverluste möglichst klein sein sollte, und der Strömungsgeschwindigkeit, von der der Druckverlust abhängt, gefunden werden.

Damit der Druck nicht zu weit absinkt, wird das Wärme­ trägermedium unter hohem Druck von bis zu 30 bar in den Absorber eingeleitet. Der Betrieb solcher Anlagen hat gezeigt, daß gelegentlich auftretende Leckagen nicht vermieden werden können. Dies hat zu einer Reihe von Sicherheits- und Umweltschutzauflagen geführt, die den Bau einer solchen Anlage erheblich verteuern können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Solarempfänger mit einfachem Aufbau zu schaffen, der einen hohen Wirkungs­ grad bei geringen Druckverlusten des Wärmeträgermediums innerhalb des Solarempfängers hat.

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

Der erfindungsgemäße Solarempfänger hat eine langge­ streckte Zuführkammer für das Wärmeträgermedium, die durch mindestens eine in Längsrichtung verlaufende Ein­ laßfläche eines porösen Absorbers begrenzt ist, der von der einfallenden Solarstrahlung erwärmt wird und die Wärme an das durchströmende Wärmeträgermedium abgibt. Weiterhin ist eine Abführkammer für das erhitzte Wärme­ trägermedium vorgesehen, die durch mindestens eine in Längsrichtung verlaufende Auslaßfläche des Absorbers begrenzt ist. Dabei sind die Einlaßfläche und die Aus­ laßfläche in Querrichtung gegeneinander versetzt. Be­ dingt durch diesen Aufbau strömt das Wärmeträgermedium quer durch den Absorberkörper, also nur für einen im Vergleich zur Längsrichtung sehr kurzen Weg, so daß die im Absorberkörper auftretenden Druckverluste des Wärme­ trägermediums erheblich reduziert werden. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn die Abführkammer und die Zu­ führkammer relativ großvolumig ausgelegt sind, so daß das Wärmeträgermedium in den Kammern sehr langsam strömt, was ohne nennenswerten Druckverlust geschieht. Im gesamten Solarempfänger tritt also nur ein sehr ge­ ringer Druckverlust auf, was ermöglicht, daß das Wärme­ trägermedium, vorzugsweise Luft, unter geringem Über­ druck oder auch Umgebungsdruck verwendet werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Querströmung des Wärmeträger­ mediums im Absorber ist, daß die Aufheizung des Wärme­ trägermediums in paralleler Richtung zum Strahlungsgra­ dienten der einfallenden Solarstrahlung erfolgt, d. h. daß das Wärmeträgermedium innerhalb des Absorbers zu­ nehmend höherer Einstrahlungsintensität ausgesetzt ist. Bedingt durch den Aufbau der Konzentratoren ist die Strahlungsintensität in Querrichtung in der Mitte der Empfängerfläche des Absorbers am größten, während sie zu den Randbereichen des Absorbers hin abnimmt. Vor­ teilhafterweise befindet sich die Einlaßfläche in Quer­ richtung betrachtet am Rand des Absorbers, so daß das noch kühle Wärmeträgermedium von Solarstrahlung gerin­ ger Intensität aufgeheizt wird. Ist die Auslaßfläche in Querrichtung gesehen in der Mitte des Absorbers ange­ ordnet, verläßt das erhitzte Wärmeträgermedium den Ab­ sorber im Bereich der höchsten Einstrahlungsintensität. So läßt sich eine thermodynamisch günstige Aufheizung des Wärmeträgermediums erreichen, da zwischen der Tem­ peratur des Wärmeträgermediums und der Temperatur des Absorbers, die proportional zu der Einstrahlungsinten­ sität der Solarstrahlung ist, in jedem Punkt des Absor­ bers ein ausreichender Abstand vorhanden ist, so daß das Wärmeträgermedium kontinuierlich die Wärme des Ab­ sorbers aufnehmen kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umgibt die Abführkammer wenigstens teilweise die Zu­ führkammer. Dies hat den Vorteil, daß die Strahlungs­ verluste der von dem heißen Wärmeträgermedium aufge­ heizten Abführkammer von dem noch kalten durch die Zu­ führkammer strömenden Wärmeträgermedium aufgenommen wird und somit dem Prozeß nicht verlorengeht. Dieser Aufbau ermöglicht einen Verzicht auf ein Isoliermateri­ al für die Abführkammer, das zum einen teuer ist und zum anderen den Wirkungsgrad der Anlage senkt, da das Isoliermaterial bei jedem Anfahren der Anlage aufge­ heizt werden muß, was bei einem solarthermischen Kraft­ werk täglich der Fall ist. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Empfängerfläche des Absorbers den jeweili­ gen Gegebenheiten der Konzentratoren anzupassen, ohne daß Nachteile beim Betrieb des Solarempfängers auftre­ ten, da die Abstrahlungsverluste im der einfallenden Solarstrahlung abgewandten Bereich des Solarempfängers dem System wieder zugeführt werden und da innerhalb des Solarempfängers keine nennenswerten Druckverluste auf­ treten.

