EP3728964A1 - Solarreceiver zum aufnehmen von sonnenstrahlen und zum aufheizen eines mediums - Google Patents

Solarreceiver zum aufnehmen von sonnenstrahlen und zum aufheizen eines mediums

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EP3728964A1
EP3728964A1 EP18796392.1A EP18796392A EP3728964A1 EP 3728964 A1 EP3728964 A1 EP 3728964A1 EP 18796392 A EP18796392 A EP 18796392A EP 3728964 A1 EP3728964 A1 EP 3728964A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
solar receiver
solar
annular space
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP18796392.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Ipse
Andreas Wilhelm Pöppinghaus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kaefer Isoliertechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Kaefer Isoliertechnik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Kaefer Isoliertechnik GmbH and Co KG filed Critical Kaefer Isoliertechnik GmbH and Co KG
Publication of EP3728964A1 publication Critical patent/EP3728964A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03G6/02Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid
    • F03G6/04Devices for producing mechanical power from solar energy using a single state working fluid gaseous
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    • F24S80/00Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S2080/03Arrangements for heat transfer optimization
    • F24S2080/05Flow guiding means; Inserts inside conduits

Definitions

  • the invention relates to a solar power plant, and more particularly to a solar receiver of such a power plant.
  • This solar energy is collected and bundled in a collector field. Then the energy is radiated to one or more solar receivers.
  • solar receivers are described in numerous publications. As examples, reference is made to WO 2010/076347 A2 and to EP 2 871 359 B1.
  • a decisive component of a solar power plant of the type mentioned is the solar receiver.
  • the heating of air takes place, thus air from the environment or coming from a compressor air coming.
  • the invention has for its object to provide a solar receiver according to the
  • the preamble of claim 1 to be designed such that the efficiency of the solar receiver is increased.
  • the subtasks to be solved for this consist in the following:
  • the solar receiver according to the invention accordingly comprises the following features - in addition to those according to the preamble of claim 1:
  • the wall of the solar receiver comprises an outer wall, a
  • Outer wall and partition surround an outer annular space
  • Inner wall and partition enclose an inner annulus.
  • the outer annular space has at one end of the hollow body
  • Solar Receiver makes, an inlet for flowable medium; the two annular spaces are in the region of the opening in conductive connection with each other; the outer annular space has in the opening
  • connection to each other, and the inner annular space has an outlet for flowable medium in the end.
  • Solar receiver is formed from a hollow body comprising a wall formed of three individual walls, namely formed of outer wall, partition wall and inner wall, wherein an outer and an inner annular space are formed.
  • the to be heated cold air flows at one end of the hollow body in the outer annulus, flows through this to the other end; Here, the flow makes a turn, leaving the outer annulus and flowing into the inner annulus and this again flows through to the former end.
  • the partition wall between the outer and inner annular space may be thermally insulated, so that the two annular spaces are thermally separated from each other.
  • air will be used as the flowable medium. The air is heated on its way through the inner annulus, by means of the
  • the inner annular space is advantageously with fluid-carrying and / or
  • the fluid-carrying elements may, for example, be walls that run in a spiral through the inner annular space. They guide the incoming stream on a spiral path through the inner annulus from its entrance to its exit. The spiral path runs along the inner circumference of the wall. The existing solar energy in the interior of the solar body is thus transmitted to the medium in an optimal manner.
  • the turbulence-generated elements can be protrusions such as pins or sleepers, but also depressions. A swirling of the flowing medium leads to a better heat transfer.
  • a particularly interesting embodiment of guide elements is that they profile with sawtooth provides.
  • the sawtooth profile thus passes through the inner annulus. Its diameter can be, for example 500 to 600 mm, and its length, for example, 800 to 1000 mm.
  • the guide element can also be designed so that a plurality of threads are formed. Each air flow thus lays an equal distance back over the circumference of the inner annulus. The individual air streams therefore have the same temperature at the outlet from the inner annular space.
  • the inventive construction of the wall with an inner and an outer annulus follows the principle of the reverse pressure vessel - analogous to a submarine. Therefore, a stiffening of the lateral surface is necessary only outside.
  • the outer and the inner annulus are thermally largely decoupled from each other, so that on the outside of the solar receiver due to the lower surface temperature significantly less insulation is necessary. The insulation therefore becomes relatively simple. You do not have to resort to special ceramics as insulation.
  • Outer wall, inner wall and partition - to design and arrange so that the flow-through cross-section increases or decreases on the flow paths. This can be influenced on the pressure in the
  • Peak temperatures as well as the omission of hotspots do not require special materials.
  • the delivery of hot air at the end of the inner annulus should be done with minimal heat loss.
