DE4329643A1 - Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Art von Empfänger für konzen­ trierte Solarstrahlung mit einer schmelzflüssigen Phase als Absorber, wobei die Energie der Schmelze in einer vom Empfängerraum getrennten, geschlossenen Reaktionskammer an eine Wärmesenke abgegeben wird.

Nach dem bisherigen Stand der Technik werden Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung vorwiegend für die Aufheizung von Wärmeträgern wie Luft, Wasser oder Salzschmelzen und die anschließende Erzeugung von elektrischer Energie in einem Kraftwerkprozeß genutzt. Neben diesen rein thermischen Anwendungen haben sich verschiedene Untersuchungen in den letzten Jahren mit der direkten Nutzung solarer Energie zur Durchführung endothermer chemischer Reaktionen befaßt. Ziel ist es hierbei, die zum Ablauf eines endothermen chemischen Prozesses notwendige Reaktionswärme direkt über konzentrierte solare Strahlung zur Verfügung zu stellen. Im Falle fluider Reaktionspartner arbeiten die hierfür verwendeten Empfänger bzw. Reaktoren in der Regel mit einem indirekten Wärme­ austausch. Die für die Reaktion notwendige Wärme wird über eine direkt bestrahlte Rohrwand oder ein direkt bestrahltes Draht- oder Keramikgeflecht an die fluiden Edukte übertragen. Im Falle eines festen Ausgangsproduktes kann z. B. ein von Imhof vorgeschlagenes Reaktorkonzept genutzt werden (A. Imhof, Solar Energy Materials 24 (1991), Seiten 733 bis 741).

Prozesse, die bei Temperaturen von mehr als 1000°C ablaufen, können aus werkstofftechnischen Gründen nur mittels einer Direktabsorption realisiert werden. Arbeiten zur Direktabsorp­ tion in schmelzflüssigen Medien beschränken sich auf den Einsatz von Salzschmelzen in einem Fallfilmabsorber bei Temperaturen von 500-600°C (M. Becker, Solar Thermal Central Receiver Systems, Band 2, Springer Verlag 1986). Hier findet jedoch keine Reaktion statt, sondern die Energie der Schmelze wird zur Erzeugung von Wasserdampfin einem nachgeschalteten Wärmeaustauscher genutzt. Entstehen bei einem mittels Direkt­ absorption realisierten Prozeß giftige oder umweltgefährdende Stoffe, ist mit einem geschlossenen Empfänger zu arbeiten, d. h. die Einstrahlöffnung ist mit einem strahlungsdurch­ lässigen Medium zu verschließen. Hierbei ergeben sich im Temperaturbereich von über 1000°C erhebliche Probleme, da es nach dem heutigen Stand der Technik nicht möglich ist, Quarz­ glasfenster in technisch relevanten Abmessungen herzustellen, die den praktischen Bedingungen Stand halten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung das Ziel, einen Empfänger bzw. Reaktor zu schaffen, der einen offenen Empfängerraum für solare Strahlung aufweist und gleichzeitig den Ablauf chemischer und physikalischer Prozesse in einer geschlossenen Reaktionskammer ermöglicht. Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die im vorerwähnten Stand der Technik erläuterte Werkstoffproblematik hinsichtlich der Stabilität und der Einsatzgrenzen eines strahlungstrans­ parenten Mediums vermieden wird und dennoch Prozesse unter Bildung von umweltgefährdenden oder giftigen Stoffen in einer geschlossenen Reaktionskammer durchgeführt werden können. Hierbei kann mit Temperaturen gearbeitet werden, die im Hochtemperaturbereich liegen und 1000°C deutlich überschrei­ ten. Des weiteren ist trotz der offenen Ausführung des Empfängers der Einsatz einer fossilen Zusatzheizung in der geschlossenen Reaktionskammer möglich.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt des Apparates dargestellt. Durch die offene Einstrahlöffnung 1 kann konzentrierte solare Strahlung von oben in die Empfängerkammer 2 eintreten. Die Strahlung trifft im stationären Betriebszustand auf eine Schmelze 3 und wird teilweise absorbiert. Der Füllstand im Empfänger ist so zu wählen, daß der Durchlaß 4 vollständig unterhalb der Schmelzbadoberfläche liegt. Die innere Wandung aus Feuerfestmaterial 5 taucht somit stets in die Schmelze ein. Die Reaktionskammer 6 ist hierdurch während des Betriebes von der Empfängerkammer 2 abgetrennt. Die Wärmesenke 7 befindet sich in der Reaktionskammer 6 und wird bevorzugt aus einer Feststoffschüttung bestehen, die mit der Schmelze reagiert bzw. die Wärmeenergie der Schmelze nutzt. Im unteren Teil der Reaktionskammer 6 ist eine Abstichöffnung 8 oder sind mehrere Abstichöffnungen für die Schmelze vorhanden. Die Reaktionskammer 6 weist im oberen Teil Austrittsöffnungen 9 für die bei der Reaktion entstehenden Gase auf.