Weiterhin ist von Vorteil, daß der Aufbau des Solaremp­ fängers sehr einfach gestaltet ist, so daß eine einfa­ che Stahlblechkonstruktion verwendet werden kann. Daher eignet sich der Solarempfänger auch besonders für Kleinanwendungen mit einer Leistung unter 10 kW.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Solarkonzentra­ tors mit einem Solarempfänger,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Solarempfänger,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Solarempfängers ge­ mäß der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Solarempfängers gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Absorber zusammen mit der Verteilung der Einstrahlungsintensität und

Fig. 6a-6d verschiedene Ausführungen der Empfängerflächen des Absorbers.

In Fig. 1 ist ein Rinnenkonzentrator 1 eines solarther­ mischen Kraftwerkes dargestellt. Der Rinnenkonzentrator 1 hat einen parabolischen Querschnitt, so daß einfal­ lende Solarstrahlung 2 auf eine Fokallinie konzentriert wird. Ein Solarempfänger 10 ist derart angeordnet, daß er die Fokallinie umgibt. Der Rinnenkonzentrator 1 wird der Sonne einachsig nachgeführt, so daß an dem Solar­ empfänger 10 stets die gleichen Einstrahlungsverhält­ nisse herrschen.

Anhand der Fig. 2-4 wird der Solarempfänger 10 näher erläutert. Der Solarempfänger 10 hat einen langge­ streckten rechteckigen äußeren Kasten 11 aus Stahl­ blech, der an einer vorderen längsverlaufenden Obersei­ te offen ist. Ein innerer Kasten 12, der ebenfalls aus Stahlblech besteht, ist in den äußeren Kasten 11 einge­ setzt. Die in dem äußeren Kasten 11 befindliche Boden­ wand des inneren Kastens 12 ist abgeschrägt, während die gegenüberliegende Oberseite offen ist.

Die Öffnung des äußeren Kastens 11 ist von einem porö­ sen Absorber 13 verschlossen. An die dem Innenraum des äußeren Kastens 11 zugewandte Innenseite des Absorbers 13 ist der innere Kasten 12 angesetzt. Im Bereich des inneren Kastens 12 ist die Innenseite des Absorbers 13 mit einer mit einem zentral angeordneten Lochblech ver­ sehenen Platte 14 abgedeckt, wobei die Platte 14 dich­ tend mit dem inneren Kasten 12 verbunden ist. Das Loch­ blech hat Blendencharakter und sorgt für einen defi­ nierten Druckverlust. Die Außenseite des Absorbers 13 ist mit einer hitzebeständigen, für Solarstrahlung durchlässigen Abdeckung 15, die z. B. aus Quarzglas be­ stehen kann, bedeckt. Die Abdeckung 15 ist dichtend mit dem äußeren Kasten 11 verbunden.

