EP3877706A1 - Method for operating a receiver and receiver for carrying out the method - Google Patents

Method for operating a receiver and receiver for carrying out the method

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Publication number
EP3877706A1
EP3877706A1 EP19806093.1A EP19806093A EP3877706A1 EP 3877706 A1 EP3877706 A1 EP 3877706A1 EP 19806093 A EP19806093 A EP 19806093A EP 3877706 A1 EP3877706 A1 EP 3877706A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
absorber
gas
radiation
space
receiver
Prior art date
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Pending
Application number
EP19806093.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gianluca AMBROSETTI
Philipp GOOD
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Synhelion SA
Eni SpA
Original Assignee
Synhelion SA
Eni SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Synhelion SA, Eni SpA filed Critical Synhelion SA
Publication of EP3877706A1 publication Critical patent/EP3877706A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00Details of absorbing elements
    • F24S70/60Details of absorbing elements characterised by the structure or construction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/80Solar heat collectors using working fluids comprising porous material or permeable masses directly contacting the working fluids
    • 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
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00Details of absorbing elements
    • F24S70/10Details of absorbing elements characterised by the absorbing material
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/20Working fluids specially adapted for solar heat collectors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44Heat exchange systems
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a receiver and a receiver for executing the method according to the preamble of claims 1 and 14, and a manufacturing method for a receiver according to the preamble of claim 25.
  • Receivers are used in solar power plants. They collect the concentrated solar radiation and thereby heat a heat-transporting medium through which the heat obtained is used in a subsequent technical process, be it through conversion into mechanical work, for example by driving turbines, for the execution of heat Processes in industry or for heating, for example the district heating of inhabited areas.
  • receivers designed as tube bundles are used, which are suitable for temperatures up to 600 ° C and concentrations of 600 suns.
  • predominantly spatially trained receivers are used, which are designed for concentrations of 600 suns, 1000 suns or more.
  • Such temperatures are usually above 600 ° C, range from 800 ° C to 1000 ° C and above, and can reach the range from 1200 ° C to 1500 ° C in the near future.
  • Such receivers can also be used with dish concentrators, albeit on a smaller scale.
  • spatial receivers are referred to as receivers, the dimensions of which are comparatively large in all three dimensions, in contrast to tubular receivers which are used in conjunction with trough or channel collectors.
  • Such tubular receivers have a dimension, the length, which is a multiple, in the region of ten or a hundred times or more, of the cross-sectional dimensions of the width or height.
  • Receivers for trough collectors are not designed for the temperatures mentioned above, since the trough-shaped concentrator concentrates in two dimensions with respect to the receiver, but the field of heliostats in a tower power plant or a dish concentrator does so in three dimensions.
  • Such receivers are known to the person skilled in the art as volumetric receivers, which are also suitable for solar tower power plants, the temperatures required being such in receivers of more than 500 ° C, or more than 1000 ° C, for example up to 1200 ° C.
  • the high operating temperatures lead to considerable design effort.
  • volumetric receivers have an extensive (voluminous, hence the term "volumetric" receiver) absorber structure, which can consist, for example, of a voluminous wire mesh or an open-pored ceramic foam.
  • the concentrated solar radiation then penetrates into the interior of the (voluminous) absorber structure and is absorbed there.
  • the heat-transporting medium such as air or a suitable reaction partner for a subsequent reactor is passed through the open-porous absorber structure and thus absorbs heat by means of forced convection on the open-porous absorber structure.
  • the absorber structure can also consist of a tubular structure, a staggered lattice structure or any structure with a large surface area which effects the convective heat transfer from the absorber structure to the heat-transporting medium when it flows through the absorber.
  • a volumetric receiver has become known, for example, from the REFOS project (Re DCVER for solar-hybrid gas turbine and combined cycle Systems; R. Buck, M. Abele, J. Kunberger, T. Denk, P. Heller and E. Lüpfert , in Journal de Physique IV France 9 (1999)), which is described in more detail below in connection with FIG. 1.
  • REFOS project Re DC for solar-hybrid gas turbine and combined cycle Systems
  • Such receivers have the disadvantage that the absorber structure is complex to manufacture and the flow through the absorber can become unstable, in particular due to a temperature distribution which is undesirable during operation.
  • the selected, heat-transporting gas is absorptive in the frequency bands of the infrared range, and the operating parameters If the meter is set in such a way that a significant part of the increase in heat takes place through absorption in the heat-transporting gas, a simplified concept of the receiver can be realized, since the heat transfer by convection is only reduced.
  • the absorption arrangement is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection simplifies the design of the absorber, and thus the construction and operation of the receiver, since the absorber no longer convectively transports the heat introduced via the solar radiation to the heat via its depth Must deliver gas.
  • FIG. 1b schematically shows a diagram with the temperature profile in the receiver of FIG.
  • 7a and 7b are diagrams with the temperature profile in a receiver according to the invention according to FIGS. 2 and 3, 8a to c diagrams with the efficiency and the temperature of the absorbent surface in a receiver according to the invention according to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 10 is a view of a further embodiment of the receiver according to the invention in the horizontal operating position
  • FIG. 11a shows a section through the annular space of the receiver of FIG. 10,
  • FIG. 11b shows an enlarged detail from FIG. 11a
  • FIG. 14 shows the steps of a setting method for a receiver according to the invention.
  • Figure la shows an experimental arrangement for a volumetric receiver 1 according to the REFOS project, with a heating area 2 for heating a heat-transporting medium, here air, the opening 3 designed as a quartz window for the radiation of the sun or sunlight 4 and an arranged in the path of the incident radiation 4 behind the quartz window 3, this radiation 4 absorbing absorber 5.
  • a trans port arrangement 6 for the transport of the heat-transporting medium through the heating region 2 has an inlet 7 in the embodiment shown, through which the medium enters the receiver 1 at an inlet temperature T and has an outlet 8 through which it leaves the outlet temperature T out .
  • the air is conducted with the inlet temperature temperature T in to the front side of the receiver 1, where it passes through suitably designed openings 10 into a distribution space 11 located in front of the absorber 5, is distributed and then flows through the absorber 5 , is thereby convectively heated, and finally reaches the temperature T out in a collecting space 13 and from there into the outlet 8, through which it leaves the receiver 1.
