DE4433203C2 - Solar heater head - Google Patents

Solar heater head

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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
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Description

Bei der Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenenergie ist der solarthermische Weg heutzu­ tage die Technik, die von den Energiegestehungskosten her mit konventionellen Energiequellen am ehesten konkurrieren kann. Die höchsten Wirkungsgrade werden heute mit Rotationsparaboloiden in Kombination mit Stirlingmotoren erreicht.The solar thermal path is used today to generate electricity from solar energy meet the technology that is based on the cost of energy with conventional energy sources can most likely compete. The highest efficiencies are achieved today with paraboloid of revolution in Combination with Stirling engines achieved.

Die vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau des Erhitzerkopfes einer Stirlingmaschine. Die Anfor­ derungen, die sich an einen Solar-Erhitzerkopf stellen, sind:The present invention relates to the structure of the heater head of a Stirling engine. The requirement Changes to a solar heater head are:

  • - Gute Absorption der konzentrierten Solarstrahlung (vorzugsweise Einbau in einen Hohlraum­ empfänger zur Reduzierung der optischen und thermischen Verluste);- Good absorption of the concentrated solar radiation (preferably installation in a cavity receiver to reduce optical and thermal losses);
  • - Vergleichmäßigung des absorbierten, räumlich inhomogenen Strahlungsflusses; Sicherheit gegen lokale Überhitzung durch Stellen erhöhter lokaler Konzentration ("hot spots"), gute und gleich­ mäßige Wärmeübertragung an das Arbeitsgas der Stirlingmaschine;- equalization of the absorbed, spatially inhomogeneous radiation flow; Security against local overheating by places of increased local concentration ("hot spots"), good and equal moderate heat transfer to the working gas of the Stirling engine;
  • - Pufferung von zeitlichen Einstrahlungsinhomogenitäten.- Buffering of temporal irradiation inhomogeneities.

Zur Zeit werden im wesentlichen zwei Techniken für den Aufbau von Solar-Erhitzerköpfen verfolgt:Two techniques are currently being pursued for the construction of solar heating heads:

  • - direkt bestrahlte Erhitzerröhrchen- Directly irradiated heating tubes
  • - Wärmeübertragung von Solarabsorber zum Erhitzerkopf über ein Wärmerohr auf der Basis von Flüssigmetall (meist Natrium).- Heat transfer from the solar absorber to the heater head via a heat pipe based on Liquid metal (mostly sodium).

Die Wärmerohrtechnik erfüllt zwar die ersten beiden Anforderungen optimal und kann gut durch ei­ nen integrierten Speicher zeitliche Strahlungsinhomogenitäten ausgleichen, jedoch ist diese Technik aufwendig und erfordert für ihren Einsatz eine hochentwickelte technische Infrastruktur.The heat pipe technology fulfills the first two requirements optimally and can do well through ei Compensate for temporal radiation inhomogeneities in an integrated memory, but this technology is complex and requires a highly developed technical infrastructure for their use.

Die erstgenannte Technik ist im Aufbau einfacher, jedoch bietet sie keine Sicherheit gegen "hot spots" und hat keine thermische Pufferwirkung.The former technology is simpler in structure, but it offers no security against "hot spots "and has no thermal buffer effect.

Erhitzerköpfe werden üblicherweise aus einer Vielzahl dünner Erhitzerröhrchen aufgebaut, durch die das Arbeitsgas strömt. Die Röhrchen müssen meist aus Edelstahl oder Speziallegie­ rungen gefertigt werden, um bei den hohen auftretenden Temperaturen und Drücken, insbe­ sondere gegenüber den als Arbeitsmedium eingesetzten Gasen Helium oder Wasserstoff druck- und diffusionsdicht zu sein.Heater heads are usually constructed from a variety of thin heater tubes, through which the working gas flows. The tubes usually have to be made of stainless steel or special alloy stanchions are manufactured to withstand the high temperatures and pressures that occur  special compared to the gases helium or hydrogen used as working medium to be pressure and diffusion tight.