In Fig. 1 ist der Durchmesser der Eintrittsöffnung 1 für die konzentrierte Sonnenstrahlung kleiner als der Durchmesser bzw. die Breite der Empfängerkammer 2, was einer Ausführungsform gemäß dem Unteranspruch 2 entspricht. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die von der Schmelzbadoberfläche abgegebene Wärmestrahlung durch wiederholte Reflexion bzw. durch Absorption an den Seitenwänden und am Gewölbe 10 zu einem großen Teil in der Empfängerkammer verbleibt. Die Abstrahlverluste des Apparates können so verringert und ein insgesamt besserer energetischer Wirkungsgrad erreicht werden. Ob eine Ausführungsform gemäß Patentanspruch 1 oder Unter­ anspruch 2 gewählt wird, hängt vom Strahlengang der ein­ tretenden gebündelten Solarstrahlung ab.

Im Anfahrvorgang wird zunächst eine Feststoffschüttung mit konzentrierter solarer Strahlung eingeschmolzen. Die Schmelz­ front breitet sich dabei langsam nach außen aus, so daß sich die Schmelzphase im gesamten Apparat ausbreitet. Die innere Wand 5 wirkt hierbei als Tauchung und trennt die Reaktions­ kammer 6 von der Empfängerkammer 2. Der Energietransport innerhalb der Schmelze erfolgt durch Wärmeleitung sowie durch freie Konvektion. Im Falle eines strahlungsdurchlässigen Mediums kommt der Strahlungsenergieaustausch hinzu. Die freie Konvektion wird durch die herrschenden Temperaturunterschiede im Apparat in Gang gesetzt. Die sich einstellenden Strömungs­ verhältnisse sind in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet. Infolge der höheren Dichte sinkt die Schmelze 3 in der Nähe der Wandung ab, wodurch in den heißeren Zonen eine aufsteigende Bewegung ausgelöst wird. Es kommt somit zu einer Quellströmung in der Mitte der Empfängerkammer 2, die laufend kältere Schmelze an die Schmelzbadoberfläche transportiert. Ähnliche Strömungsverhältnisse werden z. B. in den Wannenöfen der Glasindustrie beobachtet. Unterstützt wird die Konvektions­ bewegung durch die in der Reaktionskammer 6 befindliche Wärmesenke 7. Des weiteren kann durch die Abstichöffnungen 8 in der Reaktionskammer 6 eine Entnahmeströmung erzeugt werden, die die Umwälzung der Schmelze 3 verbessert. Eine weitere kon­ vektionsunterstützende Maßnahme ist das Eindüsen von Inertgas in die Empfängerkammer 2 über am Boden befindliche Düsen. Diese Betriebsweise des Apparates ist im Unteranspruch 5 angesprochen.