  • the quartz window 3 is arched towards the inside, so that the receiver 1 can be operated with increased pressure so that the heated air can be supplied under pressure to a downstream consumer, for example a turbine.
  • the absorber 5, which is constructed as a volumetric absorber and saves space by following the contour of the quartz window 3, has a number of layers of a fine wire mesh, into which the sunlight 4 can penetrate deeply, so that the absorber 5 heats up over its entire depth and thus through it Air flowing through is convectively heated to T oiL .
  • a conventional absorber in other embodiments can be formed from an open porous ceramic foam or another arrangement with a very large surface area compared to the air volume in the absorber in order to achieve the required convective heat transfer.
  • An insulation 12 surrounds the receiver 1, to which a secondary concentrator, which is omitted to relieve the figure, is connected in front of its optical opening 3 and concentrates the flow of solar radiation 4 to the quartz window 3.
  • a control for the receiver 1 and the transport arrangement 6 is also omitted, by means of which the operation of the receiver 1 or the supply and removal of air is suitably regulated, as is known to the person skilled in the art.
  • An outlet temperature T out of 800 ° C, with a ceramic absorber of 1000 ° C can be achieved by a receiver like the REFOS receiver shown.
  • FIG. 1b shows a diagram 15 with a temperature curve 16, which in connection with FIG. 1a shows schematically the temperature profile of the air flowing through the receiver 1.
  • section A from the inlet 7 to the end of the edge channels 9 there is a slight convective heating of the air from T, h to Ti (part 17 of the temperature curve 16).
  • section B during the passage of the air through the openings 10 in the absorber 5, there is a first, relevant and convective heating of Ti to T2 (part 18 of the temperature curve 16).
  • section C ie in the distribution space 11, the air heats up absorptively, but only slightly, since air as a gas mixture contains, for example, a small amount of CO 2 (or another gas) which absorbs in the infrared range, but is otherwise essentially transparent to infrared radiation (Part 19 of the temperature curve 16).
  • section D the air flows through the absorber 5, where it is convectively heated to the temperature T 4 , which corresponds to the outlet temperature T out (part 20 of the temperature curve 16).
  • section E the air passes through the collecting space 13 into the outlet 8, which in turn results in a slight absorptive temperature increase due to the infrared-absorbing gas component.
  • the temperature jump from T to T oiL is essentially convective, for example, according to diagram 15, the (realistic) ratio of the convective temperature increase to the absorptive temperature increase is greater than 5: 1.
  • Figure 2 shows schematically an embodiment of an inventive, designed as a spatial receiver receiver 25, with a heating region 26, which has an opening 3 for radiation from the sun, for example a quartz window, and a plate-shaped absorber 27 here, with between the quartz window 3 and the absorber 27 a He is a heating region forming absorption space 28 is provided, the medium from the heat transpor ting arrows shown from right to left, ie against the absorber 27, is flowed through.
  • the transport device 29 has around the quartz window 3 arranged inlet connection 30 for heat-transporting medium, which lead into the absorption space 28, and a central outlet connection 31 behind the absorber 27. To relieve the figure here as in the following figures the isolation of the receiver omitted.
  • the absorber 27 is designed as a blackbody radiation arrangement, i.e. it has an arranged in the path of the incident sunlight or the incident sun radiation 4, this radiation absorbing surface 27 ', which is designed such that it heats up due to the incident on the surface 27' solar radiation 4 and then over its surface 27 'corresponding to infrared radiation in the absorber room 28.
  • the absorber 27 emits its heat output to a substantial extent in the form of infra-red radiation into the absorber space 28, where the heat-transporting medium flowing to it is already largely or predominantly absorptively heated with regard to T oiL before it reaches it.
  • a “blackbody radiation arrangement” is understood to mean that the incident solar radiation 4 is absorbed as much as possible on the surface of the absorber. beers (so basically only little penetrates into the absorber, in contrast to the known volumetric absorbers), so that this surface heats up and thereby in the manner of a black body with the relevant high temperature in the absorber space 28, with other frequency spectrum compared to solar radiation.
  • the predominant portion of the Schwarzköprer radiation emitted into the absorber chamber 28 is at temperatures of the absorber 27 to 2000 ° K (or also above) in the infrared range, ie, as mentioned, in lower frequencies than the visible light.
  • the absorber according to the invention is designed to be cooled via its blackbody radiation to such an extent that the ratio c can be achieved (see the description below).
  • An elaborate absorber structure, particularly for volumetric receivers, which is staggered in depth and which absorbs solar radiation or radiation from the sun over its depth accordingly also over its depth by at least partially scattering it inside and increasingly absorbing it after multiple reflections is thus eliminated.
  • This also eliminates the complex thermal problems that frequently occur with such absorber structures.
  • the simple geometry of the absorber chamber 28 provides a prerequisite for a flow of the heat-transporting medium flowing from the opening 3 to the opposite absorber 27, which medium continuously heats up against the absorber.
  • the sun rays 4 preferably fall directly (i.e. without reflection on the walls of the absorber space 28) onto the absorber 27.
  • the flow of the heat-transporting medium and sunlight falling directly on the absorber through the opening have a common direction.
  • a stratified heat distribution can be generated in the absorber chamber 28, the layers of which extend over the cross section of the absorber chamber 28.
  • the black body infrared radiation of the absorber 27 and the adjacent region of the heat-transporting medium result in no spreading of the hottest layer of the medium against the opening 3.
  • the absorber 27 is further preferably designed with little convection, i.e. For example, easily flowable, without increased convective properties are important for the heat exchange. This also eliminates the training for maximized convection of the medium flowing through, i.e. the structure necessary for the most efficient heat exchanger with a large surface area in comparison to the flowing volume of the heat-exchanging medium, which is complex and therefore costly to manufacture with high efficiency and which results in a considerable pressure drop in the flowing medium during operation, which in turn results for the Efficiency of the corresponding receiver is disadvantageous.
