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Die Erfindung betrifft einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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In
DE 197 44 541 C2 ist ein Solarempfänger beschrieben, der mehrere Absorbermodule aufweist. Das Absorbermodul enthält einen der einfallenden Solarstrahlung zugewandten Absorberkörper, der porös ist. Durch den Absorberkörper hindurch wird Luft eingesaugt, die sich beim Passieren des Absorberkörpers erwärmt.
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Der Receiver eignet sich für große Energiegewinnungsanlagen, bei denen zahlreiche Heliostate auf einem Feld angeordnet sind, welche die Solarstrahlung auf den Receiver reflektieren. An dem Receiver entsteht somit eine hohe Strahlungskonzentration, wodurch sich am Absorbermodul Temperaturen im Bereich von bis zu 1100°C ergeben.
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Bei dem vorbekannten Solarempfänger ist eine Tragstruktur vorgesehen, welche zahlreiche Absorbermodule trägt. Jedes Absorbermodul besteht aus einem Absorberkopf aus Keramik und einem von dem Absorberkopf gehaltenen Absorberkörper. An den Absorberkopf schließt eine Heißluftkanalstruktur an, beispielsweise ein Heißluftkanal. Die Heißluft wird für den Betrieb von Arbeitsmaschinen, beispielsweise Turbinen für Stromgeneratoren, benutzt.
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Aus
DE 197 40 644 C2 ist ein Absorberkörper aus Keramikmaterial bekannt, bei denen mehrere Kanäle in den Heißluftkanal übergehen. Bei dem vorbekannten Absorberkörper ist bereits eine relativ hohe Porosität verwirklicht worden.
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Es hat sich jedoch herausgestellt, dass durch eine weitere Erhöhung der Porosität erreicht werden kann, dass Verluste durch Wärmeabstrahlung und Reflexion der Solarstrahlung reduziert werden können und somit ein verbesserter Wirkungsgrad möglich ist. Eine Erhöhung der Porosität bei dem vorbekannten Absorberkörper ist durch die Stabilität der Kanäle reduziert. Die Reduzierung von Verlusten und der somit verbesserte Wirkungsrad bedeutet, dass bei gleichbleibender Spiegelfläche und Absorberfläche eine höhere Temperatur der Prozessluft erreichbar ist, so dass insgesamt von einer verbesserten Wärmeübertragung gesprochen werden kann.
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Die Qualität des Wärmeübergangs wird ferner durch den „Extinction Faktor” bestimmt. Dieser gibt die Abschwächung der Strahlung bei dem Durchgang durch den Absorberkörper an und ist somit ein Maß für die Absorption der Strahlung. Der „Extinction Faktor” und die Porosität sind weitestgehend gekoppelt und gegenläufig.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen bereitzustellen, bei denen ein verbesserter Wärmeübergang auf das die Absorbermodule durchströmende Fluid erreicht werden kann.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen weist mehrere Absorbermodule auf, die mit Solarstrahlung bestrahlbar sind, wobei die Absorbermodule jeweils einen frontseitigen Absorberkörper und einen Heißluftkanal enthalten. Die Absorbermodule werden jeweils von Prozessluft durchströmt, die als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zuführbar ist. Die Absorberkörper weisen jeweils eine Struktur mit mehreren sich in eine Strömungsrichtung erstreckenden Kanälen auf, die in den Heißluftkanal übergehen, wobei die Kanäle jeweils von Kanalwandungen begrenzt sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kanäle an einen Einlassbereich anschließen, der in Bezug auf die Strömungsrichtung stromaufwärts der Kanäle angeordnet ist, wobei in dem Einlassbereich von den Kanalwandungen vorstehende Vorsprünge angeordnet sind. Mit anderen Worten: Die auf die Absorbermodule auftreffende Solarstrahlung und die Prozessluft gelangt zunächst in einen Einlassbereich, der durch eine Vielzahl von sich vorzugsweise in Strömungsrichtung stromaufwärts erstreckender Vorsprüngen gebildet ist. An den Einlassbereich anschließend sind die Kanäle gebildet, die durch die Kanalwandungen begrenzt sind. Durch die Vorsprünge