DE2825775A1 - Solarfarm - Google Patents

Solarfarm

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DE2825775A1 DE19782825775 DE2825775A DE2825775A1 DE 2825775 A1 DE2825775 A1 DE 2825775A1 DE 19782825775 DE19782825775 DE 19782825775 DE 2825775 A DE2825775 A DE 2825775A DE 2825775 A1 DE2825775 A1 DE 2825775A1
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Veit Merges
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

Die Erfindung betrifft eine Solarfarm mit flächig verteilten, insbesondere nachführbaren Strahlungskonzentratoren, in deren Brennpunkten die Strahlungsabsorption stattfindet und einem Wärmespeicher.
Solarfarmen der bezeichneten Art sind bekannt, sie dienen meist der Versorgung von Solarkraftwerken mit Energie. Bei diesem Strahlungssammelkonzept wird sowohl gasförmiges als auch flüssiges Medium zum Wärmetransport von den Brennpunkten weg zu einem zentralen Verbraucher verwendet, überwiegend jedoch flüssiges Medium. In jedem Fall sind meist mehrere 100 m lange Transportleitungen mit thermisch hervorragender Isolation erforderlich. Da die Betriebstemperatur des erhitzten Mediums durchaus zwischen 300 und 500 C beträgt, sind die Anforderungen an die Leitungstechnik, Dichtungen und Armaturen außerordentlich hoch. Das Umwälzen des Wärmeträgers muß mit Pumpen bewerkstelligt werden, die zusätzliche Energie verbrauchen. Die Leitungen mit dem darin befindlichen Wärmeträger stellen eine erhebliche Wärmekapazität dar, welche die Nutzleistung beeinträchtigt. Die Wärmeträger sind schließlich schlechte Speichermedien, so daß großvolumige Speicher mit entsprechenden Isolationsproblemen u. dgl. notwendig werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Solarfarm der genannten Art eine neue Form des Absorbers zu finden, der die genannten Nachteile nicht aufweist und leicht zu transportieren ist.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß als Absorber je Konzentrator bewegliche Kugeln mit hoher Wärmekapazität dienen, daß die
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Kugeln mittels Haltevorrichtung bis zum Erreichen ihrer Solltemperatur in der Bestrahlungsposition verbleiben, daß die Konzentratoren mit einem Zu- und Abrollsystem für den Transport der Kugeln versehen sind, und daß die Rollbahnen zu einem Wärmespeicher bzw. von diesem zu den Konzentratoren führen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Kugeln vom Material her so zu gestalten, daß die Kugeln als Medium für den Wärmespeicher nutzbar sind.
Die Kugeln werden eine bestimmte Zeit zum Aufheizen im Brennpunkt festgehalten, dann ist vorgesehen, daß die Freigabe der Kugel aus der Bestrahlungsposition über elektrische Temperaturfühler oder thermomechanisch erfolgt.
Um die Zeit während der die Bestrahlungsposition unbesetzt ist, vernachlässigbar klein zu halten, ist die Anlage so ausgestattet, daß das Zu- und Abrollsystem vor jedem Konzentrator eine Weiche und eine Warteposition aufweist, und daß die Weiche in Abhängigkeit vcn der Belegung der Warteposition steuerbar ist.
Sobald die Bestrahlungsposition frei ist, soll die nächste Kugel rasch eingeführt werden, welches dadurch bewerkstelligbar ist, daß durch die Freigabe einer im Brennpunkt befindlichen Kugel die in der Warteposition befindliche Kugel freigebbar ist.
Der Transport der Kugeln vom Wärmespeicher zum Absorber soll
möglichst energiesparend vor sich gehen, daher ist vorgesehen,
daß die Zurollbahnen mit natürlichem Gefälle zu den Konzentratoren führen.
Das Zu- und Abrollsystem ist in einer ersten Ausbildung dergestalt, daß es aus geschlossenen, wärmeisolierten Rohren besteht.
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Das natürliche Gefälle ist an sich ausreichend, bei besonders langen Wegen oder anderen Gründen erfolgt statt eines natürlichen Gefälles oder auch zur Unterstützung dessen Wirkung bei geschlossenen Rohren der Transport der Kugeln durch das Rollsystem mittels Druckluft.