  • an internal insulation of the inner annulus can be recommended, analogous to "single-dome" gas turbines and the combustion chamber principle.
  • Standard components can be used by increased conductance and better heat transfer of the double flow of the flowable medium in opposite directions.
  • the fluid-carrying and / or turbulence-generating elements are of significant advantage for the efficiency of the solar receiver.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a solar power plant according to the prior art for generating electrical power.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a solar power plant according to the prior art, in which, however, the solar receiver can be designed according to the invention.
  • FIGS 3 to 7 show inventive solar receiver.
  • FIG. 3 shows a solar receiver in a plan view of a
  • cylindrical solar receiver in plan view of one end region.
  • FIG. 4 shows the object of FIG. 3 in an axial section according to the section line A-A in FIG. 3.
  • FIG. 7 shows the object of FIG. 6 in a plan view of its one end region.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an extended solar receiver with secondary concentrators in 3D view.
  • the solar power plant shown in Figure 1 illustrates the direct supply of concentrated solar energy to a gas turbine. It recognizes a heliostat field 1. This receives sun rays from the sun 2.
  • a tower 3 carries at its upper end at least one solar receiver 4. The radiated into the solar receiver energy heats from a compressor 5 highly compressed air. The heated air is fed to a Topping Combuster 6, and from there a gas turbine 7.
  • the other procedures are not essential to the invention.
  • the so-called Brayton-Rankine cycle is used.
  • a tower 3 carries at least one solar receiver 4. This may be designed according to the invention, as shown in the following figures 3 to 7.
  • the solar receiver 4 shown in Figures 3 and 4 is a hollow body of cylindrical shape. He has a wall 8.
  • the wall comprises an outer wall 8.1, an inner wall 8.2 and a partition wall 8.3.
  • the partition wall is located between outer wall 8.1 and inner wall 8.2.
  • Exterior wall 8.1 and partition 8.3 include an outer annulus 8.1.1, while inner wall 8.2 and partition 8.3 include an inner annulus 8.2.1 between them.
  • the wall 8 has a longitudinal axis 8.4.
  • Solar receiver 4 is arranged such that its opening 9 faces the heliostat, so that an optimum of rays passes into its interior. Solar receiver 4 does not have to be strictly cylindrical. An extension to the opening 9 out is conceivable, or vice versa a rejuvenation. Also, the walls delimiting the interior - seen in an axial section according to Figure 4 - not be rectilinear. A bell-shaped or funnel-shaped
  • the hollow body is open at its one end face. See opening 9. At its other end, channels 10 are visible. These are in a conducting connection with the inner annular space 8.2.1.
  • the partial flows of the air emerging here are collected in an outlet 11.
  • an inlet 12 can be seen at a distance. This is located in an end region which lies opposite the opening 9.
  • Inlet 12 is tangentially attached to the wall 8 - see Figure 3.
  • Inlet 12 leads to the hollow body process air to, for example, on the environment or from a compressor, and shown in Figure 1. The air is fed to the outer annulus 8.1.1.
  • the flow path of the air is as follows:
  • the air After the air enters the outer annular space 8.1.1, the air continues to flow in the direction of the longitudinal axis 8.4 of the hollow body up to that end of the
  • the outer annular space 8.1.1 flows through the initially relatively cold medium which has entered the tangential inlet 12. Although the medium is heated on its way from the inlet 12 to the region of the opening 9, it still remains at a relatively low temperature level. This is important in the case where one uses not only a single solar receiver but a plurality of them which contact each other, e.g. in the style of
  • the outer wall 8.1 performs the following functions:
  • the elements 13 located in the inner annulus 8.2.1 internals 13. These are elements that serve the air flow and / or the Heilverwirbelung (turbulence generation).
  • the elements 13 may be of different shape and arrangement. In the present case, the elements 13 together form a sawtooth profi. These are strands of any material, such as metal, which have a triangular cross-section. In this case, the apex of the triangle abuts against the dividing wall 8.3, and one side of each triangle abuts a surface of the inner dividing wall. This is also a reverse arrangement conceivable in which the tip of each triangle rests against the inner wall.
  • a particularly interesting embodiment is, in the illustrated triangular embodiment of the elements 13 to let each strand run spirally, thus starting from the region of the opening 9 of the
  • the elements 13 can also be designed quite differently. Thus, it is conceivable to provide, instead of a triangular cross-section, louvers which protrude into the inner annular space 8.2.1. Also nubs or pins can be provided. In any case, of course, it must be ensured that the inner annular space 8.2.1 can be completely flowed through by the air, thus from the region of the opening 9 of the hollow body to the end region which lies opposite the opening 9.
