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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur solarthermischen Erzeugung
von Prozesswärme in dem Temperaturbereich von 300°C
bis 700°C.
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Es
ist eine Vielzahl von solarthermischen Anlagen bekannt die zum größten
Teil mit Wasser oder Thermoöl als fluidalem Übertragungsmedium
für die eingefangene Sonnenenergie arbeiten. Hierbei wird die
Sonnenstrahlung auf einen meist linienförmigen Strahlungsmittelpunkt
in der Form eines von einem Fluid durchflossenen Stahlrohrs konzentriert.
Das Stahlrohr kann dabei von einem vakuumdichten lichtdurchlässigen
Glasrohr umhüllt sein. Eine andere Bauart besteht aus einem
wärmeisolierten so genannten Receiver-Rohr in einem lang
gezogenen Kasten der an der Vorderseite eine lichtdurchlässige Glasscheibe
aufweist und im Inneren einen linienförmigen Spiegel der
die einfallende Strahlung auf die Rückseite des Stahlrohrs
lenkt.
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Kommt
als Übertragungsmedium jedoch nur Luft in Betracht, werden
für den Niedertemperaturbereich (etwa 100°C) meist
einfache Flachkollektoren verwendet und für den Hochtemperaturbereich
meist so genannte Heliostaten. Hierbei handelt es sich meist um
eine Vielzahl von Spiegeln die die Sonnenstrahlung auf einen mit
Luft arbeitenden Receiver auf einem Turm konzentrieren. Die in einem
solchen Luftreceiver durchströmende Luft erreicht Temperaturen
von 1200°C bis 2100°C.
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Aus
der Patentliteratur sind zum Stand der Technik unter anderem die
folgenden Druckschriften bekannt.
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Die
DE 100 65 485 A1 beschreibt
einen zentrischen Solarempfänger mit einem achsensymmetrischen
Gehäuse und mit einer Öffnung an der vorderen,
der Sonne zugewandten, Seite, die mit einem Fenster verschlossen
ist. Hierbei liegt dieser Druckschrift die Aufgabe zugrunde, ein
neuartiges Fenster zur Verwendung in einem zentrischen Solarempfänger
und einen neuartigen zentrischen Solarempfänger bereitzustellen,
in dem dieses Fenster verwendet wird. Zu diesem Zweck wird ein volumetrischer
Solarabsorber in das Gehäuse in der Weise integriert, dass
das unter Druck stehende Arbeitsfluid mit dem volumetrischen Absorber
Wechselwirken kann. Das in diesem zentrischen Solarempfänger
verwendete Arbeitsfluid ist vorzugsweise ein Gas, z. B. Luft, das dazu
geeignet ist, bei hohen Temperaturen (etwa 500°C und mehr)
und bei erhöhten Drücken von mindestens etwa 2
Atmosphären in der Empfängerkammer zu zirkulieren.
Ein Betrieb mit Luft unter einem relativ niedrigen Druck ist hierbei
nicht vorgesehen.
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Aus
der
DE 102 57 458
A1 ist eine solarthermische Empfängereinheit mit
einem keramischem Formkörper sowie ein Verfahren zur Herstellung
entsprechender keramischer Körper bekannt. Die dieser Offenlegungsschrift
zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen keramischen Formkörper
als Absorberkörper zu schaffen, der eine erhöhte
Lebensdauer aufweist, großtechnisch leicht realisierbar
und effektiv im Betrieb ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird
im Wesentlichen beansprucht, dass in einem Randbereich des Formkörpers
die Länge der Kanäle, die ein Durchströmen
eines Mediums durch den Formkörper ermöglichen,
von der Mitte zum Rand hin kontinuierlich oder stufenweise abnimmt.
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Die
spezielle Ausformung eines Absorberkörpers stellt jedoch
lediglich die Lösung eines Teilproblems dar, das die solartechnische
Erzeugung von Prozesswärme betrifft.
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Die
DE 199 52 174 A1 betrifft
einen Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung
zur Durchführung von Hochtemperaturprozessen. Bei den hier
betrachteten Prozessen wird der Einsatz von Fallfilmabsorbern zum
Schmelzen von Salz betrachtet, wobei die aus der Salzschmelze resultierende
Energie zur Wasserdampferzeugung verwendet wird. Hierbei entstehen
umweltgefährdende Dämpfe. Deshalb muss in diesem
Fall mit geschlossenen Empfängern gearbeitet werden. Die
Ausgestaltung eines solchen Empfängers wird in dieser Druckschrift
beschrieben. Beim Schmelzen von Salz entstehen zwar Temperaturen
im Bereich von 500°C bis 600°C, die zur Verwendung
als nutzbare Prozesswärme interessant wären, jedoch
steht hierbei nicht die Erwärmung von Luft im Vordergrund.
