DE19744541A1 - Solarempfänger - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger für ein
solarthermisches Kraftwerk, der mehrere Absorberkörper
aufweist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Solar
empfängers.
In einem solarthermischen Kraftwerk wird die einfallen
de Solarstrahlung von Heliostaten oder Kollektoren auf
einen Solarempfänger, der üblicherweise aus einer Viel
zahl von keramischen Absorberkörpern zusammengesetzt
ist, gebündelt. Die auf den Absorberkörper auftreffende
hochkonzentrierte Solarstrahlung entspricht etwa der
200fachen bis 300fachen Sonnenstrahlung; dadurch werden
Temperaturen von über 1000°C im Absorberkörper er
zeugt. Aufgrund derartig hoher Temperaturen kommen Me
talle als Werkstoffe für den Absorber nicht in Be
tracht. Vielmehr werden hochtemperaturbeständige Kera
miken, wie z. B. Siliziumkarbid oder Silizium-Silizium
karbid, verwendet.
Grundsätzlich sind zwei Bauformen von Absorbern be
kannt: volumetrische Absorber und direkt-absorbierende
Absorber. Volumetrische Absorber weisen Absorberstruk
turen aus metallischen oder keramischen Wabenstruktu
ren, Gestricken oder Schäumen auf. Die Absorberstruktu
ren absorbieren die Solarstrahlung und werden von einem
Fluid, z. B. Umgebungsluft bei einem offenen volumetri
schen Absorber, durchströmt, wobei das Fluid konvektiv
aufgeheizt und einem nachgeschalteten Prozeß, wie z. B.
einem Dampfturbinenprozeß, zugeführt wird. Bei direkt
absorbierenden Absorbern werden in einem Gas oder einer
Flüssigkeit transportierte dunkle Partikel der Solar
strahlung ausgesetzt, wobei diese die Solarstrahlung
absorbieren und das Gas bzw. die Flüssigkeit aufheizen.
Die Energiequelle eines solarthermischen Kraftwerkes
ist Solarstrahlung, die im Gegensatz zu den Energie
quellen herkömmlicher Dampferzeuger nicht regelbar ist
und die durch den tages- und jahreszeitlichen Stand der
Sonne einer ständigen Änderung unterworfen ist. Dabei
ändert sich sowohl die Einstrahlungsintensität als auch
die Einstrahlungsverteilung auf dem Solarempfänger. Zur
optimalen technischen Verwertung der Energie im Wärme
trägermedium gilt, daß die Austrittstemperatur des Wär
meträgermediums möglichst konstant über dem Empfänger
querschnitt sein soll. Hierzu muß die Massenstromver
teilung des Wärmeträgermediums über der Empfängerfläche
entsprechend der Verteilung der Einstrahlungsintensität
angepaßt werden.
Üblicherweise ist die Massenstromverteilung des Wärme
trägermediums wegen der hohen Temperaturen, die 1000°C
überschreiten können, und auch aus Kostengründen nicht
aktiv regelbar. Dies führt dazu, daß eine homogene Aus
trittstemperatur im allgemeinen nur für einen einzigen
Auslegungspunkt erreicht werden kann. Der Auslegungs
punkt der Massenstromverteilung ist üblicherweise so
gewählt, daß ein über das Jahr gemitteltes energeti
sches Maximum in bezug auf die Auslegung erreicht wird.
Die Auslegung basiert also auf einer durchschnittlichen
Einstrahlungsverteilung. Abweichungen der im Betrieb
auftretenden realen Einstrahlungsverteilung von der
durchschnittlichen Verteilung führen leicht zu lokalen
Überhitzungen von Empfängerteilen. In der Praxis wird
in diesen Fällen die Einstrahlung auf den Solarempfän
ger verringert, was bedeutet, daß die Anlage nicht das
Maximum der potentiell zur Verfügung stehenden konzen
trierten Solarstrahlung nutzen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungs
grad eines Solarempfängers zu erhöhen, insbesondere
dadurch, daß dieser über einen weiten Temperaturbereich
betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
der Patentansprüche 1 bzw. 8 gelöst.