  • the partition 8.3 will generally be insulated against heat transfer.
  • Figures 5 to 7 give an impression of the shape and appearance of the elements 13. See in Figures 5 and 6, a hollow cylinder 13.1.
  • the hollow cylinder 13.1 is assembled from a mesh of many elements 13.
  • FIG. 5 shows, for example, the cylindrical outer wall 8.1 in phantom lines.
  • the partition 8.3 can be inserted, and in turn the hollow cylinder 13.1.
  • the inner wall has to be inserted 8.2, which is not shown here.
  • Figure 8 is a particularly interesting
  • Configuration Here is a cluster of solar receivers 4 is shown. These are arranged concentrically to one another.
  • Each solar receiver is preceded by a secondary concentrator 14.
  • the same number of secondary concentrators 14 is provided as the number of solar receivers.
  • Each secondary concentrator is constructed as follows: it has the shape of a funnel that widens, starting from the top end downwards. Its upper, tapered end is passed through the opening 9 of each solar receiver 4 and can more or less far into the interior of the
  • the opening 9 is sized and shaped to be defined by a collar 4.1 which is annular and whose outer peripheral edge adjoins the outer wall 8.1 of the solar receiver 4, optionally sealingly, while the inner circumference also sealingly engages the respective secondary wall. Concentrator connects.
  • Each secondary concentrator has a hexagonal cross section in the present case. This means that the outer surfaces of adjacent secondary concentrators fit snugly against each other (honeycomb shape).
  • the secondary concentrators are formed of bodies that consist of highly reflective material inside.
  • the inner surfaces are thus mirror surfaces.
  • the outer surfaces are expediently cooled.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Solarreceiver (4) zum Aufnehmen von Sonnenstrahlen, die ein fließfähiges Medium aufheizen, umfassend die folgenden Merkmale: • - einen Hohlkörper, der eine Längsachse (8.4) aufweist, eine die Längsachse (8.4) umgebende Wandung (8), eine in der Wandung (8) befindliche Öffnung (9) zum Eintritt von Wärmestrahlen, einen der Öffnung (9) gegenüberliegenden Endbereich. Der erfindungsgemäße Solarreceiver ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: • - die Wandung (8) umfasst eine Außenwand (8.1), eine Innenwand (8.2) sowie eine zwischen diesen beiden befindliche Trennwand (8.3); • - Außenwand (8.1) und Trennwand (8.3) umschließen einen äußeren Ringraum (8.1.1), Innenwand (8.2) und Trennwand (8.3) umschließen einen inneren Ringraum (8.2.1); • - der äußere Ringraum (8.1.1) weist im Endbereich einen Einlass (12) für fließfähiges Medium auf, die beiden Ringräume (8.1.1,8.2.1) stehen im Bereich der Öffnung (9) leitend miteinander in Verbindung, und der innere Ringraum (8.2.1) weist im Endbereich einen Auslass (11) für fließfähiges Medium auf.

Description

Solarreceiver zum Aufnehmen von Sonnenstrahlen und zum Aufheizen
eines Mediums
Die Erfindung betrifft ein Solarkraftwerk, und insbesondere einen Solarreceiver eines solchen Kraftwerks. Dabei wird in einem Kollektorfeld Sonnenenergie gesammelt und gebündelt. Sodann wird die Energie auf einen oder mehrere Solarreceiver eingestrahlt. Solche Solarreceiver sind in zahlreichen Druckschriften beschrieben. Als Beispiele wird verwiesen auf WO 2010/076347 A2 und auf EP 2 871 359 B1.
Solarkraftwerke dieser Art haben höhere Wirkungsgrade als Photovoltaikanlagen und sind bereits aus diesem Grunde von hohem wirtschaftlichem Interesse.
Jedoch sind die Betriebs- und Wartungskosten sowie die Investitionskosten relativ hoch. Man ist daher bestrebt, den energetischen Wirkungsgrad zu steigern, um somit durch eine höhere Ausbeute des Energieangebotes mit einem
Solarkraftwerk gegebener Größe höhere Endtemperaturen zu erzielen.
Ein entscheidendes Bauteil eines Solarkraftwerkes der genannten Bauart ist der Solarreceiver. Hier findet das Aufheizen von Luft statt, somit von Luft aus der Umgebung oder aus einem Kompressor kommende Luft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solarreceiver gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad des Solarreceivers gesteigert wird. Die hierzu zu lösenden Teilaufgaben bestehen in Folgendem:
- Steigerung der zu erzielenden Temperatur des aufzuheizenden
Mediums
- Verringerung der Investitionskosten
- Vermeiden sogenannter Hotspots
- Einsparung an Materialkosten Die genannte Hauptaufgabe sowie die Teilaufgaben werden mittels eines
Solarreceivers gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Solarreceiver umfasst demgemäß die folgenden Merkmale - zusätzlich zu jenen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 :
- Die Wandung des Solarreceivers umfasst eine Außenwand, eine
Innenwand sowie eine zwischen diesen beiden befindliche Trennwand.