Ein mit Erhitzerröhrchen aufgebauter Erhitzerkopf wird in der US-PS 4236383 beschrieben. Hier werden zur Vergleichmäßigung der konzentrierten Solarstrahlung zusätzliche Reflektor­ flächen vor dem eigentlichen Erhitzerkopf angeordnet. Diese Reflexionsflächen werden dabei jedoch mit einer hohen Intensität bestrahlt und werden sich auch bei hohem Reflexionsgrad stark erhitzen. Neben Problemen der Haltbarkeit (eine Verschmutzung der Reflektorflächen kann zur lokalen Überhitzung und Zerstörung führen) bewirkt diese Anordnung insbesondere erhöhte thermische Verluste des Empfängers und - bei nicht perfekt gerichteter Reflexion - auch erhöhte Verluste durch Reflexion von Licht nach außen.A heater head constructed with heater tubes is described in US Pat. No. 4,236,383. Additional reflectors are used here to even out the concentrated solar radiation arranged in front of the actual heater head. These reflection surfaces will be there However, they are irradiated with a high intensity and are reflected even at high reflectance heat strongly. In addition to problems of durability (contamination of the reflector surfaces This can lead to local overheating and destruction) increased thermal losses of the receiver and - if the reflection is not perfectly directed - also increased losses due to reflection of light outside.

Andere Möglichkeiten des Aufbaus eines Erhitzerkopfes werden in der DE 31 17 752 A1 sowie der DE 31 04 689 A1 beschrieben. In der erstgenannten Patentanmeldung wird der Erhitzer­ kopf aufgebaut aus einer Vielzahl einzelner, komplex aufgebauter Zellen mit jeweils zwei Hohlräumen, die wiederum durch eine Vielzahl von Verteilern miteinander verbunden sind.Other ways of building a heater head are described in DE 31 17 752 A1 and DE 31 04 689 A1. In the first-mentioned patent application, the heater head made up of a large number of individual, complex cells with two each Cavities, which in turn are interconnected by a large number of distributors.

Diese Anordnung ist vermutlich nur mit hohem Aufwand zu realisieren: bereits die Fertigung der Doppelhohlraumzellen erscheint sehr aufwendig, hinzu kommt die Verschaltung der ein­ zelnen Zellen zu einem kugelsegmentähnlichen Gebilde.This arrangement can presumably only be implemented with great effort: already the production the double-cavity cells appear very complex, in addition, the interconnection of the separate cells into a spherical segment-like structure.

In der DE 31 04 689 A1 wird eine Anordnung beschrieben, bei der durch kegelförmige Form­ gebung des dunklen Erhitzerkopfes und glatter Oberfläche eine hohe Solarabsorption an den Kegelflächen erreicht wird. Dagegen erscheint hier die Wärmeübertragung zum Arbeitsgas völlig ungenügend: Die Wärmeübertragungsfläche ist sehr klein und es findet keine gezielte Umströmung mit hoher Geschwindigkeit statt.DE 31 04 689 A1 describes an arrangement in which the conical shape Due to the dark heater head and smooth surface, high solar absorption at the Cone surfaces is reached. In contrast, the heat transfer to the working gas appears here Completely insufficient: The heat transfer area is very small and there is no targeted one Flow around at high speed instead.

Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist die Darstellung eines Solar-Erhitzerkopfes, der die oben gestellten Anforderungen bei gleichzeitig geringem technischem Aufwand erfüllt. Nur so kann an den Einsatz dezentraler "Dish-Stirling"-Kraftwerke in südlichen Ländern mit schwach entwickel­ ter technischer Infrastruktur gedacht werden.The object of the present invention is the representation of a solar heater head which the above requirements are met with little technical effort. This is the only way to the use of decentralized "dish-stirling" power plants in southern countries with poor development technical infrastructure.

Aufbauend auf der Röhrchentechnik soll ein einfach fertigbarer Erhitzerkopf mit guten Ei­ genschaften im Solarbetrieb (thermische Pufferung, Sicherheit gegen "hot spots") realisiert werden.Based on the tube technology, an easy-to-manufacture heater head with a good egg is said properties in solar operation (thermal buffering, security against "hot spots") realized will.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst: Zur Vergleichmäßigung räumlicher und zeitlicher Strahlungsinhomogenitäten wird ein sehr gut wärmeleitendes Material mit genügender thermischer Belastbarkeit, vorzugsweise Kupfer, eingesetzt. Hierbei müssen folgende Voraussetzun­ gen erfüllt werden:According to the invention, this object was achieved as follows: For the purpose of homogenizing spatial and temporal radiation inhomogeneities becomes a very good heat-conducting material with sufficient thermal resilience, preferably copper, used. The following requirements must be met conditions are met:

  • - Guter thermischer Kontakt zwischen Wärmeleitkörper und Erhitzerröhrchen- Good thermal contact between the heat sink and the heater tube
  • - Formgestaltung so, daß keine Beschädigung durch Überhitzung oder thermische Spannungen auftreten kann.- Shape design so that no damage due to overheating or thermal stress can occur.