  • the simplified structure of the absorber 27 opens, as mentioned above, the possibility for an inexpensive positioning (low-cost receiver for high temperatures) and also a more stable operation, for example from a thermal FH perspective (temperature distribution over the absorber 27), which leads to an improved Industrial suitability of the receiver leads.
  • a receiver with a heating area for the heating of a heat-transporting medium, which has an opening for the radiation of the sun, and an absorber arranged in the path of the incident radiation of the sun and absorbing it, with a transport arrangement for the transport of the medium through the heating area, with an absorption space for the outside of the absorber Heating of the heat-transporting medium is provided and the absorber is designed as a low-convection black body radiation arrangement and the transport arrangement for transporting a gas as a heat-transporting medium.
  • the absorber designed as a low-convection, black-body radiation arrangement is preferably designed for the through-flow of the heat-transporting gas and is more preferably located opposite the optical opening 3.
  • the absorber space 28 is preferably provided between the opening 3 for the radiation from the sun and the absorber 27, the ratio c being the ratio of the temperature increase (T 3 - T2) by absorption of the radiation from the absorber 27 in this absorber space 28 to the total temperature increase (T 4 - T2) by absorption and convection at the absorber 27 after the gas has passed through it.
  • the gas has passed from the absorber 27 when it has either just passed through the absorber 27 and thus reached the collecting space 33, or when it has just been removed laterally at the location of the absorber 27 (for example through openings 92 "'or 93"'According to Figure 5), of course, both options can be provided simultaneously in a specific embodiment.
  • the collecting space 33 which is located on the rear side of the absorber 27, is designed as a further absorber space.
  • gas is conducted around the absorber to a rear of the absorber and then away from it.
  • the heat-transporting gas which has already been absorptively and convectively heated, flows through this further absorption space and is additionally heated, absorptively and convectively, preferably according to the invention with a temperature ratio c> 0.3.
  • this makes it possible to enlarge the radiating surface 27 'and thus optimize the absorptive heat transfer.
  • the heating area thus has two absorber rooms with a common absorber, the ratio c being provided for one or for both of the absorber rooms.
  • an infrared-absorbing gas or gas mixture which absorbs in frequency bands of the infrared range is also used as the heat-transporting medium.
  • gases are, for example, heteropolar gases, preferably CO2, water vapor, CH4, NH3, CO, SO2, SO3, HCl, NO, and NO2, or a mixture thereof, such as a mixture of water vapor and CO 2 .
  • the radiation from the sun also has a portion of infrared frequency bands insofar as these reach the earth's surface through the atmosphere. Thanks to the design of the heating region 26 in such a way that it is little to hardly transparent for infrared frequencies this (comparatively small) portion as far as possible directly, without going through the absorber 27, so that according to the invention it is highly efficient for heating the heat-transporting fluid. This is in contrast to conventional receivers, in which the infrared portion of the solar radiation essentially heats up the absorber and is then predominantly released convectively to the heat-transporting fluid.
  • the absorber according to the invention can be designed as a perforated plate, preferably as a double perforated plate or as a simple, flat lattice structure.
  • a hole pattern is distributed over its extent, so that the heat-transporting gas can easily flow through, but sufficient or as much as possible of the surface of the perforated plate for absorption of the incident solar radiation and infrared reflection into the absorber space is.
  • the hole pattern can be designed for easy flow, since there is no need for convection and reduced flow resistance is advantageous. The person skilled in the art can easily optimally determine the hole pattern in the specific case.
  • the absorber can also be made gas-tight, in which case the gas flows out of the absorber space 26 laterally, as shown for example in FIG. 5. Then the gas is led past the absorber.
  • the person skilled in the art can provide a mixed form so that part of the gas flows through the absorber and part flows past it.
  • the absorber then at least partially has a gas-tight surface and is preferably plate-shaped (a completely gas-tight surface is present when the gas is guided past the absorber).
  • a suitable material for the absorber has both a high degree of absorption of solar radiation and a high emissivity of infrared radiation, which - if necessary - with suitable texturing of the surface 27 'such as V-grooves, pyramids protruding into the surface or protruding, or other radiation traps can also be increased.
  • high temperature (change) and corrosion resistance e.g. against oxidation by water vapor or C02 at high temperatures
  • Suitable materials are floch temperature ceramics such as silicon carbide (SiC) as well as fire-resistant building materials, which the person skilled in the art can select in particular in view of the temperature range provided.
  • the inlet connections 30 are not arranged around the quartz window 3, but in the direction of the incident solar radiation 4 behind the quartz window 3 or the opening for solar radiation.
  • the corresponding lines for the heat-transporting gas are not in the plane of the quartz window 3, but at least immediately behind, i.e. not on the surface of the receiver 25 facing the incident light. A corresponding shielding against the light is thus omitted, the opening 3 being able to be dimensioned precisely to the cross section of the incident, concentrated light.
  • a receiver with a heating area for the heating of a heat-transporting medium which has an opening for the radiation of the Sun, and a arranged in the path of the incident radiation of the sun, this absorbing absorber has, with a transport arrangement for transporting the medium through the heating area, wherein an absorber space for heating the heat-transporting medium is further provided, one end of which the opening for the radiation of the sun and its other end is formed by the absorber lying opposite the opening, such that the sun's radiation entering through the opening essentially falls completely on the absorber, and the absorber acts as a radiation arrangement acting in the absorber space and the transport arrangement for the transport of a gas is designed as a heat-transporting medium, and this in the area of the opening, but in the direction of the incident radiation behind the opening, feeds the absorber chamber and (only) in the region of the absorber from the absorber chamber, such that in operation there s heat-transporting medium completely crosses the absorber space in a direction corresponding to the incident solar radiation from one end with
  • the receiver according to the invention can be designed in such a way that the temperature increases during transport through the heating area by absorption of the radiation from the absorber in such a way that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) by Absorption of the radiation from the absorber compared to the total temperature increase (T 4 - T 2 ) due to the absorption of the radiation from the absorber and convection at the absorber is> 0.3, but is particularly preferred up to> 0.8 (see the description below) .