- Außenwand und Trennwand umschließen einen äußeren Ringraum,
Innenwand und Trennwand umschließen einen inneren Ringraum.
- Der äußere Ringraum weist an einem Ende des Hohlkörpers, der den
Solarreceiver bildet, einen Einlass für fließfähiges Medium auf; die beiden Ringräume stehen im Bereich der Öffnung in leitender Verbindung miteinander; der äußere Ringraum weist in dem der Öffnung
gegenüberliegenden Endbereich einen Einlass für fließfähiges Medium auf; die beiden Ringräume stehen im Bereich der Öffnung in leitender
Verbindung miteinander, und der innerer Ringraum weist im Endbereich einen Auslass für fließfähiges Medium auf.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht somit darin, dass der
Solarreceiver aus einem Hohlkörper gebildet ist, der eine aus drei Einzelwänden gebildete Wandung umfasst, nämlich gebildet aus äußerer Wand, Trennwand und innerer Wand, wobei ein äußerer und ein innerer Ringraum gebildet sind. Die aufzuheizende kalte Luft strömt an einem Ende des Hohlkörpers in den äußeren Ringraum ein, durchströmt diesen bis zum anderen Ende; hier vollzieht die Strömung eine Wende, wobei sie den äußeren Ringraum verlässt und in den inneren Ringraum strömt und auch diesen wiederum zum erstgenannten Ende hindurchströmt. Es findet in der Wandung eine erste Strömung im äußeren Ringraum in einer ersten Richtung statt, und im zweiten Ringraum in einer entgegengerichtete Strömung. Die Trennwand zwischen dem äußeren und inneren Ringraum kann wärmeisoliert sein, sodass die beiden Ringräume thermisch gegeneinander abgegrenzt sind. Im Allgemeinen wird man als fließfähiges Medium Luft verwenden. Die Luft wird auf ihrem Wege durch den inneren Ringraum erhitzt, und zwar mittels der
Sonnenenergie, die in die Öffnung des Solarreceivers eingestrahlt wird.
Der innere Ringraum ist vorteilhafterweise mit fluidführenden und/oder
turbulenzerzeugenden Elementen ausgestattet. Die fluidführenden Elemente können beispielsweise Wände sein, die spiralförmig durch den inneren Ringraum hindurchlaufen. Sie führen den eintretenden Strom auf einer Spiralbahn durch den inneren Ringraum von dessen Eintritt zu dessen Austritt. Dabei verläuft die Spiralbahn entlang dem Innenumfang der Wandung. Die im Innenraum des Solarkörpers vorhandene Solarenergie wird somit auf das Medium in optimaler Weise übertragen.
Die turbulenzerzeugten Elemente können Vorsprünge wie Stifte oder Schwellen sein, aber auch Vertiefungen. Eine Verwirbelung des strömenden Mediums führt zu einem besseren Wärmeübergang.
Eine besonders interessante Ausführungsform von Führungselementen besteht darin, dass man diese mit Sägezahn profil versieht.
Das Sägezahnprofil durchläuft somit den inneren Ringraum. Dessen Durchmesser kann beispielsweise 500 bis 600 mm betragen, und dessen Länge beispielsweise 800 bis 1000 mm. Das Führungselement kann auch so gestaltet sein, dass mehrere Gewindegänge gebildet werden. Jeder Luftstrom legt damit einen gleich langen Weg über den Umfang des inneren Ringraumes zurück. Die einzelnen Luftströme weisen daher am Auslass aus dem inneren Ringraum die gleiche Temperatur auf. Der erfindungsgemäße Aufbau der Wandung mit einem inneren und einem äußeren Ringraum folgt dem Prinzip des umgekehrten Druckbehälters - analog einem U-Boot. Daher ist eine Versteifung der Mantelfläche nur außen notwendig. Der äußere und der innere Ringraum sind thermisch weitgehend voneinander entkoppelt, sodass auf der Außenseite des Solarreceivers aufgrund der dort niedrigeren Oberflächentemperatur ein deutlich geringerer Isolieraufwand notwendig ist. Die Isolierung wird daher relativ einfach. Man muss nicht auf Sonderkeramiken als Isolierung zurückgreifen.
