DE4329643C2 - Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Art von Empfänger für konzentrierte 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. Ein im US Patent US 44 02 306 dar­ gelegtes Konzept sieht die direkte Erwärmung eines flüssigen Wärmeträgers in einem mit einem transparenten Medium verschlossenen Apparat vor. 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 Direkt­ absorption 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, Seiten 637-648, Springer Verlag 1986). Hier findet jedoch keine Reaktion statt, sondern die Energie der Schmelze wird zur Erzeugung von Wasserdampf in einem nachgeschalteten Wärmeaustauscher genutzt. Entstehen bei einem mittels Direktabsorption realisierten Prozeß giftige oder umweltgefährdende Stoffe, ist mit einem ge­ schlossenen Empfänger zu arbeiten, d. h. die Einstrahlöffnung ist mit einem strahlungsdurchlässigen 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, Quarzglasfenster 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 vor­ erwähnten Stand der Technik erläuterte Werkstoffproblematik hinsichtlich der Stabilität und der Einsatzgrenzen eines strahlungstransparenten 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 überschreiten. Des weiteren ist trotz der offenen Ausführung des Empfängers der Einsatz einer fossilen Zusatz­ heizung 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 Wärmesen­ ke 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.

Der Durchmesser der Eintrittsöffnung 1 für die konzentrierte Sonnenstrahlung kann kleiner als der Durchmesser bzw. die Breite der Empfängerkammer 2 sein. Dies 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.

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 Quell­ strömung 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 Konvek­ tionsbewegung 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 konvektionsunterstützende Maßnahme ist das Eindüsen von Inertgas in die Empfängerkammer 2 über am Boden befindliche Düsen.

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. Als Beispiel kann die Erzeugung von Calciumcarbid 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 weiteres Beispiel ist die Verglasung von nichtdeponier­ baren Stäuben. Die Wärme der Schmelze wird für den Ver­ glasungsprozeß genutzt, wobei die Schmelze zum einen als reiner Wärmeträger arbeiten, zum anderen aber auch an der Umsetzung beteiligt sein kann.

Claims (1)

1. Empfänger für konzentrierte Solarstrahlung im Hochtempera­ turbereich mit einer Eintrittsöffnung (1) für die Sonnen­ strahlung die nicht mit einem transparenten Material verschlossen ist und deren Durchmesser kleiner oder gleich dem Innendurchmesser bzw. der Breite einer Empfängerkammer (2) ist und einer Schmelze (3) als Absorber, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger gleichzeitig Reaktor ist für eine endotherme chemische Umsetzung in einer vom Empfängerraum (2) durch eine Tauchung aus Feuerfestmaterial (5) luftdicht getrenn­ ten Reaktionskammer (6), wobei der Energietransport in der Schmelze durch Konvektion, Wärmeleitung und gegebe­ nenfalls Wärmestrahlung erfolgt, die Edukte der Reaktionskammer (6) zugeführt und entstehende Staube und Gase aus der Reaktionskammer (6) durch Öffnungen (3) abgesaugt werden und das entstehende schmelzflüssige Produkt über eine oder mehrere Abstichöffnungen (8) in der Reak­ tionskammer (6) gewonnen wird.