An der hinteren Seite des äußeren Kastens 11 wird von dem äußeren Kasten 11 und den inneren Kasten 12 eine im Querschnitt im wesentlichen dreieckige Zuführkammer 16 für das Wärmeträgermedium gebildet. Über einen in der Stirnseite des äußeren Kastens 11 vorgesehene Zuführ­ öffnung 17 kann das Wärmeträgermedium, beispielsweise Luft, der Zuführkammer 16 zugeführt werden. Der innere Kasten 12 und die Platte 14 begrenzen eine Abführkammer 18 für die erhitzte Luft, die durch eine in der zweiten Stirnseite des äußeren Kastens 11 vorgesehene Abführ­ öffnung 19 aus dem Solarempfänger 10 herausgeführt wer­ den kann.

Der innere Kasten 12 ist derart bemessen und innerhalb des äußeren Kastens 11 angeordnet, daß ein den inneren Kasten 12 umgebender Spalt 20 gebildet wird (Fig. 3). Der Spalt 20 geht in zwei in Längsrichtung verlaufende Einlaßflächen 21 des Absorbers über, die sich auf der Innenseite des Absorbers 13 befinden (Fig. 4). Der Längsschlitz der Platte 14 bildet die Auslaßfläche 22 des Absorbers 13. Zur Einstellung von anderen Strö­ mungsverhältnissen kann die Platte 14 auch andere Öff­ nungsmuster aufweisen.

Zum Betrieb des Solarempfängers 10 wird durch die Zu­ führöffnung 17 bei einem Aufbau als offenes System kal­ te Umgebungsluft eingeführt oder bei einem Aufbau als geschlossenes System aus dem Verbraucher rückgeführte Luft eingeführt. Entweder wird die Luft in die Zuführ­ öffnung 17 hereingedrückt oder durch den Auslaß 19 (in Richtung der Pfeile) abgesaugt.

In der Zuführkammer 16 bewegt sich die Luft aufgrund der relativ großen Abmessungen der Zuführkammer 16 langsam, so daß nur ein geringer Druckverlust entsteht. Die Luft verbreitet sich im wesentlichen geradlinig in der Zuführkammer 16 und steigt die von der Außenwand der inneren Kammer 12 gebildeten Schräge hinauf. Da der einzige Weg aus der Zuführkammer durch den Absorber 13 führt, strömt die Luft durch die im Querschnitt gesehen (Fig. 3) seitlichen Schlitze 20 zu den Einlaßflächen 21. Dabei strömt die Luft an dem von der heißen Luft aufgewärmten inneren Kasten 12 vorbei und wird durch die abgestrahlte Wärme vorgeheizt. In dem Kollektor 13 strömt die Luft quer zur Längsrichtung des Solarempfän­ gers 10.

Anhand von Fig. 5 wird nun die Erwärmung der Luft im Absorber 13 genauer erläutert. Die von dem Rinnenkon­ zentrator 1 fokussierte Solarstrahlung 2 tritt durch die Abdeckung 15 in den Absorber 13 ein und heizt die­ sen auf. Die in Pfeilrichtung durch den Absorber 13 strömende Luft wird dann konvektiv aufgeheizt. Diese Aufheizung geschieht thermodynamisch günstig, da die Luft in Richtung des Anstiegs der Einstrahlungsintensi­ tät strömt, so daß die heißer werdende Luft ständig an noch heißeren Stellen des Absorbers 13 vorbeigeführt wird, wodurch zwischen der Luft und dem Absorber 13 immer ein für die Erwärmung der Luft ausreichender Tem­ peraturunterschied vorhanden ist. Durch die Auslaßflä­ che 22, die an der Stelle maximaler Einstrahlungsinten­ sität liegt, tritt die heiße Luft in die Abführkammer 18 ein.