  • This arrangement makes it possible, inter alia, to generate a stable temperature distribution during operation, with the temperature increasing steadily towards the absorber 27, the temperature distribution in a cross section of the absorber space also not changing significantly over time.
  • Constantly rising temperature against the absorber means that the layer of the heat-transporting gas adjacent to the opening or to the quartz window 3 is the has the lowest temperature and thus generates the lowest heat reflection through the quartz window 3, which contributes to the high efficiency of the receiver according to the invention.
  • the same temperature distribution over the cross section of the absorber space allows the outlet port 31 to be provided at an optimal location, for example at the location of the highest temperature of the heat-transporting medium, which is not, as shown in FIG. 2 by way of example, arranged centrally on the longitudinal axis of the receiver have to be.
  • FIG. 4 shows a diagram 40 with a temperature curve 41, which in connection with FIG. 2 or FIG shows the receiver 25 flowing gas.
  • part 42 of the temperature curve shows the heating of the infrared-absorbing, heat-transporting gas from T in to Ti, in the event that, in the embodiment of the receiver 25 shown in FIG. 2, the infrared-absorbing gas as in the receiver 1 the air (FIG. 1) is also to be transported along the absorption space 28 to the end face (which is, however, not mandatory).
  • section G there is a slight convective heating of the air from Ti to T2 (part 43 of the temperature curve 41) due to the passage of the gas through the inlet connection 30.
  • the infrared absorbing gas flows through the absorption space 28 and it heats up absorptively by the infrared radiation 32 of the absorber 27 (here with the infrared portion of the solar radiation) from T2 to T3 (part 44 of the temperature curve 41) before it cuts off I flows through it and heats up convectively from T3 to T4 (part 45 of temperature curve 41).
  • the infrared absorbing gas in the section K from T 4 to the outlet temperature T out (part 46 of the temperature curve 41) while the gas is in the collecting space 33 and against the outlet nozzle 31 flows.
  • the jump in temperature from T in to T out is largely absorptive. It follows from the illustration in FIGS. 2 and 3 that the transport arrangement of the receiver preferably has an absorption space 28 in the flow direction upstream and a further absorption space (here designed as a collection space 33) in the flow direction behind the absorber 27.
  • the person skilled in the art determines the operating parameters, generally starting from the desired or necessary outlet temperature T out and the inlet temperature T given by the use of the heat from the receiver. Furthermore, he selects the infrared absorbing gas or gas mixture suitable in the specific case and defines the flow rate in the absorption space 28 (which in turn may depend on the current sun radiation). Such and other operating parameters resulting in the specific case can depend on one another, with the result that the absorptive increase in the temperature from T to T in section F1 of FIG. 3, ie in the absorption space 28, in the specific case depending on the larger or smaller fails.
  • the person skilled in the art can, in the specific case, have the ratio c> 0.3 on the absorption of only the absorber radiation 32.55 or on the absorption of the absorber radiation, including the absorption of the infrared portion of the radiation through the absorption space 28, 57 (FIGS. 2 and 5) 4) refer to ongoing solar radiation 4. It results that according to the invention a gas which absorbs in frequency bands of the infrared range is provided as the heat-transporting medium.
  • an absorption space interacting with the absorber is dimensioned such that in operation the ratio c of the absorptive temperature increase (T 3 - T2) of a heat-transporting gas absorbing in frequency bands of the infrared range in the absorption chamber compared to the total temperature increase ( T 4 - T 2 ) by absorption and convection at the absorber> 0.3.
  • the heat-exchanging gas preferably flows through an absorber zone (absorption space 28) against an absorber (absorber 27), it being absorbed in the absorber zone and also convectively heated by the absorber.
  • a receiver can be structured in several stages, i.e. Gradually heat up heat-transporting medium. According to the invention, at least one stage for an absorptive / convective heating with the ratio c of> 0.3 is then formed.
  • the heating region then preferably has two absorption spaces, the ratio nis c being provided for one or for both of the absorption spaces in conjunction with the absorber.
  • the amount of heat radiated by the absorber is absorbed as far as possible by the gas transporting gas in the absorption space (and, for example, does not penetrate the gas and escapes from the receiver through the opening for solar radiation as reflection).
  • a determining parameter here is the absorptivity a of the heat-transporting gas, which can be measured by experiments, calculated from spectral line values from molecular spectroscopic databases (eg FIITEMP2010), or can also be determined approximately from emissivity diagrams according to the rule of the fleet.
  • the distance F1 between the absorber and the opening has such a distance under the current operating conditions of the receivers that 60% or more of the heat output radiated by the absorber is absorbed by the heat-transporting gas in this spatial region, the efficiency of the Receiver that is designed to absorb the absorber heat.
  • a flea in the space area mentioned is particularly preferred such that 80% or more, particularly preferably 90% or more, of the radiated thermal output of the absorber is absorbed by the heat-transporting gas.
  • the absorber space certainly has an opening for the radiation from the sun and an absorber acting in it via its blackbody radiation, ge according to FIGS. 2 to 4 preferably the absorber opposite the opening.
  • the absorber space can not be cylindrical, but can be configured as desired, for example with a jumping side wall, so that the opening is smaller than the surface of the absorber, which is advantageous in view of the undesired reflection.
  • the radiation is concentrated in the opening by a concentrator and diverts after the opening in such a way that the entire and larger absorber surface is illuminated.
  • the absorber room may not have a height under the protruding walls, but under the opening such that there is an absorption in the above-mentioned degree in the affected area (where this height is present).
  • the person skilled in the art can determine the height depending on the parameters determining the absorption: as mentioned, these are the types of the gas, its operating pressure, its temperature and the temperature of the absorber surface during operation, which in this respect determine an operating state of the receiver.
  • the absorption space has a height above the absorber such that, when the receiver is in an operating state, 60% or more, preferably 80% or more, very particularly preferably 90% or in this area more of the radiated heat output of the absorber is absorbed by the heat-transporting gas.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the receiver according to the invention.
