DE69000956T2 - Sonnen-empfaenger, geschuetzt gegen waermeverluste durch wind. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf Solarempfänger, die in der Lage sind, einen zirkulierenden Luftstrom aufzuheizen, und insbesondere auf Verfahren und Systeme für die Unterdrückung von Umgebungswärmeverlusten in solchen Empfängern, herrührend von Windeinwirkungen und dergleichen.
• Zentrale Solarempfänger erzeugen Energie direkt aus der Sonne und versprechen stationäre Leistungsquellen zu ermöglichen, die im wesentlichen frei sind von allen Formen von Verunreinigung. Während eine Anzahl bestimmter Konstruktionen vorgeschlagen worden ist für den Aufbau zentraler Solarempfänger, beruhen sie generell auf der Plazierung einer erhöhten Empfängerbaugruppe an einem Brennpunkt, positioniert in einem großen Feld von Heliostaten (Spiegeln). Die Heliostaten reflektieren auftreffendes Sonnenlicht auf den Empfänger, wo eine Wärmetauschereinheit vorgesehen ist zum Anheben der Temperatur eines zirkulierenden Wärmetauschermediums. Wärme kann dann aus dem Wärmetauschermedium extrahiert werden und beispielsweise zum Erzeugen von Dampf verwendet werden, der dann für konventionelle Elektroerzeugung verwendet werden kann.
• Von besonderem Interesse für die vorliegende Erfindung ist vorgeschlagen worden, zentrale Solarempfänger zu verwenden, die eine luftdurchlässige Wärmetauscheinheit verwenden, welche in der Lage ist, die Temperatur eines zirkulierenden Luftstromes anzuheben, der durch die Einheit strömt und als Wärmetauschmedium dient. Um den Wirkungsgrad zu verbessern und die Kapitalkosten zu verringern, wird das Wärmetauschglied direkt der Umgebung ausgesetzt, wobei der zirkulierende Luftstrom durch die freiliegende Seite eingeführt wird und auf der eingeschlossenen Seite des Empfängers gesammelt wird. Wie zu erwarten, können jedoch Umgebungswinde stark mit der Luftströmung in das Wärmetauscherelement interferieren, und Vorkehrungen müssen getroffen werden, um solche Interferenz zu reduzieren.
• Um solche Windverluste zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, das Wärmetauschelement gut innerhalb einer Hülle zu versenken und eine offene Öffnung in die Hülle nach unten zu richten, so daß die Warmluft die Tendenz hat, innerhalb der Hülle gefangen zu bleiben unter Verringerung der Vermischung und der Umgebungsverluste. Ein solcher Ansatz ist, in US-Patent Nr. 4,312,324 und US-A-4,777,934 dargestellt.
• Dieser Ansatz ist zwar generell betriebsfähig, leidet jedoch an bestimmten Nachteilen. Die Notwendigkeit, die Öffnung nach unten zu orientieren, erfordert den Aufbau eines höheren und teureren Turmes oder begrenzt alternativ die Fläche, über der das Heliostatenfeld aufgebaut werden kann, was wiederum die Menge an Solarenergie begrenzt, die dem Empfänger zuführbar ist. Darüber hinaus erhöht die Notwendigkeit, das Wärmetauscherelement zu versenken, die Kapitalkosten des Aufbaus des Solarempfängers, da erhebliche zusätzliche Strukturen notwendig sind.
• US-Patent Nr. 4,312,324 lehrt ferner das Vorsehen eines Konzentrators und passiven Deflektors, der die offene Öffnung in der Solarempfängerhülle umschließt. Das Patent lehrt auch, daß aktive Windablenkung vorgesehen werden kann durch die Anwendung einer Mehrzahl von Luftdüsen, die im wesentlichen von der offenen Öffnung weggerichtet sind. Während diese Ansätze einen begrenzten Schutz vor Umgebungswinden bieten können, beruhen sie beide auf der Tatsache, daß das Empfängerelement gut innerhalb der Empfängerhülle versenkt liegt. Sie beruhen darüber hinaus darauf, daß die Öffnung bemessen wird mit einer Querschnittsfläche, die viel kleiner ist als jene des Wärmetauschelements. Keiner wäre brauchbar in Konstruktionen, wo das Wärmetauschelement direkt der Umgebung ausgesetzt ist und nicht hinter einer Öffnung verringerten Durchmessers versenkt läge.
• Aus diesen Gründen wäre es wünschenswert, Solarempfänger zu schaffen mit Wärmetauschelementen, die direkt der Umgebung ausgesetzt sind und die nicht versenkt zu sein brauchen oder abwärts geneigt zu sein brauchen, um Wärmeverluste zu vermeiden. Insbesondere wäre es wünschenswert, Systeme und Verfahren zu schaffen für den Schutz solcher Solarempfänger gegen Wärmeverluste, die von Umgebungswinden herrühren.