Sobald die Schmelze die Wärmesenke 7 in der Reaktionskammer 6 erreicht, beginnt der chemische oder physikalische energie­ aufnehmende Prozeß. Hierbei kann z. B. aus einer Feststoff­ schüttung ein schmelzflüssiges Produkt gebildet werden, so daß bei der Reaktion gleichzeitig die im Empfänger verwendete Schmelze entsteht. Ein derartiger Betrieb ist im Unteranspruch 6 formuliert. Als Beispiel kann die Erzeugung von Calciumcar­ bid aus Calciumoxid und Kohlenstoff genannt werden. Hierbei löst sich Calciumoxid in flüssigem Calciumcarbid und reagiert mit festem Kohlenstoff zu Calciumcarbid, wobei Kohlenmonoxid freigesetzt wird. Das entstehende Kohlenmonoxid kann abgesaugt und einer weiteren Nutzung zugeführt werden.

Ein Betrieb gemäß dem Unteranspruch 7 liegt vor, wenn z. B. eine Verglasungsreaktion durchgeführt wird. Hier kann die Verglasung von nichtdeponierbaren Stäuben genannt werden. Die Wärme der Schmelze wird für den Verglasungsprozeß genutzt, wobei die Schmelze zum einen als reiner Wärmeträger arbeiten, zum anderen aber auch an der Umsetzung beteiligt sein kann. Für den Anfahrvorgang bzw. zur Überbrückung von Zeiten ver­ minderter oder ausbleibender solarer Strahlung kann es notwendig sein, eine elektrische Zusatzheizung gemäß Unter­ anspruch 3 am Boden der Empfängerkammer 2 anzubringen. Diese Beheizung kann auch zur Stabilisierung der Quellströmung und somit zur Verbesserung des konvektiven Wärmetransportes genutzt werden. Ebenso kann nach Unteranspruch 4 eine fossile oder elektrische Zusatzheizung in der Reaktionskammer 6 sinnvoll sein. Durch die im Betrieb geschlossene Ausführung der Reaktionskammer 6 können die im Falle einer fossilen Beheizung auftretenden Rauchgase abgeführt werden und gelangen nicht in die Atmosphäre.

Claims (7)

1. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine Einstrahlöffnung (1) von oben einfallende Solar­ energie in einer Empfängerkammer (2) von einer Schmelze (3) absorbiert wird, daß die Wärmesenke sich in der Reaktionskammer (6) befindet, die durch eine in die Schmelze (3) eintauchende Barriere aus Feuerfestmaterial (5) von der Empfängerkammer (2) getrennt ist, daß der Energietransport in der Schmelze durch Naturkonvektion, Wärmeleitung und gegebenenfalls Wärmestrahlung erfolgt, daß die Empfängerkammer (2) offen zur Atmosphäre ausge­ führt wird und nicht mit einem strahlungstransparenten Medium verschlossen ist, daß die Reaktionskammer (6) ge­ schlossen ausgeführt wird und auftretende Reaktionsgase und Stäube abgeführt werden und daß die Reaktionskammer (6) eine Abstichöffnung (8) oder mehrere Abstichöffnungen für die Schmelze (3) aufweist.

2. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ein­ strahlöffnung (1) kleiner als der Innendurchmesser bzw. die Breite der Empfängerkammer (2) ist.

3. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Zusatzheizung für den Anfahrvorgang im unteren Teil der Empfängerkammer (2) angebracht ist.

4. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (6) eine fossile oder elektrische Zusatzheizung angebracht ist, die zur Überbrückung von Zeiten verringerter oder ausbleibender solarer Strahlung dient.

5. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konvektionsbewegung der Schmelze (3) durch Eindüsen von Inertgas über am Boden der Empfängerkammer (2) befindliche Düsen unterstützt wird.

6. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionskammer (6) eine endotherme chemische Reaktion abläuft, deren Reaktionsprodukt gleichzeitig die im Emp­ fänger verwendete Schmelze (3) ist, und daß die Edukte in der Reaktionskammer (6) zugeführt werden.

7. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reak­ tionskammer (6) ein chemischer oder physikalischer ener­ gieaufnehmender Vorgang abläuft und die im Empfänger ver­ wendete Schmelze (3) als inerter Wärmeträger arbeitet oder direkt an dem physikalischen oder chemischen Vorgang teil­ nimmt.