Die über die gesamte Länge der Abführkammer 18 eintre­ tende Luft (Fig. 2) ist gleichmäßig erhitzt, da die Luft in Querrichtung gesehen jeweils ein gleiches Wär­ meprofil durchlaufen hat. In der Abführkammer 18 strömt die erhitzte Luft wegen der relativ großen Abmessungen der Abführkammer 18 relativ langsam, d. h. mit geringem Druckverlust auf die Abführöffnung 19 zu, durch die sie dem Verbraucher zugeführt wird. Nach der Abarbeitung der heißen Luft kann die dann wieder abgekühlte Luft dem Solarempfänger 10 erneut zugeführt werden.

In den Fig. 6a-6d sind alternative Ausgestaltungen des Absorbers 13 und der Abdeckung 15, die verschieden ge­ formte Empfängerflächen bilden, gezeigt. Die Empfänger­ flächen der Absorber 13a, 13b sind dreieckig, während die Empfängerflächen der Absorber 13c, 13d kreis- oder parabelförmig ausgebildet sind. Durch die Veränderung der Empfängerflächen kann der Solarempfänger 10 besser an geometrische Eigenarten von Solarkonzentratoren an­ gepaßt werden und an der Abdeckung 15 entstehende Re­ flexionsverluste können verringert werden.

Der Solarempfänger 10 kann auch eine rohrförmige Außen­ form aufweisen, die günstige Windeigenschaften hat. Darüber hinaus kann die der direkt einfallenden Solar­ strahlung zugewandte Bodenwand des äußeren Kastens 11 strahlungsdurchlässig sein, so daß die Luft in der Zu­ führkammer 16 von der direkt einfallenden Solarstrah­ lung vorgewärmt wird.

Claims (9)

1. Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk, mit einem langgestreckten porösen Absorber (13) zum Durchleiten eines Wärmeträgermediums, wobei der Absorber (13) eine als Empfängerfläche wirken­ de vordere Fläche hat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführkammer (16) für das Wärmeträgerme­ dium durch mindestens eine in Längsrichtung ver­ laufende Einlaßfläche des Absorbers (13) begrenzt ist, und daß eine Abführkammer (18) für das er­ hitzte Wärmeträgermedium durch mindestens eine ebenfalls in Längsrichtung verlaufende Auslaßflä­ che des Absorbers (13) begrenzt ist, wobei die Einlaßfläche (21) und die Auslaßfläche (22) in Querrichtung gegeneinander versetzt sind, so daß in dem Absorber (13) eine Querströmung entsteht.

2. Solarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abführkammer (18) wenigstens teilweise in der Zuführkammer (16) enthalten ist.

3. Solarempfänger nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlaßfläche (21) in mindestens einem Spalt (20) zwischen Zuführkammer (16) und Abführkammer (18) angeordnet ist.

4. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-3, da­ durch gekennzeichnet, daß die zwischen der Einlaß­ fläche (21) und der Auslaßfläche (22) liegende Fläche des Absorbers (13) mit einer Abdeckung (14) versehen ist.

5. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einlaßfläche (21) und die Auslaßfläche (22) in der rückwärtigen Flä­ che des Absorbers (13) angeordnet sind.

6. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-5, da­ durch gekennzeichnet, daß die vordere Fläche des Absorbers (13) mit einer hitzebeständigen, für Solarstrahlung (2) durchlässigen Abdeckung (13) bedeckt ist.

7. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Zuführkammer (16) in Längsrichtung abnimmt, und daß die Querschnittsfläche der Abführkammer (18) in Längsrichtung zunimmt.

8. Solarempfänger nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querschnittsfläche der Zuführ­ kammer (16) im selben Maße abnimmt wie die Quer­ schnittsfläche der Abführkammer (18) zunimmt.

9. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-8, da­ durch gekennzeichnet, daß an einer Stirnseite des Solarempfängers (10) eine Zuführöffnung (17) in der Zuführkammer (18) angeordnet ist, und daß an der gegenüberliegenden Stirnseite des Solarempfän­ gers (10) eine Abführöffnung (19) in der Abführ­ kammer (18) angeordnet ist.