in dem Einlassbereich besitzt dieser gegenüber dem Bereich der Absorbermodule, in dem sich die Kanäle erstrecken, eine höhere Porosität und somit einen geringeren Extinktionsfaktor. Der erfindungsgemäße Receiver bietet somit Absorbermodule, die in Strömungsrichtung stromabwärts einen sich verändernden Extinktionsfaktor besitzen. In dem Einlassbereich, der der Einstrahlungsseite zugewandt ist, wird ein geringerer Anteil an Solarstrahlung absorbiert, so dass in diesem Bereich eine geringere Temperatur, verglichen mit herkömmlichen Absorbern, erreicht wird. Da die Wärmestrahlungsverluste direkt proportional zu der Temperatur sind, wirkt sich eine geringere Temperatur in dem Einlassbereich positiv auf den Wirkungsgrad des Receivers aufgrund verringerter Wärmestrahlungsverluste aus. Die Solarstrahlung gelangt somit tiefer in die Absorbermodule und erwärmt sie dort. Durch die geringeren Wärmeverluste aufgrund von Wärmstrahlung steht eine im Vergleich zu herkömmlichen Receivern größere Wärmemenge zur Erwärmung der Prozessluft zur Verfügung, so dass insgesamt eine höhere Temperatur der erwärmten Prozessluft erreicht werden kann. Die höhere Porosität ermöglicht ferner, dass der Anteil der Solarstrahlung, der nach dem Auftreffen auf die Absorbermodule direkt in eine Richtung von den Absorbermodulen weg reflektiert wird, ebenfalls verringert wird. Auch dieser Anteil der Solarstrahlung gelangt somit ins Innere der Absorbermodule und kann für die Erwärmung der Prozessluft benutzt werden.
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Die auf die Absorbermodule auftreffende Solarstrahlung gelangt in den porösen Einlassbereich und anschließend in die Kanäle, in denen die Solarstrahlung nahezu vollständig absorbiert wird. Hohe Temperaturen der Absorbermodule entstehen somit erst innerhalb der Kanäle.
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Die Vorsprünge können stiftartig bzw. zinkenartig von den Kanalwandungen in Richtung zu der einstrahlenden Solarstrahlung abstehen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Kanäle geradlinig und in Richtung des Heißluftkanals erstrecken. Die Kanäle sind vorzugsweise parallel. Eine derartige Geometrie ist herstellungstechnisch mit relativ geringem Aufwand verwirklichbar, wobei gleichzeitig durch den geradlinigen Verlauf der Kanäle gewährleistet wird, dass die Prozessluft in vorteilhafter Weise und mit geringem Druckverlust durch die Absorbermodule strömen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Vorsprünge in ihrer Breitenrichtung stromaufwärts verjüngen. Unter ”Breitenrichtung” wird hierbei eine Richtung orthogonal zu der Strömungsrichtung verstanden. Dadurch wird erreicht, dass die Porosität in dem Einlassbereich durch in Strömungsrichtung zunehmendes Material aufgrund der Verdickung der Vorsprünge kontinuierlich abnimmt. Gleichzeitig wird die Stabilität der Vorsprünge verbessert.
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Die maximale Breite der Vorsprünge kann maximal die Hälfte der Kanalbreite eines Kanals betragen. Die maximale Breite kann bei einem Vorsprung beispielsweise in seinem Sockel sitzen.
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Die Kanalwandung eines Kanals kann eine Wandstärke aufweisen, die der Wandstärke eines der Vorsprünge entspricht. Mit anderen Worten: Vorsprünge besitzen die gleiche Wandstärke wie die Kanalwandung, an der die Vorsprünge angeordnet sind. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mindestens einer der Vorsprünge an einer Kreuzung von Kanalwandungen angeordnet ist, wobei der Vorsprung einen an die Kreuzung angepassten Sockel aufweist, der in eine Spitze übergeht. Die Spitze kann beispielsweise viereckig, vorzugsweise quadratisch sein. Die Vorsprünge besitzen somit teilweise einen kreuzförmigen Querschnitt und gehen jeweils in eine Spitze über. Eine derartige Ausgestaltung bietet eine hohe Stabilität der Vorsprünge.
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Die Kanäle können einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Kanäle symmetrisch ausgebildet, d. h. sie besitzen einen identischen Aufbau.