  • a section through a receiver 50 is shown, which corresponds to the receiver 25 of FIG. 2, but the absorber 51, with its absorbent surface 51 'facing the optical opening 3, has a preferably plate-shaped section 54 which projects into the absorber space 57 and has a section extends in the middle of the absorber chamber 57 against the opening 3 and which is oriented essentially parallel to the flow direction of the infrared-absorbing, heat-exchanging gas indicated by the arrows.
  • the section 54 essentially absorbs infrared radiation emitted by the absorbing surface 51 ', insofar as this has not yet been absorbed by the gas flowing along it, that is to say in particular radiation in those frequency bands for which the gas is less absorbent.
  • Such an arrangement can be implemented in larger dimensions, for example with a diameter of the absorber surface 51 'of 15.96 m and a length of the absorption space 53 (absorber surface 51' to optical opening 3) of 15.96 m.
  • the receiver 50 is then suitable for recording the flow of a large number (or all) of fleliostats in a tower power plant. The result is that the receiver 50 has an absorption space 57 and the absorber 51 projects into this space with a section or secondary absorber 54, which is preferably plate-shaped.
  • a glass wall for example transparent for the visible spectrum of sunlight
  • borosilicate glass for example transparent for the visible spectrum of sunlight
  • the optical opening 3 FIG. 4
  • the glass wall is heated by the infrared radiation of the absorber surface 51 ', or by its frequency components which have not yet been absorbed by the gas, and even in the manner of the black body radiates in both directions, namely both against the optical opening and against the absorber.
  • the person skilled in the art can design the glass plate in such a way that for the section of the absorption space between the glass plate and the optical opening and the glass plate assigned to it and also for the section of the absorption space between the glass plate and the absorber with the absorber assigned to it the ratio c of> 0.3 is reached.
  • a receiver that reduces another one as a blackbody radiation arrangement Convection trained secondary absorber in an in front of the absorber Absorpti onsraum, which is arranged and designed such that it can be heated by the infrared radiation of the absorber.
  • Fig. 6 shows schematically a cross section through a further embodiment of a receiver in the manner of that of Figure 2.
  • the sun rays 4 fall through a window, for example quartz glass 3 on the absorber 27, the radiant surface 27 'flowing through in the absorption chamber 26 Gas heats, the temperature of which increases from window 3 to absorber 27.
  • the gas can be removed via openings 91 to 91 "'' in the cylindrical wall of the receiver 90 at predetermined, different temperatures below the operating temperature of the heat-transporting fluid, but the main flow of the heat-transporting fluid is still the same in the region of the absorber is taken from the absorption space 26 at operating temperature, the arrows indicate the direction of flow of the heat-transporting gas, the arrows at openings 91 to 91 '"being drawn in correspondingly longer as the temperature rises.
  • a line 93 protruding into the absorption space 26 can be provided for the gas, which then has openings 92 to 92'" in the gas at the location of the openings 92 to 92 '"
  • heat-transporting gas can also be returned to the receiver at different temperatures that further preferably in the area of the openings 91 to 91 '"and 92 to 92'" further supply lines for the heat-transporting gas are provided in the absorption space 26 of the receiver 90 (which are omitted here to relieve the figure).
  • the transport arrangement has one or more lines 91 to 91 '"and 92 to 92'" connected to an absorber space 26 for heat transport of the gas, which are arranged such that gas which has been partially heated is removed from the absorber space 26 / or partially heated gas can be supplied at a location at which the temperature of the gas in the absorber space 26 essentially corresponds to the temperature of the partially heated, supplied gas.
  • Such supply and discharge lines for partially heated gas can be provided on an absorptive receiver according to the invention without having to modify its layout, in particular the absorber 27 - these lines can also be used or shut down without it due to the different heat transfer a constructive modification is required.
  • FIGS. 7a and 7b and 8a and 8b show various operating parameters in a receiver according to FIG. 2 according to a mathematical modeling of the receiver 25 from FIG. 2 by the applicant.
  • the system has been modeled using the most precise method available today, namely "spectral line-by-line (LBL) photon Monte Carlo ray tracing", the absorption coefficients coming from the HITEMP 2010 Spectroscopic Database.
  • LBL line-by-line
  • a receiver is modeled, whose absorption space has a diameter of 15.96 m and a flea of 15.96 and the opening 3 has a diameter of 11.28 m. This results in an area of the absorbent surface 27 'of 200 m 2 and an area of the opening 3 of 100 m2.
  • Water vapor was assumed to be the heat-transporting medium, at a pressure of 1 bar, without a window in the opening 3.
  • the radiation flow at the opening 3 is 200 kW / m 2 and at the absorbing surface is 27,600 kW / m 2 (which is opposite the Opening 3 has twice the area).
  • the absorbent surface 27 ' was assumed to be a radiant black body and, in contrast to FIG. 2, with a continuous, flat and smooth surface, so that the heat-transporting medium in the manner shown in FIG. 5 through openings 91'"at the level of the absorber 27 is guided laterally out of the absorber space 26.
  • FIGS. 7a and 7b show, using diagrams 60 and 65, the temperature profile during operation of the receiver 20 (FIG. 2) along its longitudinal axis, starting from the opening 3: the temperature in Kelvin is plotted on the vertical axis and on the horizontal axis the distance from the opening 3.
  • Diagram 60, FIG. 6a shows a process with an inlet temperature T m of 100,000 K and an outlet temperature T out of 400 K.
  • Diagram 65, FIG. 6b also shows a process an inlet temperature T of 1,000 K, but an outlet temperature T out of 800 K.
  • FIGS. 7a and 7b show, along with a proof-of-concept for an absorptive receiver according to FIGS. 2 and 3, the possible design of such a receiver according to FIG. 6.
  • FIG. 8a shows a diagram 70 for the efficiency of the receiver 20 (FIG. 2).
  • the output temperature T out is plotted on the horizontal axis, a constant input temperature T in of 100,000 K being assumed.
  • Curve 71 shows the efficiency of receiver 20 as a function of the initial temperature T out .
  • the reduction in efficiency against higher temperatures T out can be explained by the increased (loss) retroreflection from opening 3 due to the higher temperatures - despite the constant input temperature Ti n of 100,000 K, since part of the retroreflection from the Inside the absorber room (with elevated temperatures).