Der thermische Kontakt zwischen Erhitzerröhrchen und Wärmeleitkörper kann erfindungsgemäß durch Einpressen oder vorzugsweise durch Einlöten der Erhitzerröhrchen in den Wärmeleitkörper erfolgen.According to the invention, the thermal contact between the heating tube and the heat-conducting body can by pressing or preferably by soldering the heater tubes into the heat-conducting body respectively.

Hierzu sind die Röhrchen (5) als U-Rohre geformt und werden von außen durch gerade Boh­ rungen des/der Wärmeleitkörper(s) (1, 9) geschoben und ohne weitere Bearbeitung in die Bohrungen des Erhitzerkopfes (11) gesteckt. Bei einer anderen Formgebung müßten die Röhrchen in einen zweiteiligen Körper eingelegt werden, was eine aufwendige Montage be­ deuten würde, oder sie müßten eingegossen werden - eine Technik, die für langzeitstabile spaltfreie Verbindungen heute nicht beherrscht wird.For this purpose, the tubes ( 5 ) are shaped as U-tubes and are pushed from the outside through straight bores of the heat-conducting body (s) ( 1 , 9 ) and inserted into the bores of the heater head ( 11 ) without further processing. With a different shape, the tubes would have to be inserted into a two-part body, which would mean a complex assembly, or they would have to be cast in - a technique that is not mastered today for long-term stable gap-free connections.

Eine besonders geeignete Löttechnik ist dadurch gegeben, daß die Edelstahlröhrchen mit einer Nic­ kel-Phosphor-Legierung chemisch beschichtet werden. Als beschichtete Röhrchen werden sie in die entsprechenden Bohrungen eines Kupferkörpers (1, 9) und des Erhitzerkopfes (11) gesteckt und im Vakuumofen in einem Arbeitsgang mit Kupferkörper und Erhitzerkopf durch Lötung dicht verbunden.A particularly suitable soldering technique is given in that the stainless steel tubes are chemically coated with a nickel-phosphorus alloy. As coated tubes, they are inserted into the corresponding bores of a copper body ( 1 , 9 ) and the heater head ( 11 ) and tightly connected to the copper body and heater head in a vacuum operation by soldering.

Eine erfindungsgemäße Ausführung des Solarerhitzerkopfes ist in Fig. 1 dargestellt. Der Wärme­ leitkörper (1), hier aus Kupfer, ist aus einem Stück geformt. Er ist hinter der Brennebene (2) des Konzentrators angebracht und bildet die absorbierende Rückwand eines Hohlraumempfängers. Der gesamte Hohlraum ist isoliert, was in Fig. 1 mit (3) angedeutet ist. Der Kupferkörper ist so gestal­ tet, daß auf der geschwärzten Absorberoberfläche (4) eine möglichst gleichmäßige Intensitätsvertei­ lung des konzentrierten Lichts auftritt und der Abstand zwischen Oberfläche und Röhrchen (5) mög­ lichst klein ist. Dies wird durch keilförmige radiale Vertiefungen (6) zwischen den vorderen (dem Konzentrator näher liegenden) Schenkeln der Erhitzerröhrchen (5) erreicht. Außerdem wird durch Schlitze (7) in dem hinteren Teil des Wärmeleitkörpers verhindert, daß die Röhrchen durch unter­ schiedliche thermische Dehnungen von Kupferkörper (1) und Erhitzerkopf (11) beschädigt werden. Im zentralen Bereich (8) des Wärmeleitkörpers (1), der nicht direkt durch die Erhitzerröhrchen (5) gekühlt wird, ist der Wärmeleitkörper dicker.An embodiment of the solar heater head according to the invention is shown in FIG. 1. The heat conducting body ( 1 ), here made of copper, is formed from one piece. It is located behind the focal plane ( 2 ) of the concentrator and forms the absorbent rear wall of a cavity receiver. The entire cavity is isolated, which is indicated in Fig. 1 with ( 3 ). The copper body is designed so that on the blackened absorber surface ( 4 ) the most uniform possible intensity distribution of the concentrated light occurs and the distance between the surface and the tube ( 5 ) is as small as possible. This is achieved by wedge-shaped radial depressions ( 6 ) between the front legs (closer to the concentrator) of the heater tubes ( 5 ). In addition, slots ( 7 ) in the rear part of the heat-conducting body prevent the tubes from being damaged by different thermal expansions of the copper body ( 1 ) and heater head ( 11 ). The heat-conducting body is thicker in the central area ( 8 ) of the heat-conducting body ( 1 ), which is not directly cooled by the heating tubes ( 5 ).