Die durch das Sägezahnprofil und durch die einströmende Luft erzeugte
Luftverwirbelung hat folgende positive Effekte auf den Wärmeübergang:
- Höhere Verweilzeit durch Verlängerung des Strömungsweges gegenüber laminarer Umströmung/Umspülung.
- Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche durch die Profilgeometrie und die Oberflächenausbildung.
- Die Wärme verteilt sich gleichmäßig über die äußere Mantelfläche des
inneren Ringraumes. Dies führt zu einem Verringern sogenannter Hotspots (= örtlich begrenzte Flächenaufheizung durch Fokussierung aus dem Kollektorenfeld durch zeitbedingte Energieschwankungen). Die
mechanischen Spannungen sind daher durch die Erfindung minimiert. Sonst auftretende Hotspots gibt es nicht. Damit kommt es auch nicht punktuell zu erhöhten thermischen Spannungen.
Sowohl der innere Ringraum als auch der äußere Ringraum können
Strömungsquerschnitte aufweisen, die - über den Strömungsweg der Luft gesehen - konstant sind. Es ist aber auch denkbar, die Wände - somit
Außenwand, Innenwand und Trennwand - derart zu gestalten und anzuordnen, dass sich der durchströmte Querschnitt auf dem Strömungswege vergrößert oder verkleinert. Damit kann Einfluss genommen werden auf den Druck in den
Ringräumen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung eines Solarreceivers können handelsübliche Hochtemperaturstähle aus Gussstahl verarbeitet werden. Durch die geringeren Temperaturen und somit durch die Vermeidung von
Spitzentemperaturen sowie durch den Wegfall von Hotspots bedarf es keiner Sonderwerkstoffe.
Als Oberflächenbeschichtung genügt eine Plasmabeschichtung mit
Keramikwerkstoffen. Eine solche ist nur auf der Innenseite des inneren
Ringraumes notwendig. Dabei lassen sich Standardbauteile verwenden, so wie aus dem Rohrleitungs- und Kesselbau bekannt.
Die Abgabe heißer Luft am Ende des inneren Ringraumes soll mit möglichst geringen Wärmeverlusten erfolgen. Hier kann sich eine innere Isolierung des inneren Ringraumes empfehlen, analog zu„Single-Dome“-Gasturbinen und dem Brennkammerprinzip.
Durch die Erfindung werden im Einzelnen die folgenden Vorteile erzielt:
- Es werden Temperaturen des fließfähigen Mediums - Luft, Gas -von 700 bis 800° C erreicht.
- Es lassen sich Standardbauteile verwenden, und zwar durch erhöhten Leitwert und besseren Wärmeübergang der zweifachen Strömung des fließfähigen Mediums in entgegengesetzten Richtungen.
- Die fluidführenden und/oder turbulenzerzeugenden Elemente sind von wesentlichem Vorteil für die Effizienz (Wirkungsgrad) des Solarreceivers.
- Der Strömungsdruck ist relativ gering und führt zu einem besseren und vollständigen Wärmeübergang der im Innenraum des Solarreceivers vorhandenen Energie und dem inneren Ringraum. Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
- Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Solarkraftwerk gemäß dem Stand der Technik zum Erzeugen von elektrischen Strom.
- Figur 2 zeigt in Schematischer Darstellung ein Solarkraftwerk gemäß dem Stand der Technik, bei welchem jedoch der Solarreceiver erfindungsgemäß gestaltet sein kann.
Die Figuren 3 bis 7 zeigen erfindungsgemäße Solarreceiver. Im Einzelnen:
- Figur 3 zeigt einen Solarreceiver in einer Draufsicht auf einen
zylinderförmigen Solarreceiver in Draufsicht auf dessen einen Endbereich.
- Figur 4 zeigt den Gegenstand von Figur 3 in einem Axialschnitt gemäß der Schnittlinie A-A in Figur 3.
- Figur 6 zeigt den Gegenstand von Figur 5 in montiertem Zustand.
- Figur 7 zeigt den Gegenstand von Figur 6 in Draufsicht auf dessen einen Endbereich.
- Figur 8 zeigt in schematischer Darstellung einen erweiterten Solarreceiver mit Sekundär-Konzentratoren in 3D Ansicht.
Das in Figur 1 gezeigte Solarkraftwerk veranschaulicht die direkte Zufuhr konzentrierter Solarenergie zu einer Gasturbine. Man erkennt ein Heliostatfeld 1. Dieses empfängt Sonnenstrahlen von der Sonne 2. Ein Turm 3 trägt an seinem oberen Ende wenigstens einen Solarreceiver 4. Die in den Solarreceiver eingestrahlte Energie heizt von einem Kompressor 5 hochkomprimierte Luft auf. Die aufgeheizte Luft wird einem Topping Combuster 6 zugeführt, und von dort einer Gasturbine 7. Die weiteren Verfahrensabläufe sind für die Erfindung nicht wesentlich. Hierbei wird der sogenannte Brayton-Rankine-Zyklus angewandt.
