DE19840181A1 - Parabolrinnenkollektor für ein Solarenergie-Kraftwerk - Google Patents

Abstract

Der Parabolrinnenkollektor weist ein Absorberrohr (14) auf, das von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt wird und längs der Brennlinie eines Parabolrinnenkollektors angeordnet ist. Das Absorberrohr (14) ist exzentrisch in einem Glas-Hüllrohr (15) angeordnet. Auf der dem Reflektor abgewandten Seite des Absorberrohrs (14) ist ein Sekundärreflektor (16) in Form einer flachen Platte angeordnet. Dieser lenkt diejenige vom Reflektor reflektierte Strahlung, die das Absorberrohr (14) nicht trifft, auf die gegenüberliegende Seite des Absorberrohres. Dadurch kann das Absorberrohr (14) mit geringerem Durchmesser als üblich hergestellt werden. Die Abstrahlverluste werden dadurch verringert und der Wirkungsgrad des Solarkollektors wird vergrößert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Parabolrinnenkollektor für ein Solarenergie-Kraftwerk, mit einem Reflektor in Form einer Parabolrinne, einem längs der Brennlinie des Re­ flektors verlaufenden Absorber und einem auf der dem Reflektor abgewandten Seite des Absorberrohres angeord­ neten Sekundärreflektor.

In der Mojave-Wüste in den USA existieren bereits So­ larenergie-Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren, die in Leistungsgrößen zwischen 30 und 80 MW zu insgesamt 350 MW (elektrische Leistung) zusammengefaßt sind.

Bei einem Parabolrinnenkollektor konzentriert eine pa­ rabelförmig gekrümmte Rinne mit hochreflektierender Oberfläche die Sonnenstrahlen auf ein in der Brennlinie der Parabolrinne verlaufendes Absorberrohr, das von einem Wärmeträgermedium durchflossen wird, welches die eingesammelte Energie einem konventionellen Dampfkraft­ werksprozeß zuführt. Die üblicherweise in Nord-Süd- Richtung aufgestellte Parabolrinne wird einachsig im Höhenwinkel der Sonne nachgeführt, so daß diese immer senkrecht auf die Rinne scheint. Der Gesamtwirkungsgrad (einfallende Sonnenenergie zu Energie im Wärmeträger) eines Parabolrinnenkollektors liegt in der Größenord­ nung von 50%. Er wird durch zahlreiche optische und thermische Verluste begrenzt. Zur Verringerung dieser Verluste ist es bekannt, das Absorberrohr mit einem Glas-Hüllrohr zu umgeben, welches evakuiert sein kann. Das Glas-Hüllrohr dient zur Reduzierung der thermischen Verluste infolge von Konvektion und Wind. Die Evakuie­ rung des Hüllrohres reduziert zusätzlich die ther­ mischen Verluste infolge von Wärmeleitung. Die größten Verluste sind die Abstrahlungsverluste vom bis zu 400°C heißen Absorberrohr. Diese Abstrahlungsverluste sind proportional zur Oberfläche des Absorberrohres, so daß sie dadurch verringert werden könnten, daß der Durch­ messer des Absorberrohres verkleinert wird. Dem steht jedoch entgegen, daß das Sonnenstrahl-Bündel infolge der Sonnengröße (Öffnungswinkel der Sonnenscheibe etwa 0,6°) auf einen breiteren Streifen aufgeweitet wird. Außerdem verbieten Ungenauigkeiten der Spiegelober­ fläche und der Spiegelgeometrie eine zu starke Ver­ engung der Zielfläche. Eine Verringerung des Durch­ messers des Absorberrohres ist also immer mit dem Nach­ teil verbunden, daß ein Teil der reflektierten Strah­ lung das Absorberrohr verfehlen würde und damit ver­ loren wäre.

