DE9016385U1 - Absorber zum Umwandeln von konzentrierter Sonnenstrahlung - Google Patents

Description

Dr. V. Busse · Dipl.-lng. D. Busse

Atlantis Energie AG Dipl.-!ng. E. Eünemann

Thunstraße «n* Dipl.-lng. Ulrich Pott

Großhandelsring G - Postfach 1226

CH-3005 Bern -1- D - 4 e &ogr; &Ogr; OSNABRÜCK

Osnabrück, 30.Nov.1990 VB/Pr

Absorber zum Umwandeln von konzentrierter Sonnenstrahlung

Die Neuerung bezieht sich auf einen Absorberkörper zum Umwandeln von konzentrierter Sonnenstrahlung gemäss dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

Zum Einsatz in solarthermischen Kraftwerken sind verschiedene Strahlungsempfänger bekannt, bei denen die auftreffende Sonnenstrahlung durch Absorption an festen Körpern in Wärme umgesetzt und die so erzeugte Wärme auf ein durch den Empfänger strömendes Gas übertragen wird. Der darin übertragbare Wärmestrom hängt von der Temperaturdifferenz zwischen dem Absorberkörper und dem Gas, von der für den Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Fläche und von einem Wärmeübergangskoeffizienten ab. Der Wärmeübergangskoeffizient seinerseits hängt insbesondere von den Strömungsverhältnissen, den kalorischen und hydromechanischen Eigenschaften des Fluids, etc. ab. Der Wärmeübergang auf einen gasförmigen Wärmeträger ist naturgemäss schlechter als der Wärmeübergang auf beispielsweise ein flüssiges Medium, was sich in einem entsprechend kleinen Wärmeübergangskoeffizienten ausdrückt. Bei bekannten Absorbern ist man bestrebt gewesen, einen hohen übertragbaren Wärmestrom durch eine hohe Temperaturdifferenz und eine grosse Absorberfläche zu realisieren. Die maximal mögliche Temperatur des Absorbers ist jedoch durch die Eigenschaften seines Materials limitiert. Die für den Wärmeübergang insgesamt zur Verfügung stehende Fläche ist durch die Grosse des Brennfleckes, also die Fläche, auf welche die Strahlung konzentriert wird, vorgegeben. Bei einer Vergrösserung dieser Fläche, d.h. bei einer kleineren Strahlungskonzentration, ergibt sich bei ansonsten unveränderten Werten eine kleinere Strömungsgeschwindigkeit. Bei offenen Empfängern, d.h. solchen, wel-

ehe Aussenluft ansaugen, können die Strömungsgeschwindigkeiten dann jedoch dermassen niedrig liegen, dass äussere Einflüsse, wie beispielsweise Wind, sehr starke Aenderungen der Strömungsgeschwindigkeit im Absorber zur Folge haben können. Dies kann empfindliche Betriebsstörungen bis hin zur thermischen Ueberhitzung des Absorbers verursachen.

Es ist dementsprechend Aufgabe der vorliegenden Neuerung einen Strahlungsabsorber zu schaffen, welcher eine hohe Austrittstemperatur eines gasförmigen Mediums bei gleichzeitig hoher Strahlungskonzentration ermöglicht, um so einen kleineren und leichteren Aufbau des Empfängers, eine hohe Leistungsdichte und einen geringen Windeinfluss zu erzielen.

Diese Aufgabe wird neuerungsgemäss durch einen Absorberkörper mit den im kennzeichnenden Teil des Schutzanspruches 1 genannten Merkmalen gelöst.

Bei dem neuerungsgemässen Absorberkörper herrschen verbesserte Bedingungen im Bezug auf die Strahlenabsorption, da die Strahlen in den Absorberkörper eindringen können und somit eine höhere Einstrahlungsdichte möglich ist. Die bisher bekannten Bauformen von wabenförmigen Absorberkörpern verfügen über relativ grosse Wabenquerschnitte. In der vorliegenden Neuerung sind jedoch die Strömungsquerschnitte im Absorberkörper sehr eng, wodurch gegenüber den bekannten Lösungen ein deutlich verbesserter Wärmeübergang erreicht wird. Im folgenden wird die Neuerung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Solarkraftwerkes mit einer Anzahl am Boden angeordneter Spiegel und einem Turm mit daran befestigtem Empfänger,

Fig. 2 einen neuerungsgemässen Absorberkörper in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung für den prinzipiellen Strahlenverlauf, in einem neuerungsgemässen Absorberkörper,