Bei dem in Figur 2 schematisch dargestellten Kraftwerk ist wieder ein
Heliostatfeld 1 vorgesehen, bestrahlt von der Sonne 2. Ein Turm 3 trägt wenigstens einen Solarreceiver 4. Dieser kann gemäß der Erfindung gestaltet sein, sowie in den folgenden Figuren 3 bis 7 gezeigt.
Der in Figuren 3 und 4 dargestellte Solarreceiver 4 ist ein Hohlkörper von zylindrischer Gestalt. Er weist eine Wandung 8 auf. Die Wandung umfasst eine Außenwand 8.1 , eine Innenwand 8.2 und eine Trennwand 8.3 auf. Die Trennwand befindet sich zwischen Außenwand 8.1 und Innenwand 8.2. Außenwand 8.1 und Trennwand 8.3 schließen einen äußeren Ringraum 8.1.1 auf, während Innenwand 8.2 und Trennwand 8.3 einen inneren Ringraum 8.2.1 zwischen sich einschließen. Die Wandung 8 weist eine Längsachse 8.4 auf.
Solarreceiver 4 ist derart angeordnet, dass seine Öffnung 9 dem Heliostatfeld zugewandt ist, sodass ein Optimum an Strahlen in dessen Innenraum gelangt. Solarreceiver 4 muss nicht streng zylindrisch sein. Auch eine Erweiterung zur Öffnung 9 hin ist denkbar, oder umgekehrt eine Verjüngung. Auch müssen die den Innenraum begrenzenden Wände- in einem Axialschnitt gemäß Figur 4 gesehen- nicht geradlinig sein. Eine glockenförmige oder trichterförmige
Konfiguration ist denkbar.
Der Hohlkörper ist an seinem einen stirnseitigen Ende offen. Siehe Öffnung 9. An seinem anderen stirnseitigen Ende sind Kanäle 10 erkennbar. Diese stehen mit dem Inneren Ringraum 8.2.1 in leitender Verbindung. Die hierin austretenden Teilströme der Luft werden in einem Auslass 11 gesammelt. In den Figuren 3 und 4 erkennt man fernen einen Einlass 12. Dieser befindet sich in einem Endbereich, der der Öffnung 9 gegenüber liegt. Einlass 12 ist an die Wandung 8 tangential angesetzt- siehe Figur 3. Einlass 12 führt dem Hohlkörper Prozessluft zu, beispielsweise auf der Umgebung oder aus einem Kompressor, sowie in Figur 1 gezeigt. Dabei wird die Luft dem äußeren Ringraum 8.1.1 zugeführt.
Der Strömungsweg der Luft verläuft wie folgt:
Nach dem Eintritt der Luft in den äußeren Ringraum 8.1.1 strömt die Luft weiter in Richtung der Längsachse 8.4 des Hohlkörpers bis zu jenem Ende des
Hohlkörpers, an dem sich die Öffnung 9 befindet. Dort findet einer Umlenkung des Luftstromes um 180 Grad statt. Nach diesem Wendepunkt strömt die Luft in entgegengesetzte Richtung durch den inneren Ringraum 8.2.1 wiederum parallel zur Längsachse 8.4 in Richtung auf den Auslass 11.
Dieses Reverse-Flow-Prinzip hat erhebliche Vorteile: Der äußere Ringraum 8.1.1 ist durchströmt von dem zunächst noch relativ kalten Medium, das dem tangentialen Einlass 12 eingetreten ist. Das Medium wird zwar auf seinem Wege vom Einlass 12 bis zum Bereich der Öffnung 9 erwärmt, bleibt aber immer noch auf relativ niedrigem Temperaturniveau. Dies ist für jenen Fall wichtig, bei welchem man nicht nur einen einzigen Solarreceiver verwendet, sondern eine Mehrzahl hiervon, die berührend aneinander anliegen, z.B. nach Art von
Bienenwaben. Gäbe es bei den einzelnen Solarreceivern 4 nicht jeweils einen äußeren Ringraum 8.1.1 , so würden im gesamten Cluster der Solarreceiver unzulässig hohe Temperaturen erzeugt, die zur Zerstörung führen können.
Die erfindungsgemäße Außenwand 8.1 führt die folgenden Funktionen aus:
- Sie hält erheblichen Drücken stand
- Sie dient als Isolierung und verhindert eine übermäßige Erhitzung der
Außenwand - Sie fängt Wärme ein, die sich nutzen lässt.