Aus der Literatur sind verschiedene Entwicklungen be­ kannt, mit Hilfe sogenannter Sekundärkonzentratoren diejenigen reflektierten Strahlen, die das Absorberrohr verfehlt haben, durch erneute Reflexion und Bündelung doch noch auf das Absorberrohr zu lenken. Ein idealer Sekundärkonzentrator besteht (auf jeder Seite des Ab­ sorberrohrs) aus zwei Teilen: einer inneren (stark ge­ krümmten) konkaven Involute und einem äußeren konvexen Teil, der nur schwach gekrümmt ist. Solche idealen Se­ kundärkonzentratoren oder auch einfachere parabolisch gekrümmte, hochglanzverspiegelte Bleche sind sehr schwierig herzustellen und daher teuer. Im Laufe der Betriebsdauer der Parabolrinne ist außerdem infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Glas- Hüllrohr und Sekundärkonzentrator damit zu rechnen, daß Verschiebungen des Sekundärkonzentrators auftreten. Ein schlecht positionierter Sekundärkonzentrator hat aber zur Folge, daß der Gesamtwirkungsgrad gegenüber einer Ausführung ohne Sekundärkonzentrator sogar reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Para­ bolrinnenkollektor mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Parabolrinnenkollektor weist einen Sekundärreflektor aus einer im wesentlichen flachen Platte auf. Ein solcher flacher Sekundärreflektor hat keinen wesentlichen Konzentrationseffekt auf die ein­ fallende Strahlung. Er bewirkt, daß die von dem Reflek­ tor bzw. Konzentrator der Parabolrinne reflektierten, das Absorberrohr jedoch verfehlenden Strahlen infolge nochmaliger Reflexion auf das Absorberrohr gerichtet werden. Dabei besteht die Möglichkeit, das Absorberrohr mit einem kleineren Durchmesser zu realisieren als dies bei ausschließlicher Verwendung der Rinne als Reflektor möglich wäre. Der Sekundärreflektor sammelt außerdem diejenige Sonnenstrahlung, die aufgrund von Maß- oder Montageungenauigkeiten an dem Absorberrohr vorbeigelei­ tet werden, und reflektiert sie zum Absorberrohr. Die dünne flache Platte des Sekundärreflektors kann auf relativ einfache Weise an dem Absorberrohr befestigt werden. Da diese Platte keine Bündelungsfunktion hat, treten geringfügige Verformungen nicht nachteilig in Erscheinung. Auch sehr stark schräg einfallende Strah­ lung wird auf die der Sonne zugewandte Seite des Absor­ berrohres reflektiert. Auf diese Weise werden solche Strahlen eingefangen, die von der Parabolrinne reflek­ tiert wurden, ohne das Absorberrohr zu treffen. Solche abweichende Strahlung kann auf die Kleinheit des Durch­ messers des Absorberrohrs zurückzuführen sein oder auch auf Winkelfehler am Absorberrohr. Es besteht somit die Möglichkeit, Absorberrohre von kleinem Durchmesser zu verwenden, wodurch wiederum die Abstrahlungsverluste verringert werden. Ferner können Einbautoleranzen und Verformungsfehler in größerem Umfange hingenommen wer­ den als dies üblicherweise der Fall ist.

Außer dem optischen Gewinn und der Verringerung der thermischen Verluste durch das kleinere Absorberrohr hat das System mit Sekundärreflektor gegenüber einem konventionellen System noch folgende Vorteile:

• - das befürchtete "Bowing", das Verbiegen des Absorber­ rohrs gegenüber dem Glashüllrohr mit möglichen Berüh­ rungen zwischen beiden Rohren und eventuell daraus resultierenden Glashüllrohr-Brüchen, wird stark redu­ ziert oder sogar vermieden, da die Oberfläche des Absorberrohrs gleichermäßiger thermisch belastet wird (reflektierte Strahlen heizen auch die der Sonne zu­ gekehrte Seite des Absorberrohrs stärker auf)
• - die relativ geringen Mehrkosten für das flache Alumi­ niumblech und das Alu-Profil werden aufgefangen durch die Verbilligung des im Durchmesser verringerten Ab­ sorberrohrs.

Der Sekundärreflektor ist vorzugsweise eine absolut flache Platte. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch in begrenztem Maße Verformungen der Platte möglich. Unter einer im wesentlichen flachen Platte wird in die­ sem Zusammenhang verstanden, daß die Tiefe einer in der Platte enthaltenen Mulde oder Wölbung kleiner ist als 10% der Breite, vorzugsweise kleiner als 5% der Plat­ tenbreite.