Die Erfindung schlägt vor, einen volumetrischen Absor
ber mit einem direkt-absorbierenden Absorber zu verbin
den. So weist der erfindungsgemäße Solarempfänger eine
der einfallenden Solarstrahlung zugewandte Empfänger
fläche auf, die aus mehreren mit Abständen zueinander
angeordneten Absorberkörpern gebildet ist, wobei zwi
schen den Absorberkörpern Gaskanäle vorgesehen sind,
durch die ein Solarstrahlung absorbierendes Gas oder
gashaltiges Gemisch in einen Bereich vor der Empfänger
fläche zuführbar ist. Im Normalbetrieb arbeitet der
Solarempfänger als offener volumetrischer Absorber,
d. h. daß die einfallende Solarstrahlung die Absorber
körper erhitzt und Umgebungsluft als Wärmeträgermedium
von vorne durch die Absorberkörper strömt, wobei die
Umgebungsluft unter Abkühlung der Absorberkörper kon
vektiv erhitzt wird. Falls infolge zu hoher Solarein
strahlung eine Überhitzung von Absorberkörpern droht,
wird durch die zwischen den Absorberkörpern liegenden
Gaskanäle ein Gas oder gashaltiges Gemisch, wie z. B.
mit Graphit angereicherte Luft, von hinten in den Be
reich vor der Empfängerfläche zugeführt. Vor der Emp
fängerfläche absorbiert das Gas oder gashaltige Gemisch
einen Teil der einfallenden Solarstrahlung, so daß die
Bestrahlung des Absorberkörpers und damit sein Tempera
turanstieg verringert wird. Das erhitzte Gas wird zu
sammen mit der Umgebungsluft durch den Absorberkörper
gesaugt, wo es weiter erhitzt wird. Auf diese Weise
kann die Überhitzung eines Absorberkörpers vermieden
werden, ohne daß einfallende Solarstrahlung ungenutzt
bleibt.
Unter einem gashaltigen Gemisch wird hier ein mit So
larstrahlung absorbierenden Partikeln versehenes Gas
verstanden. Diese Partikel, z. B. Graphit, können unter
dem Einfluß der konzentrierten Solarstrahlung auch ver
brennen und so die Wärme an das Gas des gashaltigen
Gemisches übertragen. Es können auch farbige Gase ein
gesetzt werden, welche die Solarstrahlung direkt absor
bieren.
Es hat sich gezeigt, daß die Kombination eines volume
trischen Absorbers mit einem direkt-absorbierenden Ab
sorber auch für den Dauerbetrieb geeignet ist. Da das
Gasgemisch ein höheres Absorptionsvermögen als ein po
röser keramischer Absorberkörper hat, kann es Strah
lungsanteile, die von dem Absorberkörper nicht absor
biert werden, noch absorbieren. Zusätzlich leitet das
Gasgemisch Abstrahlungs- und Reflexionsverluste des
Absorberkörpers dem System wieder zu.
Vorteilhafterweise sind die Absorberkörper jeweils an
einem rohrförmigen, die erwärmte ruft abführenden Trä
gerteil angeordnet, wobei die Gaskanäle von den Träger
teilen und/oder den Absorberkörpern gebildet sind. Dies
hat den Vorteil, daß keine zusätzlichen Bauteile für
die Gaskanäle verwandt werden müssen, und daß das Gas
gemisch bei seiner Zuleitung zu der Empfängerfläche das
Innere des Solarempfängers kühlt und dabei schon vor
gewärmt wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungs
gemäßen Solarempfängers,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Solarempfänger und
Fig. 3 ein Detail einer Befestigungsvorrichtung für
einen Absorberkörper des Solarempfängers.
In einem solarthermischen Kraftwerk wird Solarstrahlung
von Reflektoren, wie z. B. Heliostaten oder Kollektoren
auf einen Solarempfänger 1, wie er beispielhaft in Fig.
1 dargestellt ist, gebündelt. Die der einfallenden kon
zentrierten Solarstrahlung zugewandte Empfängerfläche 2
besteht aus einer Vielzahl von Absorberkörpern 3 mit
sechseckiger Stirnfläche, die aus einem porösen Kera
mikmaterial, wie z. B. Siliziumkarbid, hergestellt sind.
Die Absorberkörper 3 sind in Längsrichtung gasdurchläs
sig, so daß ein Wärmeträgermedium zur Abführung der
durch die Solarstrahlung erzeugten Wärme die Absorber
körper 3 durchströmen kann. Das Material der Absorber
körper 3 kann entweder offenzellige Poren aufweisen, so
daß durch eine Vielzahl von Poren verlaufende gekrümmte
Strömungskanäle vorhanden sind, oder es können gerade
verlaufende Kapillarkanäle in dem Material ausgebildet
sein.