• US-Patent Nr. 4,312,324 wurde oben erörtert. US-Patent Nr. 4,777,934 beschreibt einen fensterlosen Solarempfänger, der einen zirkulierenden partikelbeladenen Luftstrom für die Absorption reflektierter Solarstrahlung ausnutzt. Ein Luftvorhang strömt generell parallel zu dem partikelbeladenen Luftstrom und schützt den partikelbeladenen Luftstrom gegen Umgebungsstörungen. Zentrale Solarempfänger, bestimmt für das Aufheizen von Luft auf Basis eines Durchgangs sind generell beschrieben in US-Patent Nrn. 4,777,935; 4,676,068; 4,683,872; und 4,394,859. US-Patent Nr. 3,875,925 beschreibt eine poröse Barriere, die von der Sonne aufgeheizt wird und thermische Energie auf durchströmende Luft überträgt. Die Verwendung von Luftvorhängen zum Schutz fensterloser Solarempfänger wird generell diskutiert in den Endberichten, ausgearbeitet unter den Kontraktnummern DE-AC03-83SF11693 und DE-AC03-83SF11940, des Department of Energy.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges System und Verfahren für die Einspeisung eines zirkulierenden Luftstroms in eine luftdurchlässige Heizfläche vorgeschlagen, wie in Patentanspruch 1 beziehungsweise 8 ausgeführt. Die luftdurchlässige Heizfläche ist typischerweise ein Solarheizelement oder eine Solarheizstruktur als Teil eines zentralen Solarempfängers, der der Umgebung ausgesetzt ist zum Auffangen von Solarstrahlung, reflektiert von einem Feld von Heliostaten. Die luftdurchlässige Heizfläche wird üblicherweise direkt der Umgebung ausgesetzt und liegt nicht versenkt innerhalb einer Schutzhülle und/oder hinter einer Öffnung mit einer Fläche, die kleiner ist als jene der Heizfläche. Die vorliegende Erfindung schafft einen schützenden Luftstrom oder Vorhang, der in der Lage ist, wirksam Wärmeverluste zu verringern, die von dem Mischen und Fehlleiten der zirkulierenden Luft herrühren, wenn diese in die frei liegende Seite der Heizfläche eingespeist wird. Indem keine Zuflucht zu einem eingeschlossenen Volumen innerhalb einer Schutzhülle genommen wird, ist es nicht erforderlich, die Heizfläche abwärts zu neigen, wie früher erforderlich war. Heizflächen, die in einer vertikalen oder im wesentlichen vertikalen Orientierung gehalten werden, sind in der Lage, Solarstrahlung zu empfangen, die über eine viel größere Fläche reflektiert werden als sonst oder alternativ hochwirksam mit einem kürzeren und weniger teuren Turm zu arbeiten. Darüber hinaus verringert das Weglassen der Schutzhülle für die Heizfläche erheblich die Kapitalkosten im Zusammenhang mit der Richtung des Systems der vorliegenden Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung funktioniert mittels Zirkulation des Luftstromes längs einer Strecke hinter die luftdurchlässige Heizfläche, so daß die Luft aufgeheizt wird, während sie durch die Flächenstruktur strömt. Die vorliegende Erfindung beruht auf der Strömung des Luftstromes in einem konvergierenden Muster nahe der frei liegenden Seite der luftdurchlässigen Heizfläche. Üblicherweise wird der Luftstrom in einem generell radial konvergierenden Muster geführt, wobei die Luft durch eine im wesentlichen flache oder planare Luftheizfläche gesogen wird mit einem generell gleichförmigen Strömungsprofil. Alternativ kann der aufzuheizende Luftstrom so gerichtet werden, daß er längs einer generell geraden oder gekrümmten Front konvergiert, wobei das resultierende Strömungsprofil durch die Heizfläche wiederum im wesentlichen gleichförmig ist. Die letztere Konfiguration ist besonders brauchbar bei gekrümmten oder zylindrischen Oberflächen, wo eine radiale Konvergenz nicht möglich ist.
• Der Schutz des aufzuheizenden Luftstroms wird durch einen schützenden (sekundären) Luftstrom oder Vorhang herbeigeführt, der auf derjenigen Seite des aufgeheizten Luftstroms gebildet wird, die der Heizfläche abgewandt ist. Der schützende Luftstrom ist typischerweise nicht geheizte Umgebungsluft und wird so gebildet, daß er ein Strömungsmuster im wesentlichen ähnlich dem des aufgeheizten Luftstroms aufweist. Die Auswärtsströmung des schützenden Luftstroms wirkt als ein Puffer beim Schutz des aufgeheizten Luftstroms gegen Umgebungsstörungen. Unter bestimmten Bedingungen kann es wünschenswert sein, daß die Strömungsgeschwindigkeiten der aneinandergrenzenden Abschnitte der beiden Luftströme gleichgemacht werden. Unter anderen Umständen, wie starken Umgebungswindbedingungen, wird es wünschenswert sein, daß das Strömungsgeschwindigkeitsprofil des schützenden Luftstroms deutlich größer ist als jenes des aufgeheizten Luftstroms. Demgemäß kann das Verhältnis der Schutzluftgeschwindigkeit zur Heizluftgeschwindigkeit schwanken zwischen etwa 1:1 (gleiche Geschwindigkeiten) bis 10:1, wobei höhere Verhältnisse generell bei höheren Windgeschwindigkeiten eingesetzt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines zentralen Solarempfängerturmes, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 illustriert eine luftdurchlässige Heizfläche, umfassend ein mehrlagiges Drahtgitter, wie es bei dem zentralen Solarempfängerturm nach Fig. 1 einsetzbar ist.
• Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Luftströmungsprofils sowohl des aufgeheizten Luftstroms als auch des schützenden Luftstroms bei der Ausführungsform nach Fig. 1.
• Fig. 4 bis 7 illustrieren alternative Ausführungsformen der luftdurchlässigen Heizfläche der vorliegenden Erfindung in Kombination mit Systemen für die Einspeisung des aufgeheizten Luftstroms und des schützenden Luftstroms. Diese Figuren illustrieren ferner die Ausnutzung einer reflektierenden Schürze um die Luftheizoberfläche zwecks Erhöhung des Wirkungsgrades der Solarsammlung.
• Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer zylindrischen, luftdurchlässigen Heizfläche einschließlich der zugeordneten Systeme für die Führung der aufgeheizten und schützenden Luftströme zu dieser.
BESCHREIBUNG DER EINZELNEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Gemäß Fig. 1 umfaßt ein zentraler Solarempfängerturm 10, aufgebaut gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von luftdurchlässigen Heizflächen 12, eine Warmluftaufstiegsleitung 14, angeschlossen zum Liefern von Luft, die aufzuheizen ist, an jede Heizfläche, und eine Abstiegsleitung 16, angeschlossen zum Abführen aufgeheizter Luft von jeder Heizfläche. Der Turm 10 wird ferner eine tracende Struktur (nicht dargestellt) umfassen, um das notwendige mechanische Rahmenwerk für alle Systeme des Turms bereitzustellen. Eine hinreichende Anzahl von Heizflächen 12 wird vorgesehen sein zum Empfang reflektierter Solarstrahlung von der Gesamtheit des Heliostatenfeldes (nicht dargestellt). Obwohl nur eine flache Heizfläche notwendig ist, abhängig von der Anlagengröße, werden üblicherweise mindestens zwei luftdurchlässige Heizflächen 12 in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein, so daß jede in der Lage ist, Strahlung von einem Teil des Feldes zu empfangen. Typischerweise wird es vier Heizflächen 12 geben für den Empfang reflektierter Strahlung von einzelnen Quadranten des Heliostatenfeldes, und in einigen Fällen kann es wünschenswert sein, eine noch größere Anzahl von einzelnen Heizflächen vorzusehen. Wie später in Verbindung mit Fig. 8 zu beschreiben, ist es auch möglich, die Heizfläche(n) in einer gekrümmten oder zylindrischen Geometrie auszubilden, die eine effiziente Solarsammlung von Heliostaten ermöglicht, die in allen Richtungen rings um den zentralen Solarempfängerturm angeordnet sind.
• Generell strömen die aufgeheizten Luftströme längs einer Strecke, begrenzt von der Aufstiegsleitung 14 und der Abstiegsleitung 16, und werden einer Einrichtung zugeführt, die in der Strecke angeordnet ist und in der Lage ist, thermische Energie aus der Luft zu extrahieren und daraus weiterverwendbare Arbeit zu erzeugen. Wie dargestellt, kann eine Dampferzeugeranlage 20 vorgesehen sein, wo der Luftstrom, aus dem die Wärme extrahiert worden ist, dem Turm 10 über ein Gebläse 22 wieder rückgeführt wird.
• Häufig wird es wünschenswert sein, eine Thermospeichereinrichtung 23 vorzusehen, typischerweise eine thermische Masse (die durch den rezirkulierten aufgeheizten Luftstrom aufgeheizt wird) in der Luftzirkulationsschleife, begrenzt von den Abstiegsleitungen 16 und Aufstiegsleitungen 14. Die Thermospeichereinrichtung 23 minimiert Unterbrechungen, herrührend von Änderungen in der Menge an Solarstrahlung, welche von den luftdurchlässigen Heizflächen 12 empfangen wird. Insbesondere wenn die Menge an Solarstrahlung sich verringert, kann die Thermospeichereinrichtung 23 Wärme der strömenden Luft wieder zuführen, so daß der Dampferzeuger 20 weiterbetrieben werden kann, selbst dann, wenn die Sonne für kürzere Zeitperioden vollständig verdeckt ist. Im anderen Falle wird, wenn die luftdurchlässigen Heizflächen 12 große Mengen an Solarstrahlung empfangen, Wärme auf die Thermospeichereinrichtung 23 übertragen, wo sie zur Verfügung bleibt für zukünftigen Einsatz.
