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Sonnenkraftwerk
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Die Erfindung betrifft ein Sonnenkraftwerk mit einem Hohlraum-Solarerhitzer,
der durch eine Einstrahlungsöffnung mit der von einem Spiegelfeld gebündelten Reflexionsstrahlung
der Sonne beaufschlagt wird.
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Ein solches Sonnenkraftwerk ist zum Beispiel in einer Anzeige in der
Zeitschrift "Atomwirtschaft", Juli 1979, Seite A 187, dargestellt. Dabei soll die
Fläche der Einstrahlungsöffnung mit dem Brennfleck des Spiegel.
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feldes übereinstimmen, damit die Energie der Reflexionsstrahlung möglichst
vollständig in den Hohlraum-Solarerhitzer übergeleitet wird, ohne daß die von dem
Solarerhitzer auf Grund seiner eigenen Temperatur ausgehende Rückstrahlung durch
eine zu große Einstrahlungsöffnung unnötig entweichen kann.
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Die genaue Fokussierung der zu einem Spiegelfeld vereinigten Einzelspiegel
ist jedoch sehr aufwendig. In
übrigen ist auf Grund der statistisch
schwankenden Ausrichttmgs mgenauigkeiteri besonders bei großen Spiegelfeldern mit
mehreren tausend Spiegeln trotzdem nicht mit einem scharf begrenzten Brennfleck
zu rechnen. Die Strahlungsintensität dürfte vielmehr der Form einer Gauß'schein
Normalverteilung entsprechen, wenn auch in räumlicher, insbesondere rotationssymmetrischer
Form.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die mit dem Spiegelfeld erreichbare
Leistung eines Sonnenkraftwerkes der oben genannten Art zu optimieren, ohne daß
der gerätetechr.ische Aufwand unwirtschaftlich groß wird.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rand der Eins trab lungsöffnung
zur Veränderung des Querschnittes der Einstrahlungsöffnung in Anpassung an die Reflexionsstrahlung
verstellbar ist.
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Bei der Erfindung wird mit der Veränderung des Querschnittes eine
Anpassung an unvermeidliche Änderungen des Strahlenfeldes ermöglicht und damit die
gewUnschte Leistungsoptimierung erreicht. Darüber hinaus kann die nach der Erfindung
vorgesehene Veränderung des Querschnittes der Einstrahlungsöffnung sogar eine Verringerung
des Aufwandes für die Genauigkeit der Verstellung des Spiegelfeldes zur Folge haben.
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Dies ermöglicht dann größere Einsparungen als für die Veränderung
des Querschnittes der Einstrahlungsöffnung aufgewendet werden muß. Im einzelnen
wird dies anschließend noch näher erläutert.
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Die Leistungsbilanz des Hohlraum-Solarerhitzers setzt sich aus folgenden
Anteilen zusammen: 1. Strahlungsleistung, die vom Spiegelfeld durch die Einstrahlungsöffnung
eintritt.
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2. Wärmestrom, der von der inneren Hohlraumberohrung als Nutzwärwe
nach außen abgeführt wird und zum Beispiel eine Turbine betreibt.
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3. Strahlungsleistung, die aus dem Inneren des Hohlraums durch die
Einstrahlungsöffnung wieder herausgestrahlt wird.
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4. Konvektionserluste infolge Strömung erhitzter Luft aus der Einstrahlungsöffnung,
Wrmeleitungs-und Wärmestrahlungsverluste der äußeren Oberfläche des Hohlraumes nach
außen.
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Aus der vorstehenden Leistungsbilanz ergibt sich, daß das durch den
Aufwand für die Spiegelverstellung gegebene Problem der statistischen Streuung um
so grö-Ber ist, Je größer die Anlagenleistung und je flacher die zu erwartenae Gaußverteilung
1st.