Die einzelnen Absorberkörper 3 sind voneinander beab
standet, so daß bei den durch die hohen Temperaturen
bedingten Ausdehnungen der Absorberkörper 3 keine Span
nungen auftreten. In ihrem rückwärtigen, der Empfänger
fläche 2 abgewandten Bereich sind die Absorberkörper 3
jeweils an einem Trägerteil 4 befestigt, durch das Um
gebungsluft durch die Absorberkörper 3 hindurchgesaugt
wird, wobei die Umgebungsluft erhitzt wird.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Solarempfänger
1 gezeigt. Die Absorberkörper 3 sind in die Halteteile
4 eingeklebt oder eingepreßt. Die Absorberkörper 3 und
die Halteteile 4 bestehen aus dem gleichen Keramikmate
rial, wie z. B. Siliziumkarbid oder Silizium-Silizium
karbid, so daß sie sich gleichmäßig ausdehnen und die
Verbindung auch bei hoher Temperaturbelastung aufrecht
erhalten wird. Die Trägerteile 4 sind kelchförmig; sie
haben einen aufgeweiteten vorderen Bereich zur Aufnahme
der Absorberkörper 3 und einen hinteren Bereich verrin
gerten Durchmessers zum Abführen der erhitzten Luft. In
dem Bereich verringerten Durchmessers sind die Träger
teile 4 an einer Tragstruktur 5 des Solarempfängers 1
befestigt. Zwischen der Tragstruktur 5 und dem Träger
teil 4 ist jeweils eine Blende 6 angeordnet, die den
Strömungsquerschnitt für das Wärmeträgermedium redu
ziert und für eine verbesserte Strömungsführung sorgt.
Hinter der Tragstruktur 5 befindet sich eine Isolation
7, die die darunterliegende Metallstruktur vor Wärmebe
lastung schützt. Die Trägerteile 4 sind an Saugeinhei
ten, wie z. B. Ventilatoren, angeschlossen, die sich
hinter der Tragstruktur 5 und der Isolation 7 befinden.
Während des Betriebes des Solarempfängers 1 strahlt
Solarstrahlung 8 auf die Empfängerfläche 2. Dadurch
werden die Poren der Absorberkörper 3 erhitzt. Umge
bungsluft 9 wird von den Saugeinheiten durch die Absor
berkörper 3 hindurchgesaugt, dort aufgeheizt und als
erwärmte Luft 10 durch die Trägerteile 4 und daran an
geschlossene Leitungen abgeführt. Ein die Solarstrah
lung 8 absorbierendes Gas 11 tritt im Fußbereich der
Halteteile 4 aus und wird mit Hilfe von Leitkörpern 12
entlang der Außenkonturen der Halteteile 4 geführt, wie
durch die Pfeile 11a und 11b kenntlich gemacht. Im vor
deren Teil der Trägerteile 4 und zwischen den Absorber
körpern 3 strömt das Gas 11 in Richtung der Pfeile 11c
auf die Empfängerfläche 2 zu. Das Gas 11 verteilt sich,
wie durch die Pfeile 11d gezeigt, vor der Empfänger
oberfläche 2 und wird dort zusammen mit der Umgebungs
luft 9 in den Absorberkörper 3 eingesaugt. Während der
Zuführung kühlt das Gas 11 das Halteteil 4 und den Ab
sorberkörper 3 und heizt sich dabei auf. Vor der Absor
berfläche 2 absorbiert das Gas 11 einen Teil der ein
fallenden Solarstrahlung 8, wodurch es weiter erhitzt
wird. Eine weitere Temperaturerhöhung erfährt das Gas
11 beim Durchströmen des Absorberkörpers 3, bevor es
zur Abarbeitung, z. B. in einer Dampfturbine, weiterge
leitet wird.
Als Gas 11 ist mit Graphit angereicherte Luft geeignet.
Aufgrund der grauen Farbe hat das Gas eine hohe Absorp
tivität. Bei Bestrahlung verbrennen die Graphitpartikel
und heizen das Gas 11 auf. In diesem Fall ist der Ab
sorberkörper 3 als selbstreinigender Filter ausgeführt,
in dem eine rückstandsfreie Verbrennung erfolgt. Falls
nicht-verbrennende Partikel verwendet werden, kann der
Absorberkörper 3 zusätzlich die Funktion eines Abschei
ders übernehmen.