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Dem
erfindungsgemäßen Vorrichtung, liegt deshalb die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur luftbasierten solarthermischen
Erzeugung von Prozesswärme vorzustellen, mit dem eine beliebig
zuschaltbare, umweltfreundliche und billige Quelle zur Erzeugung
von Prozesswärme geschaffen wird.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden
näher beschrieben,
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Es
zeigen dabei im Einzelnen:
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1:
eine prinzipielle Übersicht über die erfindungsgemäße
Wärmegewinnung
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2a:
eine perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers
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2b:
eine Darstellung spezieller strahlungsabsorbierender Flächen
von Wärmetauschern
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3:
eine Darstellung eines Luftreceiver-Feldes
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4:
einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher
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5:
einen Querschnitt eines Ventilator-Antriebs
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6:
eine beispielhafte schematische Ankopplung der erfindungsgemäß erzeugten
Prozesswärme an ein Trocknerfeld
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7:
eine Anordnung von Luftreceivern unterschiedlicher Strahlungskonzentration
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8:
eine Anordnung zur Zusammenführung von Luftreceivern
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Die
in 1 dargestellte prinzipielle Übersicht über
die erfindungsgemäße Wärmegewinnung zeigt
ein von der Sonne beleuchtetes Fresnel-Spiegel-Kollektorfeld 2 von
dem aus gebündelte Sonnenstrahlen auf die wärmeabsorbierende
Oberfläche eines Wärmetauschers 3 in
einem Luftreceiver 1 fällt.
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2a zeigt
die perspektivische Darstellung eines Wärmetauschers 3 entsprechend
der Darstellung in der 1.
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In
der 2c ist die Darstellung spezieller strahlungsabsorbierender
Flächen von Wärmetauschern 3 als jeweils
unterschiedliche Ausgestaltung dieser Flächen gezeigt.
Hierbei ist mit 28 eine Empfangsoberfläche dargestellt
die sich wegen ihrer speziellen Krümmung besonders für
die Anwendung bei Rinnenkollektoren eignet. In dem darunter gezeigten Beispiel 29 soll
durch die gestrichelte Darstellung aufgezeigt werden, dass diese
Oberfläche stark porös ausgeführt ist
um für einen speziellen Anwendungsfall den Sonnenstrahlen
eine möglichst geringe Reflexion zu bieten. Das letzte
hier gezeigte Beispiel 30 ist besonders für die
Anwendung bei einem Fresnel-Spiegel-Kollektor konzipiert. Die hier
erkennbare „gezahnte„ Struktur hat die Aufgabe,
dass jede winkelig zueinander stehende Teilfläche jeweils
einem Spiegel des Fresnel-Spiegel-Kollektorfeldes zugeordnet ist.
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Die 3 zeigt
die Darstellung eines Luftreceiver-Feldes. Der kastenförmige
Behälter stellt in der perspektivischen Darstellung einen
Luftreceiver 1 dar in dem ein Ventilator mit 4 bezeichnet
ist. Der dort weiter eingezeichnete Ventilator trägt keine
Bezeichnung. Die Wärmetauscher sind aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Sie befinden sich
in dem von den Ventilatoren 4 nicht beanspruchten Raum.
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In
der 4 ist ein Querschnitt durch einen Luftreceiver 1 zu
erkennen. In der Mitte ist der eigentliche Wärmetauscher 3,
hier lediglich mit einer geraden strahlungsabsorbierenden Fläche,
schraffiert dargestellt. Weiter ist der Freiraum 5 zwischen
den zackenähnlichen Ausformungen dieses Wärmetauschers 3 zu
dem Zweck angelegt, der durchströmenden Luft einerseits
den Kontakt mit dem durch die Sonnenstrahlen erwärmten
Wärmetauscher 3 auf einer großen Fläche
zu ermöglichen und andererseits diese Luft beim Durchströmen
möglichst wenig zu behindern. Der Freiraum 5 wird
begrenzt durch ein hochtemperaturbeständiges Isoliermaterial 6.
Für diesen Zweck gibt es geeignete Industrieprodukte, jedoch
wesentlich preisgünstiger ist in diesem Fall eine Sandschüttung
zwischen zwei Blechwänden. Diesem Isoliermaterial folgen
eine Schicht aus einem weiteren temperaturbeständigen Isoliermaterial 7 und
einem Isoliermaterial 8. Die äußeren
Abmessungen dieses Wärmetauschers 3 entsprechen
dem aus der 2 ersichtlichen Querschnitt
des Luftreceivers 1. Die Wärmetauscher 3 sind
in einem Luftreceiver 1 hintereinander angeordnet. Sie
können dabei auf der einen Seite eine Nut und auf der anderen
Seite eine in den Abmessungen entsprechende Feder aufweisen, um
auf diese Weise quasi zusammen steckbar miteinander verbunden zu
werden. Hiermit wird die mechanische Festigkeit des Luftreceivers 1 erhöht und
der Wärmeübergangs-Widerstand zwischen zwei aufeinander
folgenden Wärmetauschern 3 verringert.