Eine fertigungstechnisch einfachere Variante ist in Fig. 2 dargestellt: Auf jedem Schenkel der Erhit­ zerröhrchen (5) sind jeweils von einander unabhängige gebohrte und geschwärzte Kupferstücke (9) angebracht. Auch hier bilden die Kupferkörper die absorbierende Rückwand eines Hohlraumempfän­ gers, d. h., sie sind hinter der Brennebene (2) des Konzentrators plaziert. Form und Aufteilung der Kupferkörper (9) sind so gewählt, daß der gesamte bestrahlte Bereich abgedeckt ist und alle Röhrchen möglichst gleichmäßig bestrahlt werden. Die flächendeckende Anordnung der Wärmeleit­ körper ist in der teilweise dargestellten Aufsicht in Fig. 3 erkennbar. Besonders geeignet ist eine ke­ gelförmige Anordnung der Röhrchen (gedachte Spitze des Kegels zeigt weg vom Konzentrator). Unzulässige Strahlungsspitzen können durch die geeignete Festlegung der Winkel und des Abstandes der Erhitzerröhrchen gegenüber der Brennebene sowie gegebenenfalls durch die Form der Kupfer­ körper vermieden werden. Im zentralen Bereich des Erhitzerkopfs, der nicht durch die Wärmeleit­ körper bedeckt ist, ist ein weißer Keramikkegel (10) angebracht, der die konzentrierte Solarstrahlung auf die Wärmeleitkörper reflektiert.A simpler variant in terms of production technology is shown in FIG. 2: on each leg of the heating tubes ( 5 ), independently drilled and blackened copper pieces ( 9 ) are attached. Here, too, the copper bodies form the absorbent rear wall of a cavity receiver, ie they are placed behind the focal plane ( 2 ) of the concentrator. The shape and division of the copper body ( 9 ) are selected so that the entire irradiated area is covered and all tubes are irradiated as evenly as possible. The area-wide arrangement of the heat-conducting body can be seen in the partially shown supervision in FIG. 3. A conical arrangement of the tubes is particularly suitable (imaginary tip of the cone points away from the concentrator). Inadmissible radiation peaks can be avoided by the appropriate determination of the angle and the distance of the heater tubes from the focal plane and, if necessary, by the shape of the copper body. In the central area of the heater head, which is not covered by the heat-conducting body, a white ceramic cone ( 10 ) is attached, which reflects the concentrated solar radiation onto the heat-conducting body.

Claims (6)