Fig. 4 eine vergrösserte Einzelheit zum Strahlengang entsprechend Fig. 3.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Solarkraftwerkes, bei dem ein Absorberkörper beinhaltender Strahlungsempfänger 1 an einem Turm 2 angebracht ist. In der Umgebung des Turmes ist eine Vielzahl von Spiegeln angeordnet. Die Sonnenstrahlen 4 treffen auf die Spiegel 3 auf und werden von diesen reflektiert. Jeder einzelne der Spiegel 3 ist jeweils so eingestellt, dass die auf die Spiegelfläche fallenden Sonnenstrahlen 4 auf eine gemeinsame Fläche, den Brennfleck, reflektiert werden. In dieser Fläche befindet sich die Oberfläche der Absorberkörper des Strahlungsempfängers. Entsprechend der Anzahl und Form der Spiegel ergibt sich an der Absorberfläche eine Strahlungskonzentration, die beispielsweise etwa das 1·500-fache der normalen Sonnenstrahlung beträgt. Die von der Gesamtheit der Spiegel reflektierten, auf den Empfänger auftreffenden Sonnenstrahlen 5 sind nicht gerichtet, sondern sie streuen im wesentlichen um einen Winkel &dgr; . Zur Einstellung der gewünschten Absorptionsbedingungen am Empfänger 1 kann dessen Achse gegenüber der mittleren Richtung der Sonnenstrahlen um einen Winkel &Ggr; geneigt sein. Der am Turm 2 angebrachte, von den reflektierten

Sonnenstrahlen 5 beaufschlagte Strahlungsempfänger hat die Aufgabe, die konzentrierte Sonnenstrahlung möglichst vollständig in Wärmeenergie umzuwandeln und diese an ein strömendes Gas abzugeben. Innerhalb des Turms bzw. am Fusse desselben befinden sich deshalb in der Regel Mittel zum Erzeugen einer Strömung des zu erhitzenden Gases (nicht dargestellt) sowie Mittel zum Umwandeln der in diesem Gas enthaltenen Wärmeenergie in mechanische Arbeit bzw. elektrische Energie (nicht dargestellt).

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines neuerungsgemässen Absorberkörpers dargestellt. Der Absorberkörper besteht aus einem keramischen Wabenkörper 31, wobei das Keramikmaterial in einer vorteilhaften Ausführungsform porös und damit teilweise durchlässig für die auftreffende konzentrierte Sonnenstrahlung ist. Im unbehandelten Zustand weist das Keramikmaterial einen hohen Reflexionsgrad auf. Da die Oberfläche der Stirnwände (32) aufgrund der dünnen Wandstärke des Wabenkörpers (0,2 mm) nur einen kleinen Anteil an der gesamten Absorberfläche ausmacht, bleibt der Anteil der reflektierten Strahlung jedoch auch bei Verwendung eines unbehandelten keramischen Wabenkörpers relativ klein. Bei Verwendung einer absorbierenden Beschichtung wird der Anteil an reflektierter Strahlung verringert. Eine solche absorbierende Beschichtung besteht beispielsweise aus Kobaltoxid, Manganoxid oder anderen Metalloxiden. An der Stirnfläche 32 und im vorderen Bereich des Absorberkörpers wird ein grosser Teil der auftreffenden Strahlung durch Absorption in Wärme umgesetzt. Folglich herrschen an diesen Stellen gewöhnlich auch die höchsten Temperaturen. Das zu erhitzende Medium durchströmt den Absorberkörper in Strahlungsrichtung, d.h. das frische, noch kalte Gas kommt mit den meistbestrahlten Stellen des Absorberkörpers in Berührung. Aufgrund der hohen Tempe-

raturdifferenz stellt sich in diesem Bereich ein hoher Wärmestrom ein. Die Stärke bzw. Dichte der absorbierenden Beschichtung kann überdies an den einzelnen Oberflächenbereichen (Stirnfläche, Kanaloberfläche, Rückseite) unterschiedlich ausgeführt werden, um die Menge der längs des Strömungsweges durch den Absorberkörper örtlich umgewandelten Strahlungsenergie und damit die Wärmebelastung einzelner Bereiche des Absorberkörpers zu optimieren.

Die Beschichtungsdicke wird nach den beispielsweise durch die obenerwähnte Optimierung geforderten Absorptionseigenschaften festgelegt. Im Fall eines porösen, für die Strahlung teilweise durchlässigen Keramikkörpers hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn durch jede einzelne Oberfläche etwa 10 bis 70 % der Sonnenstrahlung hindurchgelangen.