  • the concept of the absorptive receiver accordingly has an efficiency level that is equal to that of conventional convective receivers or even better with an increasing output temperature Tout.
  • FIG. 8b shows a diagram 75 for the temperature of the absorbent surface 27 'as a function of the starting temperature T out .
  • curve 76 shows the temperature at the edge of the absorbing surface 27 'and curve 77 the temperature in the middle thereof.
  • Curve 78 shows their average temperature.
  • the temperature difference to the absorbing surface 27 ′ which becomes smaller with a higher T out, can be explained by the fact that the energy radiation of the black body increases with the fourth power of its temperature - with a relatively small temperature increase (here by 300 K), the heat-transporting medium becomes massively higher heated (here around 1000 K).
  • the concept of the absorptive receiver therefore has considerable flexibility with regard to the intended temperature T out : an absorber suitable for high temperatures can equally be used for different temperatures T out , which is not the case with the convective absorbers of the prior art and that Concept of apsorptive low-cost-high-temperature receiver supported.
  • FIGS. 8a, b and 8a, b also apply, according to the modeling used, to a receiver 20 (FIG. 2) with smaller dimensions but increased pressure in the heat-transporting medium.
  • FIG. 8 c shows a diagram 80 for the efficiency of the receiver 20 (FIG. 2), but with a window in the opening 3 and for different dimensions.
  • the degree of efficiency for the large dimensions of the receiver 20 can be seen in accordance with the description of FIGS. 6a, b and 7a, b, s. curve 82.
  • the somewhat lower efficiency compared to FIG. 7a is explained by the reduced flow due to the window on the absorbent surface of 554.4 kW / m 2 instead of 600 kW / m 2 .
  • FIGS. 8a to c also apply to a receiver according to FIG. 3.
  • the receiver 100 is shown with an axis 103, which is arranged vertically, in which case the radiation from a heliostat field is directed vertically downwards onto the receiver 100 located near the ground via mirrors arranged in the solar tower, such an arrangement is known to the person skilled in the art known as "beam down".
  • the radiation from the heliostat field can also be directed vertically upwards via mirrors or by the heliostats themselves, in which case the receiver 100 is located on the top of the solar tower.
  • the heat-transporting medium is now, as mentioned above, in contrast to the embodiment tion form according to Figure 2 not through nozzles or openings 30 in the plane of the opening (or a window) 3 for the radiation 4 from the sun to the absorber chamber 28, but in the direction of the incident radiation 4 behind the opening 3 for this radiation. It is thereby achieved that the corresponding supply lines 102 for heat-transporting medium can be arranged further away from the opening 3 and at the same time can be easily protected.
  • the flow of the fluid transported through the absorber chamber 28 is formed quite uniformly and thus a clear temperature stratification results over the fleas of the absorber chamber 28.
  • a "beam-down" arrangement it can be useful in the specific case to provide a swirl in the fluid according to FIGS. 9 to 12 in addition to a sufficiently high flow rate of the heat-transporting fluid against the absorber
  • designs are also used in a solar tower power plant, for example, in which the receiver is arranged at the top of the tower and is oriented obliquely downward in order to directly absorb the radiation from the fleliostat field.
  • the oblique orientation results in corresponding obliquely arranged temperature layers, which can produce a convection flow in the heat-transporting fluid, which disrupts the temperature layer and thus also the desired uniform temperature in the region of the absorber 27.
  • Figure 9 shows schematically a view of an obliquely arranged receiver 110 on the side of its opening 3 for the radiation of the sun, tangential to the axis 103 arranged supply lines 104 for the heat-transporting medium can be seen, which generate a rotation of the medium or a swirl in the medium flowing against the absorber 27.
  • the absorber 27 can be seen through the opening or the quartz window 3 in the figure, with the flow path of the medium through the absorber (or past it) not being drawn in, in order to relieve the figure, but only in broken lines an outlet connection 106, from which chem the medium leaves the receiver 110.
  • the outlet nozzle is preferably arranged slightly eccentrically upwards, which in combination with the swirl of the flowing medium results in a stable temperature in the heat-transporting medium at the location of the outlet nozzle 106.
  • the transport arrangement is preferably designed such that, during operation, the heat-transporting medium at least partially has a swirl around an axis 127 of the absorber space parallel to the transport direction during the passage through the absorber space, the transport arrangement preferably providing inlet openings for the absorber space the medium has, which are aligned tangentially with respect to the axis of the absorber chamber in the same direction of swirl.
  • FIG. 10 shows a view from the outside of the receiver 120
  • FIGS. 11a and b show a cross section through it
  • FIG. 12 shows the stratified temperature distribution in its absorption space 28 according to a simulation by the applicant.
  • the isolation of the receiver 120 and its supporting outer structure which the person skilled in the art can easily design in the specific case, are again omitted.
  • FIG. 10 shows the receiver 120 with its absorption space 28, the collecting space 33 and the outlet connection 121 (see also the illustration in FIG. 2).
  • a supply arrangement 122 for cold (T in ) heat-transporting fluid which is a component of the transport arrangement 29 (FIG. 2), can also be seen.
  • the feed arrangement 122 has an annular space 123, open into the supply lines 124 for heat-transporting fluid, see. the arrows 125, where, with the fluid flowing into the receiver 120 via the annular space 123, crosses the absorber space 28 in a main flow direction parallel to the axis 127, it heats up and finally leaves the receiver 120 again at the temperature T out via the collecting space 33 and outlet connection 121 ( Arrows 126).
  • Sun rays 4 pass through an opening in the figure from the annular space 123 or through a window 3 into the absorption space 28 up to the inside of the collecting space 33, the inner wall of which in the illustrated embodiment is designed as an absorber for the solar radiation.
  • the outlet connection 121 is arranged upwards.
  • FIG. 11a shows the annular space 123 in section, the sectional plane again passing through an axis 127 running longitudinally through the absorption space 28 and the feed lines 124 (see also FIG. 10).
  • the annular space 123 is shown to scale, as is the closing area of the absorption space 28 and the position of the opening 3 or a window 3 for the radiation from the sun. As mentioned above, however, the insulation and the supporting structure are omitted, here in particular that for the window 3 and the annular space 123.