Anhand von Fig. 3 wird nun eine Verbindungsvorrichtung
13 zum Befestigen eines der Trägerteile 4 an der Trag
struktur 5 erläutert. Im Falle eines beschädigten Ab
sorberkörpers 3 oder eines beschädigten Trägerteils 4
ist es erstrebenswert, diese von vorn, d. h. von der
Empfängerfläche 2 aus gesehen, auszuwechseln, da bei
Arbeiten im Innern des Solarempfängers 1 dieser zum Ab
kühlen für einige Tage stillgesetzt werden muß.
Die Verbindungsvorrichtung 13 besteht aus mehreren um
fänglich um das Trägerteil 4 angeordneten segmentarti
gen Eingriffselementen 14. Jedes dieser Eingriffsele
mente 14 ist verschiebbar auf einem Arm 5a der Trag
struktur 5 derart befestigt, daß es in radialer Rich
tung, also auf das Trägerteil 4 zu, bewegbar ist. Die
Eingriffselemente 14 sind mit einer Spannvorrichtung
15, wie z. B. einem hochtemperaturbeständigen elasti
schen Metallgurt, gegen das Trägerteil 4 abgestützt.
Eine nicht dargestellte Begrenzung ist vorgesehen, um
zu verhindern, daß bei herausgezogenem Trägerteil 4 die
Eingriffselemente 14 von dem Arm 5a herunterfallen. Mit
einem keilförmigen Vorsprung 16 greift jedes Eingriffs
element 14 in eine keilförmige, umfänglich verlaufende
Nut 17 des Trägerteiles 4 ein. Die Keilflächen des Vor
sprungs 16 und der Nut 17 sind zueinander parallel, so
daß auch bei einer durch die Erwärmung hervorgerufenen
Veränderung des Umfangs oder der Länge des Trägerteils
4 ein fester Sitz des Trägerteils 4 gesichert ist.
Zur Montage wird das Trägerteil 4 einfach zwischen die
Arme 5a gepreßt, wodurch die Spannelemente 14 radial
nach außen gedrückt werden, bis sie in den Sitz 17 ein
rasten.
Claims (9)
1. Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk,
mit mehreren mit Abständen zueinander angeordneten
Absorberkörpern (3), die eine der einfallenden
Solarstrahlung (8) zugewandte Empfängerfläche (2)
bilden, wobei Umgebungsluft (9) als Wärmeträgerme
dium durch die Absorberkörper (3) strömt,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den Absorberkörpern (3) Gaskanäle
vorgesehen sind, durch die ein Solarstrahlung (8)
absorbierendes Gas oder gashaltiges Gemisch (11)
in einen Bereich vor der Empfängerfläche (2) zu
führbar ist.
2. Solarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Absorberkörper (3) jeweils an
einem rohrförmigen, die erwärmte Luft (10) abfüh
renden Trägerteil (4) angeordnet sind, wobei die
Gaskanäle von den Trägerteilen (4) und/oder den
Absorberkörpern (3) gebildet sind.
3. Solarempfänger nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Trägerteile (4) mit einer rast
baren Verbindungsvorrichtung (13) befestigt sind,
die eine Montage von der Seite der Empfängerfläche
(2) her ermöglicht.
4. Solarempfänger nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung (13) aus
mehreren umfänglich angeordneten Eingriffselemen
ten (14) besteht, die mittels einer Spannvorrich
tung (15) in eine umfängliche Ausnehmung (17) des
Trägerteils (4) gepreßt sind.
5. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-4, da
durch gekennzeichnet, daß die durch den Solaremp
fänger (1) zirkulierende Kühlluft das Gas oder
gashaltige Gemisch (11) bildet.
6. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-5, da
durch gekennzeichnet, daß das Gas oder gashaltige
Gemisch (11), insbesondere mit Graphit, gefärbt
ist.
7. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-6, da
durch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des
Solarempfängers (1) aus Keramik, insbesondere Si
liziumkarbid, bestehen.
8. Verfahren zum Betreiben eines Solarempfängers (1)
für ein solarthermisches Kraftwerk, der aus mehre
ren Absorberkörpern (3) mit dazwischen angeordne
ten Gaskanälen besteht, wobei ein die Solarstrah
lung (8) absorbierendes Gas oder gashaltiges Ge
misch (11) durch die Gaskanäle vor die von dem
Absorberkörper (3) gebildete Empfängerfläche (2)
geführt wird, wo es zumindest teilweise verbrennt,
und dann durch die Absorberkörper (3) hindurch
abgesaugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß als Gas (11) aus mit Graphit angereicherter
Luft benutzt wird.
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