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Als
Werkstoff für einen Wärmetauscher ist vor allem
AL2O3, Aluminiumoxid geeignet. Für diesen Zweck hervorzuheben
ist auch Grafit. Er besitzt eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit
und ist einsetzbar für Temperaturen von weit über
1000°C. Die keramischen Rippen eines Wärmetauschers 3 dienen
in ihrer Gesamtheit auch als kurzzeitiger Wärmespeicher wenn
zum Beispiel die Sonneneinstrahlung kurzzeitig abgedeckt wird. Eine ähnliche
Möglichkeit der Wärmespeicherung ist gegeben durch
die vorgeschlagene Sandschüttung im Bereich der Schicht 6 des
hochtemperaturbeständigen Isoliermaterials.
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Zur
Verringerung des Reibungswiderstandes auf den turbulent überströmten
Oberflächen im inneren eines Luftreceivers 1 können
die vom Luftstrom berührten Flächen in der Struktur
der Haifischhaut 31 gestaltet werden. Die dabei auf der
Fläche angebrachten so genannten Riblets bestehen aus feinen Rippen,
die eine sehr scharfe Rippenspitze haben. In 2B ist
deshalb auch eine wärmeleitende „Spitze” des
Wärmetauschers 3 mit 31 gekennzeichnet.
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In
der 5 ist der Querschnitt eines Ventilator-Antriebs
in einem Luftreceiver 1 dargestellt. In diesem Bereich
befindet sich kein Wärmetauscher 3. Im dargestellten
Querschnitt ist von dem Luftreceiver 1 lediglich die Isolierung
als äußere Begrenzung gezeigt. Der Antrieb des
Ventilator-Laufrads 16 erfolgt über einen Antriebsriemen 14 mittels
eines Stirling-Motors 9. Die dichtende Lagerung 19 lagert
die Antriebswelle 12 dieses Motors. Der heiße
Zylinder 10 des Stirling-Motors 9 befindet sich
in der heißen Luftströmung innerhalb des Luftreceivers 1,
der kalte Zylinder 11 ist der kalten Außenluft
ausgesetzt. Das Ventilator-Laufrad 16 ist mit seiner Antriebswelle 13 in
2 Lagern 15 gelagert. Diese Lager sind temperaturbeständig
ausgeführt, zum Beispiel als Kohlelager. Der Antriebsriemen 14 überträgt
die Antriebsenergie des Stirling-Motors 9 von der Antriebswelle 12 mittels einer
Riemenscheibe auf die Antriebswelle 13 des Ventilators,
ebenfalls mittels einer Riemenscheibe. Ein Isolierungs-Durchbruch 18 sorgt
für die Bewegungsfreiheit des Antriebsriemens 14.
Die Pfeilrichtung gibt die Richtung des Luftstroms 17 an.
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In
der 6 ist die beispielhafte schematische Ankopplung
der erfindungsgemäß erzeugten Prozesswärme
an ein Trocknerfeld dargestellt. Bei diesem Trocknerfeld handelt
es sich um einen Teil einer weit umfangreicheren Anlage zum Trocknen
von Gipsplatten. Hierzu gehören die Frischluftzufuhr 24 für
den Gasbrenner 25 ebenso wie der Anschluss 23 für
die feuchtebeladene Abluft eines Trocknerfeldes und der Umluftventilator 26 eines
Trocknerfeldes. Die mit 21 bezeichnete Leitung steht beispielhaft
für die Zufuhr eines Teilstroms erwärmter Luft
aus der erfindungsgemäßen Anlage zu der besagten
Anlage zum Trocknen von Gipsplatten. Die Frischluftzufuhr für
ein Solarfeld ist in dieser Figur mit 22 bezeichnet, ein Ventilator
eines derartigen Luftreceivers mit 27.
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Unter
Luft ist in diesem Fall nicht nur reine Luft zu sehen, sondern auch
feuchtebeladene Luft (z. B. 50 bis 300 g/kg trockener
Luft). Ziel der Anlage ist es die Luft (Teilstrom der Umluft
(6) und Frischluft 6, Bezugszeichen 22 zu
erwärmen in Bereiche von 500°C bis 700°C.