  • the supply lines 124 for the heat-transporting fluid arranged upstream or on the inlet side.
  • the annular space 123 Downstream or on the outlet side, the annular space 123 is divided into an outer annular channel 132 with an annular outlet slot 130 and an inner ring channel 133 with an annular outlet slot 131.
  • the outer channel 132 runs coaxially to the axis 127 of the absorption space 28 and adjacent to its wall 138, the inner channel 133 has a frustoconical configuration and is directed obliquely towards the interior of the absorption space 28.
  • 138 zones with reduced flow towards the absorber are formed in the area of the wall only in a reduced manner or to an extent that is no longer relevant, although in spite of the somewhat hotter walls (see the diagrams in FIGS.
  • a homogeneous temperature layer results over the cross section of the absorption space 28 (see also FIG. 12).
  • a flow component from the outer channel 132 runs particularly preferably parallel to the wall 138, before the angle of which to the wall 130 is less than or equal to 5 degrees.
  • a positive effect can still be achieved at an angle less than or equal to 10 degrees or 15 degrees.
  • the ring channels 132, 133 are provided with baffles 134, 135 (see FIG. 11b), so that openings for the heat-transporting medium are formed in the outlet slots 130, 131 and additionally impart a flow component tangential to the axis 127.
  • Figure 11b shows an enlarged section of Figure 11a to clarify the conditions.
  • the baffles 134 'to 134 "' and the components of the directional flow 136 namely those in the direction of the main flow 141 and the tan potential component 142, can be seen.
  • the result is a receiver in which the transport arrangement has openings for the heat-transporting medium leading into the absorber space, which are arranged adjacent to a wall 138 of the absorption space 28 and which in the main flow direction contain a flow component of the fluid flowing into the absorption space 28 with a Inclination to wall 138 less than 15 degrees, preferably equal to or less than 5 degrees. According to the applicant's knowledge, such small angles are necessary in order to avoid, in the region of the wall 138, zones of reduced flow velocity toward the absorber which are relevant for the efficiency of the absorber.
  • the transport arrangement has openings for the heat-transporting medium which lead into the absorber space and which generates a flow component tangential to an axis 127 of the absorption space 28 of the fluid flowing into the absorption space 28.
  • FIG. 12 shows the temperature distribution according to a CFD simulation by the applicant in the absorption space 28 of the receiver 120 with the following boundary conditions:
  • Heat-transporting fluid water vapor
  • the angle of the inflowing fluid in the ring channel 132 is the angle between the directed flow 136 and the direction of the fluff flow 141 from FIG. 11b.
  • the annular channel 133 has a frustoconical configuration, i.e. its downstream end is circular.
  • the angle of the fluid flowing into the absorption space from it is analogous to the angle of its direction of flow to a tangent to this circle.
  • the simulation gives an outlet temperature T out of 862 ° K and the temperature stratification shown in the figure, which is represented by the temperature curves 140 to 145.
  • the temperature curve 140 corresponds to the temperature 1420 ° K, the curve 141 the temperature 1533 ° K, the curve 142 1589 ° K, the curve 143 1645 ° K, the curve 144 1702 ° K, and the curves 145 1870 ° K.
  • the outlet port in the context of the other parameters (for example those of the simulation above) an optimal swirl are generated, the outlet port can also be arranged centrally with a horizontal orientation. Conversely, the combination of a comparatively weak or non-optimal swirl with an offset position of the outlet connector can produce the desired temperature stratification.
  • the dimensions of the receiver 20 and all the embodiments of the absorptive receiver according to the invention can be easily scaled, the pressure having to be increased in the same ratio for a comparably high efficiency or comparable temperature ratio when the dimensions are reduced , here for example with a reduction by a factor of 10, the pressure increases by a factor of 10.
  • the higher the pressure in the heat-transporting gas the higher the efficiency tends to increase disproportionately.
  • the conditions for a pressure of 10 bar are shown in FIG. 7c.
  • the person skilled in the art can provide the excess pressure in a range between 2 and 20 bar, particularly preferably between 5 and 15 bar and very particularly preferably, as mentioned above, of 10 bar.
  • c is in a range> 0.9, since the convection on the flat and smooth absorbing surface is very small. It should be noted that convection basically cools the absorber somewhat, and is therefore suitable for reducing the efficiency-reducing losses due to retroreflection from the opening 3, that is to say increasing the efficiency of the receiver. However, increased convection leads to increased pressure losses in the flowing gas (which in turn lowers the efficiency) and increases the construction costs of the absorber. In a specific case, the person skilled in the art can determine the optimal ratio between absorption and convection, ie a specific value for T 3 -T 2
  • the absorber is arranged in the same way as in the receiver 25 (FIG. 2) opposite the optical opening 3 and forms a wall area of the absorption space 28 (FIG. 2).
  • the absorber is not seen with throughflow openings for the heat-transporting medium, but is at least partially gas-tight for this, so that heated gas on the fleas of the absorber flows radially out of the absorption space. This simplifies the construction of the absorber even further, the ratio c can be increased to a value higher than 0.3.
  • FIG. 13 shows the steps of a method for the operation of a preferably spatial receiver according to the present invention.
  • a suitable receiver is selected, for example with a structure according to FIG. 2, which has an absorber that can be heated by sunlight, against which gaseous, heat-transporting medium is guided by a transport device, in order to transport it through the absorber heat.
  • a gas that absorbs in the infrared range is selected as the heat-transporting gas, in particular a heteropolar gas or one of the gases CO2, water vapor, CH4, NH3, CO, SO2, S03, FICI, NO, and NO2 (or also a Mixture of these gases) in order to absorb black body radiation from the absorber by absorption of the gas transported against the absorber even before the absorber and thus to heat the heat-transporting medium.
  • a gas that absorbs in the infrared range is selected as the heat-transporting gas, in particular a heteropolar gas or one of the gases CO2, water vapor, CH4, NH3, CO, SO2, S03, FICI, NO, and NO2 (or also a Mixture of these gases) in order to absorb black body radiation from the absorber by absorption of the gas transported against the absorber even before the absorber and thus to heat the heat-transporting medium.