Die Erfindung bietet den Vorteil einer wesentlich ein­ facheren Herstellung des Absorbers, da eine exakte Formgebung des am Absorberrohr befestigten Sekundärre­ flektors nicht erforderlich ist. Die Fixierung des Se­ kundärreflektors am Absorberrohr ist sehr einfach durchzuführen. Außerdem hat der Sekundärreflektor eine verbesserte Langzeitstabilität.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Absorberrohr von einem Glas-Hüllrohr umgeben, wobei der kürzeste Abstand des Sekundärreflektors von dem Absorberrohr deutlich kleiner ist als der Abstand zwi­ schen Glas-Hüllrohr und Absorberrohr. Der Sekundärre­ flektor ist also dem Absorberrohr stark angenähert und verläuft nahezu tangential zu diesem. Dies hat zur Fol­ ge, daß alle Strahlung, die von der Seite her auf den Sekundärreflektor fällt, in den Zwickel zwischen Sekun­ därreflektor und Absorberrohr gelenkt und schließlich vom Absorberrohr absorbiert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das System in axialen Abständen angeordnete Stützvorrichtungen enthält, die das Absor­ berrohr mit Hilfe von Halteblechen an einem an der Innenwand des Glas-Hüllrohres anliegenden äußeren Stützring abstützen und positionieren. Diese Halte­ bleche sind mit Aussparungen versehen, in denen der Sekundärreflektor fixiert ist. Auf diese Weise bildet der Sekundärreflektor zusammen mit den Stützvorrich­ tungen und dem Absorberrohr eine Einheit, die in das Glas-Hüllrohr eingeschoben werden kann und die dazu dient, das Absorberrohr im Glas-Hüllrohr zu fixieren.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Parabolrin­ nenkollektors in Stirnansicht,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Receiver (System Absorber-Glashüllrohr-Sekundärreflektor mit Zubehör),

Fig. 3 eine Verdeutlichung der von dem Sekundärreflek­ tor zusätzlich eingefangenen Randstrahlung und

Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstellung des Receivers im aufgeschnittenen Zustand.

Der Parabolrinnenkollektor in Fig. 1 weist einen lang­ gestreckten rinnenförmigen Reflektor 10 in Form einer Parabolrinne auf, der eine Länge von mehreren Metern hat und eine Spannweite von beispielsweise 5 m. Längs der Brennlinie des Reflektors 10 ist ein langgestreck­ ter rohrförmiger Absorber angeordnet, der an dem Re­ flektor so befestigt ist, daß er dessen Bewegungen in Höhenrichtung der Sonne folgt, so daß die einfallende Sonnenstrahlung 11 stets senkrecht in die Öffnung des Reflektors 10 einfällt. Der Reflektor 10 ist an einer Tragstruktur 13 angebracht, die eine Nachführung des Reflektors nach dem Sonnenstand ermöglicht.

Der Receiver 12 enthält gemäß Fig. 2 ein langgestreck­ tes Absorberrohr 14, das von einem flüssigen Wärmeträ­ germedium durchströmt wird. Um das Absorberrohr 14 her­ um ist ein Glas-Hüllrohr 15 angeordnet. Der Mittelpunkt des Absorberrohres 14 ist gegenüber demjenigen des zy­ lindrischen Glas-Hüllrohres 15 in Gegenrichtung der einfallenden Sonnenstrahlung 11 versetzt, so daß das Absorberrohr 14 exzentrisch im Hüllrohr angeordnet ist.

Auf der dem Reflektor 10 abgewandten Seite ist der Se­ kundärreflektor 16 in Form einer flachen Platte annä­ hernd tangential zu dem Absorberrohr 14 angebracht. Der Sekundärreflektor besteht aus einem eloxierten und da­ mit hochreflektierenden Aluminiumblech. Dieses Blech ist in der Mitte an einem Abstandhalter 17 abgestützt, der vom Umfang des Absorberrohrs in Richtung auf die einfallende Sonnenstrahlung 11 radial absteht, jedoch nur eine geringe Höhe hat, so daß der Sekundärreflektor 16 annähernd tangential zu dem Absorberrohr 14 ver­ läuft. Der Sekundärreflektor 16 steht rechtwinklig zur einfallenden Sonnenstrahlung 11. Er erstreckt sich quer durch das Glas-Hüllrohr und seine beiden Längskanten berühren das Glas-Hüllrohr. Auf der dem Abstandhalter 17 gegenüberliegenden, nicht reflektierenden Rückseite ist der Sekundärreflektor mit einem dünnen leichten Verstärkungsprofil 18 aus Aluminium hinterlegt, das auf die Rückseite, beispielsweise mit Silikonkleber, aufge­ klebt ist. Das Verstärkungsprofil 18 ist möglicherweise ebenso wie der Abstandhalter 17 jeweils nur in gewissen Längenabschnitten vorhanden und erstreckt sich in dem Fall nicht kontinuierlich über die Gesamtlänge.