Wie man aus den weiteren Figuren erkennt, befindet sich im inneren Ringraum 8.2.1 Einbauten 13. Dabei handle sich um Elemente, die der Luftführung und/oder der Luftverwirbelung (Turbulenzerzeugung) dienen. Die Elemente 13 können von unterschiedlicher Gestalt und Anordnung sein. Im vorliegenden Falle bilden die Elemente 13 gemeinsam ein Sägezahn profi. Dabei handle sich um Stränge aus jeglichen Material, beispielsweise Metall, die einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen. Dabei liegt die Spitze des Dreiecks an der Trennwand 8.3 an, und eine Seite eines jeden Dreiecks an einer Fläche der inneren Trennwand. Das ist auch eine umgekehrte Anordnung denkbar, bei welcher die Spitze eines jeden Dreiecks an der Innenwand anliegt.
Eine besonders interessante Ausführungsform besteht darin, bei der gezeigten dreieckförmigen Ausführungsform der Elemente 13 jeden Strang spiralförmig verlaufen zu lassen, somit ausgehend vom Bereich der Öffnung 9 des
Hohlbehälters zu dessen Ende hin.
Bei einer spiralförmigen Anordnung der dargestellten Elemente liegt der einzelne Strang sowohl an der Innenwand 8.2 als auch an der Trennwand 8.3 an.
Die Elemente 13 können auch ganz anders gestaltet sein. So ist es denkbar, statt eines dreieckförmigen Querschnitts Lamellen vorzusehen, die in den inneren Ringraum 8.2.1 hineinragen. Auch können Noppen oder Stifte vorgesehen werden. In jedem Falle muss natürlich dafür gesorgt werden, dass der innere Ringraum 8.2.1 von der Luft voll und ganz durchströmt werden kann, somit vom Bereich der Öffnung 9 des Hohlkörpers bis zum Endbereich, der der Öffnung 9 gegenüberliegt.
Die Trennwand 8.3 wird im Allgemeinen gegen Wärmeübergang isoliert sein. Die Figuren 5 bis 7 geben einen Eindruck von Gestalt und Aussehen der Elemente 13. Siehe in den Figuren 5 und 6 einen Hohlzylinder 13.1. Der Hohlzylinder 13.1 ist aus einem Geflecht von vielen Elementen 13 zusammengefügt. Figur 5 zeigt beispielsweise in Phantomlinien die zylindrische Außenwand 8.1. In diese lässt sich die Trennwand 8.3 einschieben, und in diese wiederum der Hohlzylinder 13.1. In den Hohlzylinder 13.1 muss noch die Innenwand 8.2 eingeschoben werden, was hier nicht gezeigt ist. Figur 8 ist eine besonders interessante
Konfiguration. Hier ist ein Cluster von Solarreceivern 4 gezeigt. Diese sind konzentrisch zueinander angeordnet.
Jedem Solarreceiver ist ein sekundär Konzentrator 14 vorgeschaltet. Somit ist dieselbe Anzahl von sekundär Konzentratoren 14 vorgesehen, wie die Zahl der Solarreceiver.
Jeder Sekundär-Konzentrator ist wie folgt aufgebaut: Er hat die Gestalt eines Trichters, der sich erweitert, vom oberen Ende ausgehend nach unten. Sein oberes, verjüngtes Ende ist durch die Öffnung 9 eines jeden Solarreceivers 4 hindurchgeführt und kann mehr oder minder weit in den Innenraum des
Solarreceivers hineinragen. Er kann aber auch an der Öffnung 9 beginnen. Wie man sieht, ist die Öffnung 9 bemessen und gestaltet, dass Sie von einem Kragen 4.1 definiert ist, der ringförmig ist und dessen äußere Umfangskante an die Außenwand 8.1 des Solarreceivers 4 anschließt, gegebenenfalls dichtend, während der Innenumfang ebenfalls dichtend an den betreffenden Sekundär- Konzentrator anschließt.
Jeder Sekundär-Konzentrator hat im vorliegenden Falle einen sechseckigen Querschnitt. Dies bedeutet, dass die Außenflächen einander benachbarter Sekundär-Konzentratoren satt aneinander anliegen (Bienenwabenform).
Eine gleiche Konfiguration kann auch vorgesehen sein bei den Solarreceivern, somit auch eine sechseckiger Querschnitt- anders als in der gezeigten Ausführungsform, bei welcher die Außenwände 8.1 kreisrunden Querschnitt haben.
Die Sekundär-Konzentratoren sind gebildet aus Körpern, die innen aus stark spiegelndem Material bestehen. Die Innenflächen sind somit Spiegelflächen. Die Außenflächen hingegen sind zweckmäßigerweise gekühlt.