• Gebläse 24 werden vorgesehen sein, um die Luft, aus der die Wärme extrahiert worden ist, wieder den luftdurchlässigen Heizflächen 12 zuzuführen, wo sie erneut auf eine gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Typischerweise wird die Luft auf eine Temperatur aufgeheizt im Bereich von etwa 537,7ºC (1000ºF) bis 871,1ºC (1600ºF), typischerweise im Bereich von etwa 676,6ºC (1250ºF) bis 732,2ºC (1350ºF), während die zu den Heizflächen 12 durch die Aufstiegsleitungen 14 rückgeführte Luft eine Temperatur im Bereich von etwa 93,3ºC (200ºF) bis 315,5ºC (600ºF), typischer im Bereich von etwa 204,4ºC (400ºF) bis 287,7ºC (550ºF) aufweisen wird. Demgemäß wird die den Heizflächen 12 wieder zugeführte Luft aufgeheizt bleiben, relativ zu den Umgebungsbedingungen, jedoch einen weiteren Temperaturanstieg erfordern, bevor sie durch den Dampferzeuger 20 oder die Thermospeichereinrichtung 23 rezirkuliert wird. Die Temperatur der Heizflächen 12 wird typischerweise im Bereich von etwa 593,3ºC (1100ºF) bis 926,6ºC (1700ºF) liegen, typischer noch im Bereich von 704,4ºC (1300ºF) bis 815,5ºC (1500ºF).
• Strömungsdämpfer 26 werden in jeder Abstiegsleitung 16 vorgesehen sein, um die Temperatur der aus den Heizflächen 12 austretenden Luft zu steuern, wobei der Durchsatz abgesenkt wird, um die Temperatur anzuheben, und angehoben wird, um die Temperatur abzusenken. Luftdämpfer 27 sind in den Aufstiegsleitungen 14 vorgesehen, um den Aufwärtsdurchsatz durch die Aufstiegsleitungen 14 mit dem entsprechenden Abwärtsdurchsatz durch die Abstiegsleitungen 16 auszugleichen. Alternativ und/oder zusätzlich können diese beiden Strömungsraten abgeglichen werden durch Modulieren der Antriebsmotordrehzahlen der entsprechenden Gebläse 24. Zweckmäßigerweise sind in den Aufstiegsleitungen 14 beziehungsweise Abstiegsleitungen 16 Durchsatzmeßgeräte 29 beziehungsweise 31 vorgesehen, um die Steuerung zu vereinfachen. Temperatursysteme (nicht dargestellt) werden ebenfalls vorgesehen sein, und die Systemsteuerung erfolgt mittels konventioneller Analoge und/oder digitaler Steuereinrichtungen (nicht dargestellt).
• Umgebungswind bewirkt ein Ungleichgewicht in dem statischen Druck, der auf jede der Heizflächen 12 wirkt, wobei die dem Wind zugekehrten Flächen einer Druckzunahme und jene, die stromabwärts gekehrt sind, einer Druckabnahme unterliegen. Solche Druckdifferenzen führen zu einem Ungleichgewicht in der volumetrischen Strömung, die von der luftdurchlässigen Heizfläche 12 in die zugeordnete Abstiegsleitung 16 gelangt. Dies kann dazu führen, daß entweder ein überschuß an Warmluft in die Umgebung abgegeben wird (typischerweise auf der dem Wind abgekehrten Heizfläche) oder zur Einspeisung von kalter Umgebungsluft in die Abstiegsleitung 16 (typischerweise auf einer dem Wind zugekehrten Heizfläche). Solche Verluste infolge Fehlanpassung der volumetrischen Strömung von Luft, die durch einzelne Aufstiegsleitungen nach oben strömt gegenüber der Abwärtsströmung durch die einzelnen Abstiegsleitungen 16, kann kompensiert werden durch richtiges Einstellen der Dämpfer 27 und/oder der Antriebsmotordrehzahlen für die Gebläse 24.
• Geeignete luftdurchlässige Heizflächen 12 umfassen Strukturen, die in der Lage sind, große Mengen an Solarstrahlung zu absorbieren und solche Strahlung in thermische Energie umzusetzen. Solche Heizflächen werden auch hinreichend durchlässig sein für relativ hohe Durchsätze an Luft. Wenn die Luft durch die erhitzte Oberfläche strömt, wird sie aufgeheizt durch Wärmeübergang von der Oberfläche.