1. Solar-Erhitzerkopf zur Absorption der konzentrierten Strahlung eines Solarkonzentrators und zur Übertragung dieser Wärme an das Arbeitsgas eines Stirlingmotors oder einer anderen Wär­ mekraftmaschine, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens ein Körper (1), (9) aus gut wärmeleitendem Material, der wenigstens auf der der Strahlung zugewandten Seite geschwärzt ist, als Solarabsorber, Wär­ meleitstruktur zur räumlichen Vergleichmäßigung der Wärmeströme und als Kurzzeitener­ giespeicher zur zeitlichen Homogenisierung der Wärmeströme dient, und daß die U-förmigen Wärmetauscherröhrchen (5) der Wärmekraftmaschine durch gerade Bohrungen dieses Kör­ pers gesteckt und eingepreßt oder gelötet sind.1. Solar heater head for absorbing the concentrated radiation of a solar concentrator and for transferring this heat to the working gas of a Stirling engine or other heat engine, characterized in that at least one body ( 1 ), ( 9 ) made of good heat-conducting material, at least on the side facing the radiation is blackened, serves as a solar absorber, heat-conducting structure for the spatial equalization of the heat flows and as a short-term energy storage for the homogenization of the heat flows over time, and that the U-shaped heat exchanger tubes ( 5 ) of the heat engine are inserted and pressed in by straight bores of this body or are soldered. 2. Solar-Erhitzerkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmeleitkörper (1) eine kegelähnliche Form aufweist, wobei die zur Strahlung gewandte geschwärzte Innenseite des Kegels hinter der Fokalebene (2) des Konzentrators die absorbierende Rückwand eines wenigstens teilweise isolierten (3) Hohlrau­ mempfängers bildet und keilförmige radiale Vertiefungen (6) aufweist, so daß die Abstände zwi­ schen Absorberoberfläche und Erhitzerröhrchen bei der vorderen und hinteren Röhrchenreihe gleichmäßig klein sind und die Strahlungsintensität auf der Absorberfläche herabgesetzt wird, au­ ßerdem dadurch gekennzeichnet, daß durch Schlitze (7) in dem Wärmeleitkörper auf der Außen­ seite des Kegels eine Beschädigung der Röhrchen durch unterschiedliche thermische Dehnungen von Wärmeleitkörper und Erhitzerkopf (11) vermieden wird.2. Solar heater head according to claim 1, characterized in that the heat-conducting body ( 1 ) has a cone-like shape, the blackened inside of the cone facing the radiation behind the focal plane ( 2 ) of the concentrator, the absorbing rear wall of an at least partially insulated ( 3 ) Hohlrau mempfänger forms and has wedge-shaped radial depressions ( 6 ), so that the distances between the absorber surface and the heater tubes in the front and rear row of tubes are uniformly small and the radiation intensity on the absorber surface is reduced, furthermore characterized in that through slots ( 7 ) In the heat-conducting body on the outer side of the cone, damage to the tubes due to different thermal expansions of the heat-conducting body and the heater head ( 11 ) is avoided. 3. Solar-Erhitzerkopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Wärmeleitkörper aufgebaut ist aus einzelnen geschwärzten Elementen (9), von denen jeweils zwei auf den Schenkeln U-förmiger Erhitzerröhrchen (5) aufge­ bracht sind, wobei die Röhrchen radial am Erhitzerkopf hinter der Brennebene (2) des Konzen­ trators angebracht sind und gegenüber der Fokalebene geneigt in Richtung Solarkonzentrator verlaufen und die absorbierende Rückwand eines wenigstens teilweise isolierten (3) Hohlraum­ empfängers bilden.3. Solar heater head according to claim 1, characterized in that the heat-conducting body is constructed from individual blackened elements ( 9 ), two of which are brought up on the legs of U-shaped heater tubes ( 5 ), the tubes being radially behind the heater head the focal plane ( 2 ) of the concentrator are attached and inclined towards the focal plane in the direction of the solar concentrator and form the absorbent rear wall of an at least partially insulated ( 3 ) cavity receiver. 4. Solar-Erhitzerkopf nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß im zentralen Bereich des Erhitzerkopfes, der nicht durch Wärme­ leitkörper bedeckt ist, ein weißer Keramikkegel (10) aufgebracht ist, der die konzentrierte Solar­ strahlung auf die Wärmeleitkörper reflektiert.4. Solar heater head according to claim 3, characterized in that in the central region of the heater head, which is not covered by heat guide body, a white ceramic cone ( 10 ) is applied, which reflects the concentrated solar radiation on the heat sink. 5. Solar-Erhitzerkopf nach den Ansprüchen 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß der (die) Wärmeleitkörper aus Kupfer ist (sind) ( . . . ).5. Solar heater head according to claims 1-3, characterized in that the heat-conducting body (s) is (are) made of copper (...). 6. Solar-Erhitzerkopf nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Erhitzerröhrchen vor dem Einlöten mit einer Nickel-Phosphor- Legierung chemisch beschichtet werden und so beschichtet in die Bohrungen des (der) Kupfer­ körper(s) gesteckt und im Vakuumofen gelötet werden, wobei die Nickel-Phosphor-Legierung als Lot dient.6. Solar heater head according to claim 4, characterized in that the heater tubes are soldered with a nickel-phosphor Alloy are chemically coated and so coated in the holes of the copper (s) body (s) are inserted and soldered in a vacuum furnace, using the nickel-phosphorus alloy serves as solder.
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