Bei geringeren Ansprüchen ist vorgesehen, daß das Zu- und Abrollsystem aus offenen Rinnen besteht.
In diesem Fall ist neben oder statt des natürlichen Gefälles vorgesehen, daß der Transport der Kugeln durch das Rollsystem mittels Kettenantrieb erfolgt.
Eine einfache Ausbildung der Solarfarm sieht vor, daß aufgeheizte Kugeln zur Oberseite des Speichers geführt werden und aufzuheizende Kugeln an der Unterseite entnehmbar sind.
Der Wärmespeicher kann im Untergrund eingelassen sein oder aber auch freistehend an der Oberfläche. Für den Transport der Kugeln ist vorgesehen, daß am oder im Wärmespeicher für die den Speicher verlassenden Kugeln ein Niveau-Lift zu den Zurollbahnen vorhanden ist.
Aufgeheizte Kugeln sollen der Oberseite des Speichers zugeführt werden. Bei Speicheranordnungen oberhalb einer bestimmten Höhe ist im Wärmespeieher ein Niveau-Lift für in den Speicher eintretende Kugeln vorhanden.
Ein- und Austritt von Kugeln ist zur ständigen Versorgung der Konzentratoren derart organisiert, daß mit jeder in den Speicher eintretenden Kugel eine Kugel aus dem Speicher entnehmbar ist.
Weiter ist vorgesehen, daß die Konzentratoren in bezug auf den Wärmespeicher in Reihe und daß bei Vorhandensein mehrerer Reihen diese parallel geschaltet sind.
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Um Druckverluste im Speicher weitestgehend zu vermeiden, sind Kugelein- und -austritt am Wärmespeicher als Druckschleusen ausgebildet und sind entsprechend der Anzahl der Konzentratoren bzw. Konzentratorenreihen mehrere Druckschleusen vorhanden.
Die Wärmekapazität des Speichers kann durch die Zahl der dort befindlichen Kugeln variiert werden, so daß der Wärmespeicher mit einer zusätzlichen Anzahl Kugeln in Abhängigkeit von der geforderten Kapazität gefüllt ist.
Der Entzug der Wärme aus dem Speicher wird bevorzugt dadurch bewerkstelligt, daß dem Wärmespeicher die Wärme mittels gasförmigem Medium entzogen wird.
Zur Unterstützung des natürlichen Auftriebes ist vorgesehen, daß das Entnahmegas mittels Gebläse durch den Kugelhaufen tritt und einem Wärmetauscher zuführbar ist.
Energieschonend ist es, daß der Wärmetauscher im Innern des Wärmespeichers angeordnet ist.
Im Speicher wird günstig die Gaszirkulation dadurch beeinflußt, daß der Wärmespeicher einen inneren, die Kugeln aufnehmenden Raum und einen den Durchtritt des Wärmetransportgases gestattenden Zwischenraum aufweist.
Mit der neuartigen Solarfarm sind große Vorteile verbunden. So ist u.a. zu nennen, daß statt temperaturfester, isolierter Wärmetransportleitungen Kugelbahnen ohne Wärmebelastung eingesetzt werden. Die Vorheizzeiten werden auf ein Minimum reduziert. Wärmeverluste während des Transportes der Kugeln sind vernachlässigbar. Die Temperaturregelung kann einfach und sicher für jeden Konzentrator ohne Einfluß auf die benachbarten vorgenommen werden. Das Speichervolumen wird klein gehalten bei geringen thermischen Verlusten. Die ganze Anlage ist extrem wartungsfreundlich. Der Bedarf an Hilfsenergie ist minimal.
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Die Erfindung ist anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer Solarfarm; Fig. 2 einen Wärmespeicher.
Eine Solarfarm 10 besteht aus einer Anzahl von Konzentratoren 11a, b,n, beispielsweise Faraboloidspiegeln. Die Spiegel sind in bekannter, nicht näher dargestellter Art dem Sonnenstand nachführ-· bar. Im Brennpunkt befinden sich Kugeln 12 in der Bestrahlungsposition. Eine einfache Haltevorrichtung 13a,b,n, z.B. in Form eines vertieften Bleches ist über einen elektrischen oder thermomechanischen Fühler bei Erreichen einer bestimmten Temperatur auslösbar und gibt die aufgeheizte Kugel frei.