• Gemäß Fig. 1 bis 3 kann eine geeignete flache, luftdurchlässige Heizfläche 12 als eine Serie von Gitterstrukturen 30 ausgebildet werden, welche jeweils aus verwebten horizontalen und vertikalen Strängen von Drahtgitterstreifen oder Bändern 33 besteht. Jeder Streifen 33 wird auf einem Rahmen 32 gespannt mit typischerweise einer quadratischen oder rechteckigen Geometrie. Eine hinreichende Anzahl von Gitterstrukturen 30 ist vorgesehen, um von dem Heliostatenfeld reflektierte Energie zu absorbieren und die hindurchströmende Luft aufzuheizen. Die einzelnen Gitterstreifen 33 haben typischerweise eine Breite im Bereich von 61 cm bis 305 cm (2 Fuß bis 10 Fuß). Die Gesamthöhe und Breite der Gitterstrukturen 30 beträgt typischerweise von 915 cm bis 2743 cm (30 Fuß bis 90 Fuß). Die Konfiguration mit verwebten Streifen ist ideal für solche großen Abmessungen. Der einzelne Gitterstreifen 33 wird ein Drahtmaschenstreifen sein mit einem Drahtdurchmesser im Bereich von etwa 0,025 mm bis etwa 0,127 mm (0,001 Zoll bis etwa 0,005 Zoll), bestehend aus einem wetter- und temperaturbeständigen Metall, wie Nichrom. Die Maschendichte wird typischerweise im Bereich von etwa 2 bis 8 Drähten pro mm (50 bis 200 Drähte pro Zoll) liegen, üblicherweise etwa bei 4 bis 12 Drähten pro mm (100 bis 150 Drähte pro Zoll). üblicherweise werden in jedem Spannrahmen 32 mindestens zwei Gitterstrukturen 30 vorgesehen, noch üblicher aber zumindest vier Gitterstrukturen und oft acht oder mehr Gittermatrixschichten werden vorgesehen. Es ist auch möglich, Mehrfachspannrahmen 32 vorzusehen, obwohl die Gesamtzahl von Gitterstrukturen 30 üblicherweise nicht acht übersteigt.
• Zwecks Illustration der Webstruktur der Gitterstruktur 30 übertreibt Fig. 2 die Lücken an den Schnittstellen der horizontalen und vertikalen Drahtgitterstreifenkanten. Solche Lücken existieren bei dem tatsächlichen Gewebe nicht, welches dicht ist.
• Der Luftstrom wird durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Drähten der Mehrfachdrahtstreifen 33 gesogen und strömt in den Abstiegsbereich 16, wie in Fig. 1 dargestellt. Eine solche Strömung wird natürlich induziert durch die Saugwirkung der einzelnen Aufstiegsleitungsgebläse 24 und in einem bestimmten Ausmaß durch das Luftrückführgebläse 22.
• Warmluft, die zu der luftdurchlässigen Heizfläche 12 zurückströmt, strömt aufwärts durch die Aufstiegsleitung 14 in ein Plenum 36, gebildet von einer Leitung 38, die den Rahmen 32 der Heizfläche 12 umschreibt. Eine Mehrzahl von Öffnungen oder Düsen 40 sind auf der Innenfläche dieser Leitung 38 ausgebildet und so orientiert, daß die warme Rücklaufluft einwärtsgerichtet ist, wie generell durch die Stromfäden 42 in Fig. 2 und 3 angedeutet. Während in Fig. 2 nur sechs Stromfäden 42 gezeichnet sind, versteht es sich, daß eine viel größere Anzahl von Düsen 40 normalerweise vorgesehen wird, um eine im wesentlichen kontinuierliche bahnförmige, einwärtsgerichtete Strömung der warmen Rücklaufluft über die luftdurchlässige Heizfläche 12 zu erzeugen.
• Durch Richten der Strömung der warmen Rückführluft in einem einwärtskonvergierenden Muster, wie dargestellt, wird ein Luftströmungsprofil durch die luftdurchlässige Heizfläche begünstigt. Da die Luft konvergiert, wird sie einwärtsgesogen durch die permeable Oberfläche 12, wie durch Pfeile 44 in Fig. 3 angedeutet. Wünschenswerterweise sollte der Luftdurchsatz an irgendeiner Stelle durch die luftdurchlässige Heizfläche 12 proportional sein zu der Menge an auftreffender Strahlung an der betreffenden Stelle, um die Wärmeabfuhr aus der Oberfläche zu maximieren. Wenn beispielsweise die Solarstrahlung auf das Zentrum der Heizfläche 12 fokussiert wird, ist es wünschenswert, den Durchsatz durch das Zentrum relativ zu jenem zu vergrößern, der durch die Peripherie strömt.