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Die Kanäle weisen vorzugsweise jeweils einen ersten und einen zweiten Kanalabschnitt auf, wobei sich der zweite Kanalabschnitt in Strömungsrichtung stromabwärts an den ersten Kanalabschnitt anschließt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der zweite Kanalabschnitt versetzt zu dem ersten Kanalabschnitt angeordnet ist. Mit anderen Worten: Die zweiten Kanalabschnitte sind verschachtelt zu den ersten Kanalabschnitten. Dadurch wird die Turbulenz der durch die Kanäle strömenden Prozessluft erhöht, so dass der Anteil des konvektiven Wärmeübergangs von den Absorbermodulen auf die Prozessluft verbessert wird.
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Die Kanäle können in mehrere Unterkanäle unterteilt sein. Durch die Unterteilung der Kanäle in Unterkanäle wird die Stabilität der Kanäle und Unterkanäle erhöht, so dass die Kanalwandungen von geringerer Dicke ausgebildet sein können als bei herkömmlichen Kanälen. Dadurch kann der durch die Unterkanäle gebildete Durchflussquerschnitt größer sein als bei herkömmlichen Kanälen. Die Absorbermodule weisen somit in dem Abschnitt, in dem die Kanäle in Unterkanäle unterteilt sind, eine höhere Porosität auf als Absorber mit herkömmlichen Kanälen. Dadurch ist der Extinktionsfaktor in diesem Bereich größer als bei herkömmlichen Kanälen. Vorzugsweise sind zwischen den Unterkanälen eines Kanals eine Trennwand bzw. Trennwände angeordnet. Trennwände erhöhen die Stabilität in vorteilhafter Weise.
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Insgesamt kann durch den Aufbau der Kanäle erreicht werden, dass die in diesen Bereich gelangende Solarstrahlung in vorteilhafter Weise tiefer in das Innere des Absorberkörpers eindringen kann, so dass erst in einem Bereich mit relativ großem Abstand, beispielsweise in dem Bereich ab 0,5 cm bis 1,15 cm Abstand von der Einstrahlungsseite des Absorberkörpers, hohe Temperaturen erreicht werden, wodurch das Risiko von Strahlungsverlusten an der Einstrahlungsseite verringert wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kanäle jeweils einen ersten und einen zweiten Kanalabschnitt aufweisen, wobei sich der zweite Kanalabschnitt in Strömungsrichtung stromabwärts an den ersten Kanalabschnitt anschließt und wobei eine Unterteilung in Unterkanäle im ersten Kanalabschnitt vorliegt. Mit anderen Worten: Die Absorberkörper weisen in Strömungsrichtung zunächst einen Einlassbereich auf, an den sich ein erster Kanalabschnitt anschließt. In dem ersten Kanalabschnitt werden die Kanäle gebildet, indem die Vorsprünge in vollständige Kanalwände übergegangen sind, wobei die Kanäle beispielswiese durch das Vorsehen von Trennwänden in Unterkanäle unterteilt sind. An den ersten Kanalabschnitt schließt sich ein zweiter Kanalabschnitt an, in dem die Kanäle nicht mehr in Unterkanäle unterteilt sind, jedoch dickere Kanalwandungen aufweisen. Dadurch können Abschnitte in Strömungsrichtung gebildet werden, in denen die Porosität abnimmt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Solarenergiegewinnungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Receiver,
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2 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Absorbermodul,
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3 eine perspektivische Darstellung mehrerer Kanäle eines Absorberkörpers eines erfindungsgemäßen Absorbermoduls und
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4 eine Sicht in mehrere Kanäle eines Absorberkörpers eines erfindungsgemäßen Absorbermoduls von der Einstrahlungsseite.
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In 1 ist eine Solarenergiegewinnungsanlage 100 schematisch dargestellt. Sonnenlicht wird über Heliostate 110 eines Heliostatfeldes 120 auf den erfindungsgemäßen Receiver 1 reflektiert. Der Receiver 1 ist als offener volumetrischer Receiver ausgeführt, wobei Luft aus dem Bereich vor der Frontseite 1a des Receivers angesaugt wird und die Prozessluft bildet. Die Prozessluft wird durch den Receiver 1 erhitzt und über Heißluftleitungen 130 einem Verbraucher zugeführt. Der Verbraucher kann beispielsweise ein Dampferzeuger 140 mit einem herkömmlichen Wasserdampfkreislauf 150 oder einem Wärmespeicher 160 sein. Über einen Luftrückführungssystem 170 wird die abgekühlte Prozessluft zum Receiver zurückgeführt.