Bei der gesamten Anlage gibt es mehrere Wärmequellen, die nicht unmittelbar für den Prozess verwendet werden, wohl aber mittelbar. Hierzu gehört jene Wärme, die an den Außenflächen der Sekundär-Konzentratoren anfällt. Eine weitere Wärmequelle befindet sich an der Außenwand 8.1 der Wandung 8. Alle diese Wärmemengen werden zweckmäßigerweise erfasst und einem
Wärmetauschprozess zugeführt, und somit genutzt.
Bezugszeichenliste
1 Heliostatfeld
2 Sonne
3 Turm
4 Solarreceiver
4.1 Kragen
5 Kompressor
6 Topping Combuster
7 Gasturbine
8 Wandung
8.1 Außenwand
8.1 .1 äußerer Ringraum
8.2 Innenwand
8.2.1 innerer Ringraum
8.3 Trennwand
8.4 Längsachse
9 Öffnung
10 Kanäle
1 1 Auslass
12 Einlass
13 Elemente
13.1 Hohlzylinder
14 Sekundär-Konzentrator
14.1 Spiegelelemente

Claims

Patentansprüche
1. Solarreceiver (4) zum Aufnehmen von Sonnenstrahlen, die ein fließfähiges Medium aufheizen, umfassend die folgenden Merkmale:
1.1 einen Hohlkörper, der eine Längsachse (8.4) aufweist, eine die Längsachse (8.4) umgebende Wandung (8) , eine in der Wandung (8) befindliche Öffnung (9) zum Eintritt von Wärmestrahlen, einen der Öffnung (9)
gegenüberliegenden Endbereich;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.2 die Wandung (8) umfasst eine Außenwand (8.1), eine Innenwand (8.2) sowie eine zwischen diesen beiden befindliche Trennwand (8.3);
1.3 Außenwand (8.1) und Trennwand (8.3) umschließen einen äußeren Ringraum (8.1.1), Innenwand (8.2) und Trennwand (8.3) umschließen einen inneren Ringraum (8.2.1);
1.4 der äußere Ringraum (8.1.1) weist im Endbereich einen Einlass (12) für
fließfähiges Medium auf, die beiden Ringräume (8.1.1 , 8.2.1) stehen im Bereich der Öffnung (9) leitend miteinander in Verbindung, und der innere Ringraum (8.2.1) weist im Endbereich einen Auslass (11) für fließfähiges Medium auf.
2. Solarreceiver (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der innere Ringraum (8.2.1) fluidführende und/oder turbulenzerzeugende Elemente (13) aufweist.
3. Solarreceiver (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stromführenden Elemente (13) wenigstens einen Spiralkanal bilden.
4. Solarreceiver (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die turbulenzerzeugenden Elemente (13) Vorsprünge und/oder Sicken umfassen.
5. Solarreceiver (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des äußeren Ringraumes (8.1.1) und/oder des inneren Ringraumes (8.2.1) in Strömungsrichtung zunimmt oder abnimmt oder gleich groß bleibt.
6. Solarreceiver (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass dem Einlass (12) und/oder dem Auslass (11) jeweils ein Ventil zugeordnet ist.
7. Solarreceiver (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Wandung (8) zylindrisch oder
rotationssymmetrisch oder parabolisch oder kugelförmig oder
halbkugelförmig ist.
8. Solarreceiver (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die stromführenden Elemente (13) wenigstens ein Sägezahnprofil bilden.
9. Solarreceiver (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Außenwand (8.1)- in einem achssenkrechten Querschnitt gesehen- eine sechseckige Gestalt aufweist.
10. Solarreceiver (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass dem Solarreceiver (4) ein Sekundeär-Konzentrator (14) vorgeschaltet ist.
11. Solarreceiver (4) nach Anspruch 10, umfassend die folgenden Merkmale:
- Der Sekundär-Konzentrator (14) ist trichterförmig gestaltet;
- Das sich verjüngende Ende des Sekundär-Konzentrators (14) ist im Bereich der Öffnung (9) an den Hohlkörper angeschlossen; - Die Innenfläche des Sekundär-Konzentrators (14) ist aus spiegelnden Material gebildet;
- Die Außenfläche des gesamten Sekundär-Konzentrators bzw. einzelner, diesen bildender Siegelelemente (14.1) ist mit einer Kühleinrichtung versehen.
EP18796392.1A 2017-12-22 2018-10-25 Solarreceiver zum aufnehmen von sonnenstrahlen und zum aufheizen eines mediums Pending EP3728964A1 (de)

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