• Das gewünschte Strömungsprofil kann begünstigt werden durch Verändern der Permeabilität oder Porosität der luftdurchlässigen Heizfläche 12 als eine Funktion des Ortes. Für eine im wesentlichen flache, rechteckige Heizfläche 12 wird, wenn die Strahlung auf das Zentrum fokussiert ist, es allgemein wünschenswert sein, die Durchlässigkeit oder Porosität in den Bereich näher dem Zentrum zu erhöhen, während die Durchlässigkeit gegen die Peripherie relativ abnehmend ist. Da die Strömung zum Zentrum konvergiert, tendiert der Durchsatz durch das Zentrum der luftdurchlässigen Heizfläche 12 dahin größer zu sein, um so wirksam die größere Wärmemenge zu verwerten, die aus der fokussierten Strahlung herrührt. Auch wird es möglich sein, den Winkel zu verändern, unter dem die Warmluft über die luftdurchlässige Heizfläche 12 ausgetragen wird, um das gewünschte Strömungsprofil durch die Oberfläche herbeizuführen. Zusätzlich kann die Strömungsquerschnittsverringerungskontur im Bereich 46 der Abstiegsleitung 16 unmittelbar hinter der luftdurchlässigen Heizfläche 12 abgewandelt werden, derart, daß tendenziell die gewünschte Strömungsverteilung über der Oberfläche 12 begünstigt wird, um eine Anpassung des Strömungsenergieprofils herbeizuführen.
• Wie insoweit beschrieben, umfaßt der zentrale Solarempfängerturm 10 alle Komponenten, die erforderlich sind, um einen warmen Luftstrom umzuwälzen, Energie in den Strom an einer ersten Stelle der Umwälzströmungsstrecke einzubringen und Energie aus dem rezirkulierenden Strom an einem zweiten Punkt der Strömungsstrecke zu extrahieren. Die Solarempfängerelemente des Systems, die luftdurchlässige Heizflächen 12 umfassen, sind besonders effizient, indem sie direkt der Umgebung ausgesetzt sind und nicht in einer schützenden Hülle versenkt liegen. Darüber hinaus wurde eine effiziente Methode für das Einspeisen der warmen Rückführluft in die Heizflächen 12 beschrieben. Die Natur des Systems ist jedoch so, daß die warme Rücklaufluft auf der Außenseite der Heizflächen 12 eingespeist wird und allgemein Störungen aus der Umgebung ausgesetzt ist, insbesondere der Fehlströmung der Warmluft und des Mischens von Kaltluft, herrührend von Windstörungen.
• Um solche Wärmeverluste aus dem zentralen Solarempfängerturm 10 zu unterbinden, ist ein System für den Schutz oder die Abpufferung der erhitzten Luft gegenüber der Umgebung vorgesehen. Das System umfaßt eine Schutzluftleitung 50, ausgebildet nahe der Warmluftrückführleitung 38. Die Leitung 50 umfaßt eine Mehrzahl von Düsen oder Öffnungen 52, die so orientiert sind, daß sie einen schützenden Luftstrom oder Vorhang in einem Strömungsmuster ausrichten, das im wesentlichen ähnlich dem der Warmluftströmung ist, einwärts durch die Leitung 38. Wie dargestellt, wird die Schutzluft in demselben Strömungsmuster eingespeist, wie in Fig. 2 dargestellt, d.h. derart, daß sie so gerichtet ist, daß sie an einem Punkt generell nahe dem Zentrum der luftdurchlässigen Heizoberfläche 12 konvergiert.
• Wie am besten in Fig. 3 zu sehen, führt das gleichzeitige Austragen der warmen Rückführluft und der kalten Schutzluft durch die entsprechenden Leitungen 38 beziehungsweise 50 dazu, daß zwischen ihnen eine Grenzschicht 60 ausgebildet wird. Die Warmluft, die auf der Innenseite der Grenzschicht 60 strömt, ist immer noch in der Lage, einwärts durch die luftdurchlässige Fläche zu fließen, längs Strömungsfäden 44, wie zuvor beschrieben. Die Kaltluft, die sich auf der Außenseite der Grenzschicht 60 befindet, strömt auswärts längs Strömungsfäden 62 unter Bildung einer zweiten Grenzschicht 64 gegenüber der Umgebungsluft. Die nach außen strömende Schutzluft bildet demgemäß eine Pufferschicht, die die Störungen in der Warmluftrückströmung reduziert oder eliminiert, die herrühren würden vom Mischen und/oder Fehlleiten bezüglich der umgebenden Luft.
• In Fig. 4 bis 7 sind spezifische Beispiele der Struktur für den Austrag der warmen Rückführluft und der kalten Schutzluft bezüglich der luftdurchlässigen Heizfläche 12 illustriert. In Fig. 4 befinden sich ein Warmluftplenum 70 und ein Kaltluftplenum 72 nahe aneinander rings um die Peripherie der Heizfläche 12. Die Plenums 70 und 72 weisen Düsenstrukturen 74 beziehungsweise 76 auf, die eine Mehrzahl diskreter Luftströme (oder einen kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Luftvorhang unter einem Winkel α, relativ zu der freiliegenden Fläche der luftdurchlässigen Heizfläche 12 richten. Der Winkel α wird typischerweise im Bereich von etwa 5 bis 45 Grad variieren, vorzugsweise im Bereich von etwa 15 bis 30 Grad liegen, wobei der jeweils gewählte spezifische Winkel zum Verbessern der Gleichförmigkeit der Strömung von warmer Rücklaufluft durch die Heizfläche 12 gewählt wird, während immer noch die gewünschte Auswärtsschutzströmung der Luft aus dem Umgebungsluftplenum 72 beibehalten wird.