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Außerdem gibt es das Problem der dynamischen Streuung durch das systematische
Abwandern der Brennfleckmitte aus der Einstrahlungsöffnung, das insbesondere durch
Windkräfte auf das Spiegelfeld oder Bewegungen des üblicherweise auf einem Turm
sitzenden Solarerhitzers verursacht wird. Dieses Problem ist um so gravierender,je
größer die Anlagenleistung und je steiler der Verlauf der Gaußverteilungskurve ist.
Hieraus können sich sogar Gefahren für die Betriebsführung durch lokale Überhitzung
in Randbereichen der Einstrahlungsöffnung ergeben.
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Mit der Erfindung lassen sich die beiden Probleme lö-
sen.
Dabei kann die Leistungsoptimierung mit der Erwindung zu un-terschizdlichen Betriebsverhältnissen
führen. Zum Beispiel wird man eine kleine Öffnung, gegebenenfalls unter Einsatz
einer verringerten Spiegelzahl, zur Vorwärmung des Hohlraum-Solarerhitzers, vielleicht
auch bei gleichzeitiger Vorwärmung des von dem Sonnenkraftwerk beheizten Gas- oder
Dampfkreislaufes, verwenden.
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Ferner kann man den Hohlraum-Solarerhitzer unter Verstellung des Querschnittes
der Einstrahlungsöffnung mit verschiedenen Betriebstemperaturen fahren. Damit kann
man sich der unterschiedlichen Intensität der oonnenstrahlung im Tagesverlauf anpassen.
So kann man insbesondere die Einstrahlungsöffnung im Bereich der niedrigen Temperaturen
am Morgen und Abend größer machen, weil die Rückstrahlungsenergie temperaturabhängig
kleiner ist als bei der maximalen Temperatur am Mittag, der eine kleinere Einstrahlungsöffnung
zuzuordnen ist.
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Darüber hinaus kann man als Veränderung des Querschnittes der Einstrahlungsöffnung
auch für eine gegebene Große die Form variieren, um zu berücksichtigen, daß der
Verlauf von Linien gleicher Strahlungsintensität sich während des Weges der Sonne
nicht äquidistant ändern muß, so daß eine Anpassung an eine sich ändernde Form des
Brennfleches gelingt.
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Zur Veränderung des Querschnittes der Einstrahlungsöffnung sind verschiedene
technische Lösungen geeignet. Zum Beispiel kann man flexible Wandteile einsetzen,
die durch Rolljalousetten, Faltwände oder dergleichen gebildet werden. Im Hinblick
auf die zu
erwartenden hohen Temperaturen von mehreren 1000C kann
es jedoch vorteilhafLer sein, wenn der Rand mindestens zwei relativ zueinander bewegte
starre flächenhafte Randstücke aufweist, die mechanisch weniger empfindlich sein
können. Dabei soll mit flächentaft gemeint sein, daß der Querschnitt der Randstücke
groß ist gegenüber der Dicke und mindestens ein zwanzigstel des Querschnitts der
Einstrahlungsöffnung beträgt.
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Die Randstücke können vorteilhaft paarweise in einer vorzugsweise
gemeinsamen Schienenanordnung gegeneinander verschiebbar sein. Dabei läßt sich mit
zwei Paaren mit rechtwinklig zueinander liegenden Schienenachsen schon eine filr
nahezu alle Fälle ausreichende Verstellbarkeit der Einstrahlungsöffnung erzielen.
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Daneben ist es aber auch möglich, die Zahl der Randstücke zu vergrößern,
um beispielEweise auf ein Polygon mit 6, 8 oder noch mehr Ecken zu kommen.
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Die Randstücke können vorteilhaft einen kreisförmigen Querschnitt
der Einstrahlungsöffnung begrenzen.
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Dies soll bedeuten, daß ihre den Rand bildende Kontur ein Kreisbogen
ist und daß die Kreisbögen in einer definierten Stellung der Randstücke, beispielsweise
bei einer mittleren Querschnittsfläche, einen gesohlossenen Kreis bilden.