In dem Glas-Hüllrohr 15 sind Stützvorrichtungen ange­ ordnet, die die aus dem Absorberrohr 14 und dem Sekun­ därreflektor 16 bestehende Baueinheit zusammenhalten. Jede Stützvorrichtung weist einen Stützring 20 auf, der an der Innenwand des Glas-Hüllrohrs 15 anliegt. Der Stützring 20 ist mit dem Absorberrohr 14 durch radial ausgerichtete Haltebleche 22, 23 und ein Stützblech 24 verbunden. Die Stützvorrichtungen, die in regelmäßigen Abständen um das Absorberrohr 14 herum angeordnet sind, werden zusammen mit dem Absorberrohr in das Glas-Hüll­ rohr 15 eingeschoben.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, haben die Haltebleche 22, 23 jeweils einen axial abstehenden Ansatz 22a, 23a, der über den Sekundärreflektor 16 ragt und diesen gegen den Abstandhalter 17 drückt. Auf diese Weise wird der Se­ kundärreflektor 16 unter leichter Biegespannung festge­ halten, wobei er sich geringfügig biegen bzw. durchwöl­ ben kann.

In Fig. 3 ist diejenige Randstrahlung dargestellt, die normalerweise das Absorberrohr nicht oder nur teilweise trifft und die nunmehr auf den Sekundärreflektor 16 fällt und auf das Absorberrohr 14 reflektiert wird. Man erkennt, daß auch stark seitlich einfallende Strahlung noch auf das Absorberrohr 14 geleitet wird.

Claims (8)

1. Parabolrinnenkollektor für ein Solarenergie-Kraft­ werk, mit einem Reflektor (10) in Form einer Para­ bolrinne, einem längs der Brennlinie des Reflektors (10) verlaufenden Absorberrohr (14) und einem auf der dem Reflektor (10) abgewandten Seite des Absor­ berrohrs (14) angeordneten Sekundärreflektor (16), dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärreflektor (16) als im wesentlichen flache Platte ausgebildet ist.

2. Parabolrinnenkollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberrohr (14) von einem Glas-Hüllrohr (15) umgeben ist, und daß der kürzeste Abstand des Sekundärreflektors (16) von dem Absorberrohr (14) deutlich kleiner ist als der Abstand zwischen Glas-Hüllrohr (15) und Absorber­ rohr (14).

3. Parabolrinnenkollektor nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Absorberrohr (14) von einem Glas-Hüllrohr (15) umgeben und exzentrisch in diesem angeordnet ist, und daß die Ebene des Sekun­ därreflektors (16) rechtwinklig zu der Exzentrizi­ tät verläuft.

4. Parabolrinnenkollektor nach einem der Ansprüche 1- 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Stelle geringsten Abstandes zwischen Absorberrohr (14) und Sekundärreflektor (16) ein Abstandhalter (17) be­ findet.

5. Parabolrinnenkollektor nach einem der Ansprüche 1- 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärreflek­ tor (16) an der dem Absorberrohr (14) abgewandten Rückseite mit einem Verstärkungsprofil (18) ver­ steift ist.

6. Parabolrinnenkollektor nach einem der Ansprüche 1- 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärreflek­ tor (16) mit am Absorberrohr (14) befestigten längslaufenden Halteblechen (22, 23) fixiert ist.

7. Parabolrinnenkollektor nach einem der Ansprüche 1- 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberrohr (14) mit mindestens einem radialen Stützblech (24) abgestützt ist.

8. Parabolrinnenkollektor nach einem der Ansprüche 1- 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas-Hüllrohr (15) in axialen Abständen angeordnete Stützvorrich­ tungen enthält, die jeweils einen an der Innenwand des Glas-Hüllrohrs (15) anliegenden Stützring (20) aufweisen, an dem das Absorberrohr (14) durch Hal­ tebleche (22, 23) fixiert ist und an denen der Se­ kundärreflektor (16) befestigt ist.