• Die Solarempfängerstruktur nach Fig. 4 umfaßt ferner eine reflektive Schürze 78, die die Peripherie der luftdurchlässigen Heizfläche 12 umgibt. Die Schürze 78 umfaßt eine innere reflektive Oberfläche, welche die Solarstrahlung zurück auf die freiliegende Fläche der Heizfläche 12 reflektiert, um eine verbesserte Sammlereffizienz zu begünstigen. Zweckmäßigerweise wird die Rückseite 79 der Schürze 78 gekühlt durch die Umgebungsluft, die mittels Gebläsen (nicht dargestellt) in das Luftplenum 72 eingespeist wird.
• In Fig. 5 ist eine Solarempfängerstruktur 90 ähnlich der nach Fig. 4 dargestellt. Der primäre Unterschied besteht darin, daß das Schutzluftplenum 72' nach vorn im Abstand liegt von dem Rücklaufwarmluftplenum 70. Wie dargestellt, befindet sich das Schutzluftplenum 72' rings um die vordere Peripherie der reflektierenden Schürze 78. Der zweite Unterschied besteht darin, daß Warmluft, die zur Oberfläche 12 zurückgeführt wird, durch Düsen 74 des Plenums 70 unter einem ersten Winkel α abgegeben werden kann, während die Schutzluft aus Plenum 72' durch Düsen 76' unter einem zweiten Winkel β ausgetragen werden kann. Die Struktur der Fig. 5 ist vorteilhaft insofern, daß der Warmluftstrom und der Kaltluftstrom aus Plenum 70 beziehungsweise 72' durch ein System von Sekundärströmungskonvektionszellen getrennt werden, die sich auf einer Zwischentemperatur befinden, was zu einem mehr allmählichen Temperaturgradienten zwischen der warmen und der kalten Luft führt. Die Dämpfung des Temperaturprofils seinerseits führt zu einem mehr allmählichen Dichtegradienten, der die Strömungsstabilität begünstigt und dahin tendiert, das Mischen der beiden Luftströme zu verringern.
• In Fig. 5 ist eine Solarempfängerstruktur 100 dargestellt, die im wesentlichen dieselbe ist wie die der Fig. 5, mit der Ausnahme, daß das Schutzluftplenum 72'' so orientiert ist, daß Düsen 76'' so orientiert sind, daß Luftströme, die im wesentlichen parallel zur Vorwärtsseite der luftdurchlässigen Heizfläche 12 gerichtet werden. Eine solche Struktur ist vorteilhaft insofern, daß die Radialgeschwindigkeitskomponente des Luftstroms, der aus den Düsen 76'' austritt, maximal gemacht wird, was seinerseits die Wirkung der Strömung über das gesamte Heizflächenfeld begünstigt. Unter bestimmten Umständen kann dies eine wirksamere Abschirmung gegen Umgebungswinde darstellen. Die Dominanz des Schutzluftstroms kann weiter begünstigt werden durch Orientieren der Düsen 76'' so, daß eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente vorliegt. Die resultierende Wirbelströmung kann den Abpufferungseffekt vergrößern.
• In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform 110 der Solarempfängerstruktur der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der Struktur 110 sind sowohl das Warmluftrücklaufplenum 70''' und das Schutzluftplenum 72''' an der vorderen Peripherie der reflektierenden Schürze 78 montiert. Die Düsen 76''' des Schutzluftplenums 72''' sind unter einem Winkel β orientiert, während die Düsen 74''' des Warmluftrücklaufplenums 70''' so gerichtet sind, daß die Warmluftströmung in einer Ebene gerichtet ist, die im wesentlichen parallel zur Vorderseite der luftdurchlässigen Heizfläche 12 ist. Die Struktur 110 ist vorteilhaft insofern, daß die Trennung der Warmluftströmung von der Heizfläche eine bessere Steuerung bezüglich der Verteilung der rückfließenden Warmluft durch die Heizfläche ermöglicht.