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Für die starre Ausbildung der Randstücke ist es besonders leicht zu
verwirklichen, daß die Randstücke in Weiterbildung der Erfindung mit Rohren für
ein Kühlmittel versehen sind. Ein solches Kühlsystem kann dazu dienen, durch Wärmeabfuhr
Überhitzungen zu
vermeiden und die mechanische Unversehrheit der
Einstrahiungsöffrning sicherzustellen. Darüber hinaus kann damit auch die Sonnenenergie
ausgenutzt werden, die außerhalb des Querschnittes der Einstrahlungsöffnung auf
deren Rand fällt. Dieser Teil der Reflexionsstrahlung kann in einem eigenen Arbeitskreis
verwertet oder aber in einen Kühlkreis eingekoppelt werden, der von dem tiohlraum-Solarerhitzer
gespeist wird.
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Zur näheren Erläutertmg der Erfindung werden anhand der beiliegenden
Zeschmsung Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Dabei zeigt die Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht eines Sonnenkraftwerkes
mit einer Einstrahlungsöffnung, die Fig. 2 und 3 Ausdhrungsformen der Einstrahlungsöffnung
mit zwei gegeneinander beweglichen Randstücken, die Fig. 4 und 5 eine Einstrahlungsöffnung
mit vier gegeneinander beweglichen Randstücken in zwei verschiedenen Stellungen.
Die Fig. 6 zeigt eine Einstrahlungsöffnung mit vier durch eine Schwenkbewegung s-erstelltaren
Randstücken.
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Das in Fig. 1 dargestellte Sonnenkraftwerk umfaßt einen Turm 1, der
sich zum Beispiel um mindestens vierzig Meter über den Erdboden 2 erhebt. Der Turm
1 trägt an seinem oberen Ende 3 einen oder mehrere Hohlraum-Solarerhitzer 4 und
5. Die Solarerhitzer sind im Prinzip Bündel flächenhaft verteilter Rohre, die Sonnenwärme
aufnehmen und an ein die Rohre durchströmendes Kühlmittel abgeben. Zu diesem Zweck
sind die Solarerhitzer in Parallelschaltung an die Druckleitung 6 eines Kompressors
7 angeschlossen, der beim Aus-
führungsbeispiel Luft als Kühlmittel
fördert.
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Der Kompressor 7 ist über eine Welle 8 mit einer Gasturbine 9 verbunden.
Zu dieser führen die Heißgasleitungen 11 und 12 der beiden Solarerhitzer 4 und 5.
Das daraus austretende und die Gasturbine 9 antreibende heiße Gas (Luft) passiert
im Verlauf seines Gaskreises 13 nach der Gasturbine 9 einen Wärmetauscher 14 eines
Dampfkreislaufes 15, bevor es über einen Abluftkamin 16 aus der Kammer 3 austritt.
Der Gaskreislauf 13 schließt sich dann über die freie Atmosphäre, aus der der Kompressor
7 ansaugt.
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Von dem Dampfkreislauf 15 ist zu sehen, daß die von dem als Dampferzeuger
dienenden Wärmetauscher 14 nach unten führende Frischdampfleitung an einer am Erdboden
2 angeordneten Dampfturbine 17 endet. Aus dieser austretender Dampf wird mit einer
Leitung 18 in einen Trockenkühlturm 19 geführt, der mit dem Turm 1, wie dargestellt,
baulich vereinigt ist. Dort kondensiert das Kühlmittel und gelangt als Speisewasser
wieder zum Wärmetauscher 14.
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Die Dampfturbine 17 treibt einen elektrischen Generator 20 mit einer
Leistung von zum Beispiel 6 MWe. Mit der Welle 8 der Gasturbine 9 ist außer dem
Kompressor 7 noch ein Generator 21 mit einer Nennleistung von zum Beispiel 14 MWe
verbunden.