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In 2 ist ein Absorbermodul eines erfindungsgemäßen Receivers schematisch in einer Seitenansicht gezeigt. Das Absorbermodul 11 weist einen Absorberkopf 13 und einen im Absorberkopf 13 aufgenommen frontseitigen Absorberkörper 17 auf, der mit konzentrierter Solarstrahlung bestrahlt wird. Der Absorberkörper 17 kann beispielsweise aus einer hochtemperaturbeständigen Keramik bestehen. Die Frontfläche 17a des Absorberkörpers 17 bildet die Strahlungsempfangsfläche. Durch den Absorberkörper 17 wird Umgebungsluft eingesaugt, die sich bei Durchgang durch den heißen Absorberkörper 17 erhitzt.
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Der Absorberkopf 13 mündet in einen Heißluftkanal 19.
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Wie in 2 schematisch angedeutet ist, weist der Absorberkörper mehrere Kanäle 21 auf, die in den Heißluftkanal 19 übergehen. Ein mehrere Kanäle 21 umfassender Ausschnitt ist in 3 schematisch in einer perspektivischen Darstellung und in 4 in einer schematischen Draufsicht, auf die die Frontfläche 17a bildenden Seite dargestellt.
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Die Ausgestaltung der Kanäle 21 wird mittels der 3 und 4 anhand eines von vier Kanäle 21 erläutert. Die Kanäle 21 eines Absorberkörpers 17 eines Absorbermoduls 11 können alle oder teilweise wie der in 3 und 4 dargestellte Kanal 21 ausgebildet sein.
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Die Kanäle 21 sind parallel und viereckig, in dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel quadratisch, ausgebildet.
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Die Kanäle 21 besitzen jeweils einen ersten Kanalabschnitt 21a und einen zweiten Kanalabschnitt 21b. Die Kanäle 21 sind von Kanalwandungen 23 begrenzt. Die zweiten Kanalabschnitte 21b der Kanäle 21 sind gegenüber den ersten Kanalabschnitten 21a versetzt. Mit anderen Worten: Die zweiten Kanalabschnitte 21b sind verschachtelt zu den ersten Kanalabschnitten 21a angeordnet. Dadurch wird die Turbulenz der durch die Kanäle 21 strömenden Prozessluft erhöht und somit der Wärmeübergang auf die Prozessluft verbessert.
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Die Absorbermodule 11 weisen einen Einlassbereich 25 auf, an den sich die Kanäle 21 in Strömungsrichtung stromabwärts anschließen. Die Strömungsrichtung ist in 3 durch einen Pfeil dargestellt. Der Einlassbereich ist durch Vorsprünge 27 gebildet, die in Strömungsrichtung stromaufwärts von den Kanalwandungen 23 vorstehen. Die Vorsprünge 27 sind stift- bzw. zinkenartig ausgebildet.
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In 3 ist ein Ausschnitt von vier Kanälen gezeigt, wobei ein Schnitt durch die Vorsprünge 27 und Kanalwandungen 23 im ersten Kanalbereich 21a erfolgt.
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Die Vorsprünge sind an Kreuzungen 23a der Kanalwandungen 23 angeordnet und weisen einen an die Kreuzung 23a angepassten, kreuzförmigen Sockel 27a auf. Die Vorsprünge 27 verjüngen sich in Strömungsrichtung stromaufwärts und laufen zu einer quadratischen Spitze 27b zu.
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Die Kanalwandung 23 kann eine Wandstärke D1 aufweisen, die der Wandstärke D2 eines der Vorsprünge 27 entspricht. Mit anderen Worten: Zwischen den Vorsprüngen 27 und den Kanalwandungen existiert kein Wandstärkensprung.
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Die erfindungsgemäße Struktur der Kanäle 21 der Absorbermodule mit vorgeschaltetem Einlassbereich 25 mit Vorsprüngen 27 ermöglicht eine Änderung der Porosität und somit des Extinktionsfaktors innerhalb der Absorbermodule in Strömungsrichtung. Somit wird die auftreffende Solarstrahlung erst in einem inneren Bereich der Absorbermodule stark absorbiert und die Temperatur der Absorbermodule im Bereich der Frontfläche 17a wird gering gehalten, wodurch Strahlungsverluste vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19744541 C2 [0002]
- DE 19740644 C2 [0005]