Die Anfangstemperatur liegt bei ca. 30°C (Frischluft) oder
ca. 150 bis 200°C zurückgeführte Luft
vom Trockner. Zu Beginn des Erwärmungsprozesses ist dabei
die erzielte Lufttemperatur noch gering. Das heißt, der
Konzentrationsfaktor (die Fläche des Spiegelfeldes im Verhältnis
zur Absorptionsfläche am Luftreceiver 1) ist noch
gering. Mit steigender Lufttemperatur muss jedoch der Konzentrationsfaktor
ansteigen, damit höhere Temperaturen am Luftreceiver erreicht
werden können. Das bedeutet, dass bei konstanter Spiegelfläche
der Luftreceiver kleiner werden muss um die gewünschten höheren
Temperaturen zu erreichen. Deshalb ist es sinnvoll die Luftreceiver
in abgestuften Größen hintereinander anzuordnen.
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In
der 7 ist eine solche Anordnung von Luftreceivern
unterschiedlicher Strahlungskonzentration dargestellt. Die Kennzeichnungen 1A, 1B und 1C entsprechen
dabei unterschiedlichen Abstufungen der Strahlungskonzentration.
Die einzelnen Luftreceiver 1 sind hierbei in ihrem Aufbau
gleich, lediglich ihre geometrischen Abmessungen variieren in der
Breite und der Höhe. 1A bedeutet zum Beispiel einen
Receiver für geringe Strahlungskonzentration (5-fach), 1B bedeutet
zum Beispiel eine Strahlungskonzentration von 15-facher Intensität
und 1C von 25-facher Intensität. Mit 20 ist
jeweils ein Solarfeld ohne die Darstellung eines Spiegelsystems
dargestellt. Im oberen Teil der 7 sind drei
Receiver in linearer Anordnung und im unteren Teil der 7 in abgewinkelter
Form und der Bestrahlung durch zwei Solarfelder gezeigt.
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Die 8 zeigt
eine Anordnung zur Zusammenführung einer Vielzahl von kleinen
Luftreceivern die in abgeknickter Form mit 32 bezeichnet
sind und die mindestens einen Ventilator 27 aufweisen.
Hierbei wird die erzeugte heiße Luft zusammengeführt
in ein Haupt-Sammelrohr 33. Die Lufteinführungen
der einzelnen Luftreceiver 32 führen unter einer
Steigung in das Hauptrohr um die Auftriebskräfte der aufsteigenden
Luft zu nutzen. In einer weiteren, hier nicht extra dargestellten
Variante, wird einer der paarweise gezeichneten gegenüberliegenden
Luftreceiver 32 zwar auch mit einer leichten Steigung,
jedoch unterhalb der zentralen Querachse des Haupt-Sammelrohrs 33 in
dieses eingeführt. Zusätzlich können
zwei gegenüber liegende Luftreceiver 32 hinsichtlich
ihrer tangentialen Einmündungsstellen in Bezug auf die Längsachse
des Haupt-Sammelrohrs 33 versetzt sein. Dadurch wird der
von beiden Receivern 32 einströmenden Luft ein
zusätzlicher Drall in der Richtung des oben angeflanschten
Receivers 32 verliehen, der die Dynamik der strömenden
Warmluft, in Verbindung mit der Oberflächenstruktur (Haifisch-Haut)
der Innenseite des Sammelrohrs 33, beschleunigt.
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- 1
- Luftreceiver
(1A, 1B, 1C)
- 2
- Fresnel-Spiegel-Kollektorfeld
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Ventilator
- 5
- Freiraum
zur Luftdurchströmung
- 6
- hochtemperaturbeständiges
Isoliermaterial
- 7
- temperaturbeständiges
Isoliermaterial
- 8
- Isoliermaterial
- 9
- Stirling-Motor
- 10
- heißer
Zylinder
- 11
- kalter
Zylinder
- 12
- Antriebswelle
mit Riemenscheibe
- 13
- Antriebswelle
für Ventilator
- 14
- Antriebsriemen
- 15
- Lager
- 16
- Ventilator-Laufrad
- 17
- Luftströmung
- 18
- Isolierungs-Durchbruch
- 19
- dichtende
Lagerung
- 20
- Solarfeld,
ohne Spiegelsystem
- 21
- Leitung
eines Teilstroms erwärmter Luft
- 22
- Frischluftzufuhr
für ein Solarfeld
- 23
- feuchtebeladene
Abluft eines Trocknerfeldes
- 24
- Frischluftzufuhr
für den Gasbrenner eines Trocknerfeldes
- 25
- Gasbrenner
eines Trocknerfeldes
- 26
- Umluftventilator
eines Trocknerfeldes
- 27
- Ventilator
eines Luftreceivers
- 28
- strahlungsabsorbierende
Fläche eines Wärmetauschers
- 29
- strahlungsabsorbierende
Fläche eines Wärmetauschers
- 30
- strahlungsabsorbierende
Fläche eines Wärmetauschers
- 31
- Leitoptimierte
Oberfläche (Haifisch-Haut Struktur)
- 32
- abgeknickter
Luftreceiver
- 33
- Haupt-Sammelrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10065485
A1 [0005]
- - DE 10257458 A1 [0006]
- - DE 19952174 A1 [0008]