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Die Solarerhitzer 4 und 5 werden von zwei symmetrischen Spiegelfeldsegmenten
beaufschlagt, die am Fuß des Turmes 1 angeordnet sind. Davon sind in Fig. 1 nur
für ein Spiegelfeldsegment 23 die schematisch
dargestellten Einzelspiegel
24, 25 und 26 gezeichnet, welche die parallel einfallenden Sonnenstrahlen 27 als
gebündelte Reflexionsstrahlung 28 durch eine Einstrahlungsöffnung 29 in einer Hohlraumwand
30 auf den Solarerhitzer 4 richten. Eine gleichermaßen gebündelte Reflexionsstrahlung
32 beaufschlagt durch eine zweite Einstrahlungsöffnung 33 den Solarerhitzer 5.
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Der Rand 38 der Einstrahlungsöffnungen 29, 33 ist zur Anpassung an
die Reflexionsstrahlung 28, 32 verstellbar.
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Nach Fig. 2 weist die Einstrahlungsöffnung 29 zwei flächenhafte Randstücke
40 und 41 auf, die in einem geradlinigen Schienenpaar 42 mit den Schienen 43 und
44 in Richtung der Pfeile 45 und 46 gegeneinander verschiebbar sind. Die Konturen
der einander zugekehrten Randbereiche 48 und 49 sind in Form eines rechten Winkels
mit der Achse des Schienenpaars 42 als Winkelhalbierender ausgeführt. Deshalb ergibt
sich eine quadratische Querschnittsfläche für die Einstrahlungsöffnung 29, wenn
sich die Randstücke 40, 41 berühren oder überlappen. Die Querschnittsgröße kann
bei Bedarf bis auf Null zu verringern sein, so daß der Hohlraum-Solarerhitzer abgeschlossen
wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind wiederum zwei flächenhafte
Randstücke 40' und 41' vorhanden, die in dem Schienenpaar 42' ebenfalls geradlinig
verstellbar sind. Die Randbereiche 48' und 49' haben jedoch eine elliptische Kontur.
Dabei ist ebenso wie für die Randstticke nach der Fig. 2 angenommen, daß auch eine
Uberdeckung der Randstücke 40', 41' möglich ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind auf zwei recht-
winklig
zueinander liegenden geradlinigen Schienenpaaren 50 und 51 mit parallelen Schienen
52, 53 bzw.
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54, 55 vier gleiche Randstücke 56, 57, 58 und 59 verstellbar. Die
einander zugekehrten Randbereiche 60, 61, 62 und 63 haben Kreisbögen gleicher Krümmung
als Kontur und bilden in der in Fig. 4 dargestellten Lage mit dem maximalen Querschnitt
der Einstrahlungsöffnung 29 einen geschlossenen Kreis. Bei der in Fig. 5 dargestellten
verkleinerten Querschnittsfläche der Öffnung 29 überlappen sich die Randstücke 56,
57, 58 und 59 dagegen in der dargestellten Weise.
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Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der vier sichelartige Randstücke
70, 71, 72, 73 an Armen 75, 76, 77 und 78 paarweise gegenüberliegend schwenkbar
angeordnet sind. An dem freien Ende der Arme sind die Schwenkachsen 80, 81, 82 und
83 angedeutet. Die Schwenkbewegung ist durch Pfeile 85, 86, 87 und 88 dargestellt.
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Bei den vereinfachten Darstellungen der Ausführungsbeispiele ist nicht
gezeichnet, daß die Randstücke Rohre zur Führung eines Kühlmittels tragen. Auch
die Antriebe zur Verstellung sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Sie können
für die einfache geradlinige Verschiebung, die keine großen Kräfte erfordert, zum
Beispiel in Form einer elektromotorisch angetriebenen Spindel mit einer Wandermutter
oder als hydraulischer Antrieb mit Kolben und Zylinder ausgeführt sein. Durch Ketten,
Seilzüge oder gleichwertige Ubertragungsmittel kann man dabei sicherstellen, daß
empfindliche Antriebsteile nicht der Reflexionsstrahlung ausgesetzt sind. Für die
Schwenkung eignen sich zum Beispiel Schneckengetriebe besonders gut.
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6 Patentansprüche 6 Figuren