• In Fig. 8 ist eine Solarempfängerstruktur 130 mit einer zylindrischen luftdurchlässigen Heizfläche 132 dargestellt. Ein rundes Warmluftrückführplenum 134 und ein rundes Schutzluftplenum 136 sind an der oberen beziehungsweise unteren Peripherie der zylindrischen Heizfläche 132 vorgesehen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich die Plenums 134 und 136 unmittelbar nahe der äußeren Peripherie der zylindrischen, luftdurchlässigen Heizfläche 132 und umfassen Düsen 135 und 137, welche die Luftströmung unter kleinem Winkel von der Oberfläche wegrichten, generell wie in Fig. 4 oben dargestellt. Die Struktur 130 kann ferner eine reflektierende Schürze (nicht dargestellt) aufweisen, entsprechend generell der reflektierenden Schürze 78 in Fig. 4, und die Plenums 134 und 136 können relativ zueinander und zu der reflektierenden Schürze in irgendeiner der Geometrien, dargestellt in Fig. 5 bis 7, verlagert sein. Eine Warmluftaufstiegsleitung 140 (typischerweise eine von zwanzig solchen Leitungen) kann innerhalb der Struktur 130 vorgesehen sein, während Leitungen 142 Umgebungsluft von einem Gebläse 144 zu dem Schutzluftplenum 136 fördern. Der Vorteil der Solarempfängerstruktur 130 besteht darin, daß Solarstrahlung von irgendeiner Richtung in dem Heliostatenfeld reflektiert werden kann und auf die Heizfläche 132 auftreffen kann unter einem im wesentlichen senkrechten Winkel. Auf diese Weise kann die Heizeffizienz maximiert werden.

Claims (10)

1. Ein System für das Einspeisen eines ersten Luftstromes, der aufzuheizen ist zu einer luftdurchlässigen Aufheizoberfläche (12), welches System erste Leitungsmittel (50) aufweist zum Erzeugen eines zweiten Schutzluftstromes, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Leitungsmittel (36) vorgesehen sind für das Führen des ersten Luftstromes in einem konvergierenden Strömungsmuster nahe der durchlässigen Heizoberfläche und daß die ersten Führungsmittel ausgelegt sind zum Führen des zweiten Luftstroms nahe dem ersten Luftstrom in einem konvergierenden Strömungsmuster ähnlich dem des ersten Luftstroms und auf einer Seite des ersten Luftstromes abgewandt derjenigen der durchlässigen Aufheizoberfläche (12), wodurch der erste Luftstrom einwärts strömt durch die Oberfläche, während der zweite Luftstrom auswärts strömt weg von der Oberfläche.

2. Ein System nach Anspruch 1, bei dem die Strömungsmuster im wesentlichen radial konvergieren.

3. Ein System nach Anspruch 1, bei dem die Strömungsmuster im wesentlichen längs einer linearen oder gekrümmt-linearen Front verlaufen.

4. Ein System nach Anspruch 1, bei dem die luftdurchlässige Heizoberfläche (12) eine Serie von Gitterstrukturen ist, die in eine im wesentlichen planare Geometrie geformt sind.

5. Ein System nach Anspruch 1, bei dem die luftdurchlässige Heizoberfläche (12) eine Serie von Gitterstrukturen ist, geformt in eine im wesentlichen zylindrische Geometrie.

6. Ein System nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Rezirkulationsweg (14, 36, 16) für den ersten Luftstrom einschließlich der Heizoberfläche (12) vorgesehen ist, welche Heizoberfläche (12) zur Aufnahme fokussierter Sonnenstrahlung angeordnet ist.

7. Ein System nach Anspruch 6, bei dem Energie-Extrahier- Mittel (20, 23) innerhalb des Rezirkulationsweges positioniert sind.

8. Ein Verfahren zum Aufheizen eines rezirkulierenden Luftstroms einschließlich des Schritts der Erzeugung eines Schutzluftstroms, welches Verfahren umfaßt:

Konvergieren des rezirkulierenden Luftstroms in einem vorbestimmten Muster an einer Stelle nahe einer Solarheizoberfläche und

Konvergieren des Schutzluftstroms nahe dem rezirkulierenden Luftstrom in einem Muster ähnlich dem des rezirkulierenden Luftstroms, wobei der Schutzluftstrom auf einer Seite des rezirkulierenden Luftstroms abgewandt derjenigen der Solarheizoberfläche konvergiert, wodurch der rezirkulierende Luftstrom in Richtung der Solarheizoberfläche strömt, während der Schutzluftstrom von der Solarheizoberfläche wegströmt.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das vorgewählte Muster eine Radialkonvergenz zu einem Punkt ist.

10. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem der rezirkulierte Luftstrom längs eines Weges strömt innerhalb eines Solarempfangsturmes (10), wobei der Weg ein Warmluftsteigrohr (14) umfaßt, das Luft in Richtung der Heizoberfläche führt und ein Abstiegsrohr (16), das wieder erhitzte Luft von der Heizoberfläche empfängt zum Einspeisen in Wärmeextraktionsmittel (20, 23), welches Verfahren umfaßt:

Steuern der Temperatur von aus der Heizoberfläche austretender Luft durch Modulieren des Luftmassenstromes durch das Abstiegsrohr und

Ausgleichen des Massenstromes von dem Steigrohr in die Heizoberfläche, wodurch Luftverluste an die Umgebung und Lufteindringen aus der Umgebung minimiert werden.