Gleichzeitig mit der Freigabe der aufgeheizten Kugel wird aus einer Warteposition 1^a, b,n eine kalte Kugel in die Bestrahlungsposition übernommen. Die Zuführung der Kugeln 12 zu den Konzentratoren erfolgt über ein Zu- und Abrollsystem 16. In der Zurollbahn 17 sind Weichen 15a,b integriert, welche ihrerseits über die Belegung der Warteposition gesteuert werden. Ist diese, wie die Position 14b, frei, so stellt sich die Weiche 15b auf Abzweigen und eine Kugel 12 gelangt dorthin.
Die Zu- und Abrollbahnen 17,18 beginnen bzw. enden bei einem Wärmespeicher 19 (s.a. Fig. 2). Das System 16 ist so ausgelegt, daß ein natürliches Gefalle vom Speicher zu den Spiegeln in der Rollbahn 17 und zurück in der Rollbahn 18 vorhanden ist.
Heiße Kugeln werden der Oberseite des Speichers über einen Lift 20 zugeführt, kalte Kugeln an der Unterseite mittels Lift 21 angehoben. Eine Schleuse 22 verhindert Druckverluste im Wärmespeicher 19 bei Einführung bzw. Entnahme von Kugeln 12.
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-AO-
Der Wärmespeicher 19 gemäß Fig. 2 besteht aus einem wärmeisolierendem Außenmantel 23. Ein Innenraum 24 ist mit Kugeln 12 angefüllt, wobei im unteren Bereich ein Trichter ausgebildet ist. Zwischen Innenraum 24 und Außenmantel 23 ist ein Zwischenraum angeordnet, durch welchen das dem Wärmeentzug dienende Gas geführt wird.
Im oberen Bereich des Innenraumes 24 befindet sich ein Wärmetauscher 26 mit Leitungen zur Außenwelt, im unteren Bereich ein Gebläse 27 mit Motor 28. Der Lift 20 für die heißen Kugeln ist im Inneren des Speichers angeordnet, der Lift 21 für kalte Kugeln an der Außenseite. Schließlich ist ein motorgetriebenes Ventil 29 zur Belüftung vorgesehen.
Heiße Kugeln gelangen über die Abrollbahn 18 in den Speicher und werden vom Lift 20 übernommen und zur Oberseite geführt. Infolge der Entnahme von Kugeln an der Unterseite zum Lift 21 und weiter in die Zurolleitung 17, gelangen die heißen Kugeln wieder zur Unterseite. Während ihrer Verweilzeit im Speicher wird mittels Gebläse 27,28 ein gasförmiges Medium, z.B. Luft, an den Kugeln vorbeigeführt und entzieht diesen die Wärme und gelangt zum Wärmetauscher 26, welcher wiederum dem Gas die Wärme zur weiteren Nutzung, etwa in einem Kraftwerk, entzieht.
Eine als Absorber geeignete Kugel besteht aus einer hermetisch verschweißten Kugelhülle aus Stahl und ist mit einem Latentspeichermedium gefüllt, z.B. LiF/LiCl. Der Kugeldurchmesser beträgt 140 mm bei einem Konzentratordurchmesser von 4 m. Daneben können aber auch Kugeln aus anderen geeigneten Materialien und Abmessungen innerhalb der Erfindung verwendet werden.
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-M-
e e r s e
it

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    Solarfarm mit flächig verteilten, insbesondere nachführbaren Strahlungskonzentratoren, in deren Brennpunkten die Strahlungsabsorption stattfindet und einem Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet , daß als Absorber je Konzentrator (11a,b,n) bewegliche Kugeln (12) mit hoher Wärmekapazität dienen, daß die Kugeln mittels Haltevorrichtung (13a,b,n) bis zum Erreichen ihrer Solltemperatur in der Bestrahlungsposition verbleiben, daß die Konzentratoren mit einem Zu- und Abrollsystem (16) für den Transport der Kugeln versehen sind, und daß die Rollbahnen zu einem Wärmespeicher (19) bzw. von diesem zu den Konzentratoren führen.
    Solarfarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kugeln (12) als Medium für den Wärmespeicher (19) nutzbar sind.
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    ORIGINAL INSPECTED
    83^3 - Z-
    -4-
    3. Solarfarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Freigabe der Kugel aus der Bestrahlungsposition über elektrische Temperaturfühler oder thermomechanisch erfolgt.
    4. Solarfarm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Zu- und Abrollsystem (16) vor jedem Konzentrator (11a,b,n) eine Weiche (15a,b) und eine Warteposition (I4a,b,n) aufweist und daß die Weiche in Abhängigkeit von
    der Belegung der Warteposition steuerbar ist.
    5- Solarfarm nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichn e t , daß durch die Freigabe einer im Brennpunkt befindlichen Kugel die in der Warteposition befindliche Kugel
    freigebbar ist.
    6. Solarfarm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Zurollbahnen (17) mit natürlichem Gefälle
    zu den Konzentratoren (11a,b,n) führen.
    7. Solarfarm nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Abrollbahnen (18) mit natürlichem Gefälle
    zum Wärmespeicher (19) führen.
    8. Solarfarm nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Zu- und Abrollsystem (16) aus
    geschlossenen, wärmeisolierten Rohren besteht.
    9. Solarfarm nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Transport der Kugeln (12) durch das Rollsystem (16) mittels Druckluft erfolgt.
    10. Solarfarm nach Anspruch 6 und/oder Anspruch 7, dadurch
    gekennzeichnet , daß das Zu- und Abrollsystem (16) aus offenen Rinnen besteht.
    /3
    9098 5 1/0204 ,
    11. Solarfarm nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Transport der Kugeln (12) durch das Rollsystem (16) mittels Kettenantrieb erfolgt.
    12. Solarfarm nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß aufgeheizte Kugeln (12) zur Oberseite des Speichers (19) geführt werden und aufzuheizende Kugeln an der Unterseite entnehmbar sind.
    13- Solarfarm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß am oder im Wärmespeicher (19) für die den Speicher verlassenden Kugeln ein Niveau-Lift (21) zu den Zurollbahnen (17) vorhanden ist.
    14. Solarfarm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß im Wärmespeicher (19) ein Niveau-Lift (20) für in den Speicher eintretende Kugeln (12) vorhanden ist.
    15· Solarfarm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß mit jeder in den Speicher (19) eintretenden Kugel eine Kugel aus dem Speicher entnehmbar ist.
    16. Solarfarm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Konzentratoren in bezug auf den Wärmespeicher (19) in Reihe und daß bei Vorhandensein mehrerer Reihen diese parallel geschaltet sind.
    17- Solarfarm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß Kugelein- und -austritt am Wärmespeicher (19) als Druckschleuse (22) ausgebildet ist und daß entsprechend der Anzahl der Konzentratoren bzw. Konzentratorenreihen mehrere Druckschleusen vorhanden sind.
    909851/0204
    63^3 - y -
    'k-
    18. Solarfarm nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmespeicher (19) mit einer zusätzlichen Anzahl Kugeln in Abhängigkeit von der geforderten Kapazität gefüllt ist.
    19· Solarfarm nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß dem Wärmespeicher die Wärme mittels gasförmigem Medium entzogen wird.
    20. Solarfarm nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß das Entnahmegas mittels Gebläse (27) durch den Kugelhaufen tritt und einem Wärmetauscher (26) zuführbar ist.
    21. Solarfarm nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher (26) im Innern des Wärmespeichers (19) angeordnet ist.
    22. Solarfarm nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet ,daß der Wärmespeicher (19) einen inneren, die Kugeln aufnehmenden Raum (24) und einen den Durchtritt des Wärmetransportgases gestattenden Zwischenraum (25) aufweist .
    23· Solarfarm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kugeln (12) hermetisch geschlossene Hüllen sind und eine Füllung aus Latentspeichermaterial aufweisen.
    2h. Solarfarm nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Kugelhülle aus verschweißtem Stahl besteht und daß als Füllung LiF/LiCl verwendet wird.
    909851/0204
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