Die engen Kanalquerschnitte bewirken nicht nur eine grosse Oberfläche, die für den Wärmeübergang zur Verfügung steht, sondern es stellen sich bei derart kleinen hydraulischen Durchmessern jedes einzelnen der Kanäle 33 solche Strömungsverhältnisse ein, die einen intensiven Wärmeübergang bewirken. Die Stärke der Absorberplatte und damit die Länge der Kanäle kann so vergleichsweise gering gehalten werden. Vorteilhaft ist eine Plattenstärke, die etwa dem 5- bis 10-fachen des Durchmessers eines rechnerisch sich ergebenden runden Kanals entspricht, der die gleiche Querschnittsfläche wie der ausgeführte rechteckige Kanal besitzt. Die in der Absorberplatte vorhandenen Durchtrittsquerschnitte sind sehr klein und demzufolge stellt sich beim Durchströmen der Absorberplatte ein Druckabfall ein. Die Stärke dieses Durckabfalls kann zusätzlich durch entsprechende Dimensionierung der Plattenstärke, d.h. durch die Länge der Kanäle beeinflusst werden.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind enge Kanalquerschnitte, in diesem Beispiel 1 &khgr; l mm bei einer Wandstärke von 0,2 mm ausgeführt. Durch ein entsprechendes Anstellen der Absorberplatte wird ein tieferes Eindringen zumindest eines Teils der Strahlung in die Absorberplatte erreicht. Die in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Neuerung vorhandene teilweise Durchlässigkeit des Absorberkörpers für die auftreffende Strahlung trägt zu einer weiteren Vergrösserung der Eindringtiefe der auftreffenden Strahlung bei. Dies wird im folgenden näher beschrieben.

In den Fig. 3 und 4 sind Beispiele für das Eindringen von Strahlen in den Absorberkörper und für die Absorption der auftreffenden Strahlung angegeben. In den Figuren wird deutlich, dass ein Teil der Strahlung 5 auf die Stirnflächen 32 und ein anderer Teil auf die Kanalflächen 34 auftrifft. Die Verteilung dieser Anteile ist abhängig vom Streuwinkel der Strahlung sowie vom Anstellwinkel des Absorberkörpers zur Strahlungsrichtung. In Fig. 4 ist ausserdem zu erkennen, dass ein Teil der auf die jeweilige Fläche auftreffenden Strahlung dort reflektiert wird und ein anderer Teil in den Körper eindringt und dort absorbiert wird. Je nach Strahlungskonzentration, Absorptions- und Reflexionsgrad sowie Wandstärke zwischen den Kanälen dringt ein Teil der Strahlung durch die Oberfläche 34 der Kanalwand 35 hindurch und von dort auf die nächste Kanaloberfläche auf. Die Eindringtiefe der Strahlung in den Absorberkörper ist, wie aus Fig. 4 deutlich wird, von der Aufteilung dieser Strahlungsanteile sowie von der Kanallänge, d.h. der Plattenstärke abhängig.

Der neuerungsgemässe Absorberkörper lässt sich mit ausserordentlich hohen Strahlungskonzentrationen betreiben, da durch die Ausführung der vorliegenden Erfindung günstige Verhältnisse für die Strahlenabsorption sowie für den Wärmeübergang der Absorberfläche und dem strömenden Medium geschaffen werden.

Claims (5)

Schutzansprüche

1. Absorberkörper (31) zum Umwandeln von konzentrierter Sonnenstrahlung in Wärme und zum Uebertragen der durch Absorption entstehenden Wärme auf ein strömendes Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper aus einem keramischen Material besteht, eine im wesentlichen plattenförmige Gestalt aufweist, mit einer Vielzahl durchgehender, von dem Fluid zu durchströmender Kanäle (33) versehen ist, dass der hydraulische Durchmesser jedes der Kanäle (33) 0,2 mm bis 1,5 mm beträgt, dass die besagten Kanäle im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Absorberplatte verlaufen, dass die Kanäle (33) wabenartig dicht benachbart sind und einen quadratischen Querschnitt haben, wobei die Wabenquerschnittsfläche ca. 0,8 bis 2 mm² und die Stärke der Wand (32) zwischen den Waben vorzugsweise ca. 0,1 bis 0,3 mm beträgt.

2. Absorberkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergangskoeffizient beim Wärmeaustausch zwischen dem Absorberkörper und einem die Kanäle unter Atmosphärendruck durchströmenden gasförmigen Fluid 200 bis 1400 W/m²K beträgt.

3. Absorberkörper nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper für die Sonnenstrahlung teilweise durchlässig ist.

4. Absorberkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material porös ist.

5. Absorberkörper nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Oberfläche (34) der den Keramikkörper (31) durchsetzenden Kanäle (33) zum Absorbieren der Sonnenstrahlung mit Absorptionsmitteln beschichtet ist.