  • the operating parameters of the receiver are set such that during operation of the receiver the ratio c of the temperature increase in the heat-transporting medium due to absorption in front of the absorber compared to the temperature increase due to absorption and convection at the absorber is> 0.3.
  • the receiver is put into operation and moved with the parameter c> 0.3.
  • the result is a method for operating a receiver with a heating area for heating a heat-transporting medium, and a transport arrangement for transporting the medium through the heating area, with an opening for the radiation of the sun and a path in the heating area in the heating area Incident radiation of the sun arranged, this absorbing absorber is provided, and wherein the heat-transporting medium is a gas absorbing in frequency bands of the infrared range, which is fed to the heating region at its one end having the opening, in one with the radiation incident through the opening the common direction of the sun through this against the other end of the heating region having the absorber and is only discharged from there, and the operating parameters of the receiver are set and the gas is selected such that its temperature during transport through the heating area (to the absorber) due to absorption of radiation increases in such a way that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T2) due to absorption of radiation compared to the total temperature increase (T 4 - T2) due to absorption and convection on the absorber is> 0.3.
  • the ratio c> 0.3 is based on the absorption of only the absorber radiation, so that the temperature increases during transport through the heating region by absorption of the radiation from the absorber in such a way that the ratio c of the temperature increase (T3-T2 ) by absorption of the radiation from the absorber compared to the total temperature increase (T4 - T2) by absorption of the radiation from the absorber and convection at the absorber> 0.3.
  • the person skilled in the art can apply the ratio c> 0.3 to the absorption of only the absorber radiation 32.55 or to the absorption of the absorber radiation, including the absorption of the infrared portion of the radiation through the absorption space 28, 57 (FIGS. 2 and 4). refer to ongoing solar radiation 4.
  • a heteropolar gas is preferably selected as the absorbing gas, further before CO 2 , water vapor, CH 4 or a mixture of these gases.
  • the person skilled in the art can then modify the method according to the invention such that the ratio c is equal to or greater than 0.4, or 0.5 or preferably equal to or greater than 0.7, particularly preferably equal to or greater than 0.8.
  • the method according to the invention can be designed in such a way that the gas is passed through the absorber. Alternatively, it can be provided that the gas is led past the absorber.
  • FIG. 14 shows the steps of a positioning method according to the invention for a receiver, for example according to FIGS. 2 to 4, wherein in step 87 the absorber is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection and, accordingly, an absorber space cooperating with the absorber is provided in order to heat up to be able to transfer the heat-transporting gas.
  • an in frequency Bands of the infrared range absorbing gas as heat-transporting gas together with the dimensions of the absorber space are provided so that a predetermined operating state of the receiver can be defined in which the temperature increase of the heat-transporting gas by absorption (the blackbody (infrared) radiation of the absorber bers and the infrared portions of the sun compared to the temperature increase due to absorption and convection at the absorber in a ratio c> 0.3.
  • the result is a manufacturing method for a receiver with a heating area for heating a heat-transporting medium, and a transport arrangement for transporting the medium through the heating area, with an optical opening for sunlight and a path arranged in the path of the incident sunlight being arranged in the heating area ,
  • the sunlight-absorbing absorber is provided, characterized in that the absorber is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection and an absorber space cooperating with the absorber is provided, as a heat-transporting medium, a gas that sorbs in frequency bands of the infrared range is provided and the Absorber space is dimensioned such that in a predetermined operating state of the receiver, the temperature of the heat-transporting medium flowing through the absorption space in an operational manner by absorption of the infrared radiation of the A bsorbers (and the infrared portion of solar radiation) increases, such that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) due to absorption in the absorber space compared to the total temperature increase (T 4
  • a heteropolar gas is preferably provided as the gas, particularly preferably CO 2 , water vapor, CH 4 , NH 3 , CO, SO 2 , SO 3 , HCl, NO, and NO 2 or a mixture of these gases.
  • the ratio c is set equal to or greater than 0.4, preferably 0.5, particularly preferably 0.6, very preferably 0.7 and most preferably 0.8.
  • a secondary absorber designed as a blackbody radiation arrangement with reduced convection can be provided in the absorber space, and the receiver can furthermore preferably be designed as a spatial receiver.

Abstract

The receiver (25, 50, 100, 120) according to the invention is provided with a heating region (26) for heating a heat-carrying medium, having an optical opening (3) for sunlight and an absorber (27, 51) arranged in the path of the incident sunlight and absorbing said sunlight, and with a transport assembly (29) for transporting the medium through the heating region, wherein the absorber (27, 52) is designed as a black-body radiation assembly with reduced convection, and the transport assembly is designed for transporting a gas as the heat-carrying medium. In this way, the receiver can be designed to be simpler and more reliable.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Receivers und Receiver zur Ausführung  Procedure for operating a receiver and receiver for execution
des Verfahrens  of the procedure
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers und einen Recei ver zur Ausführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 14, sowie ein Herstellverfahren für einen Receiver nach dem Oberbegriff von Anspruch 25. The present invention relates to a method for operating a receiver and a receiver for executing the method according to the preamble of claims 1 and 14, and a manufacturing method for a receiver according to the preamble of claim 25.
Receiver werden in Solarkraftwerken eingesetzt. Sie fangen die konzentrierte Sonnenstrahlung auf und erwärmen dadurch ein Wärme transportierendes Medium, über welches die gewon nene Wärme in einem nachfolgenden technischen Prozess verwertet wird, sei dies über die Umwandlung in mechanische Arbeit, beispielsweise durch den Antrieb von Turbinen, für die Ausführung von Wärme benötigenden Prozessen in der Industrie oder für die Heizung, bei spielsweise die Fernheizung von bewohnten Gebieten. Receivers are used in solar power plants. They collect the concentrated solar radiation and thereby heat a heat-transporting medium through which the heat obtained is used in a subsequent technical process, be it through conversion into mechanical work, for example by driving turbines, for the execution of heat Processes in industry or for heating, for example the district heating of inhabited areas.
In Solar-Turmkraftwerken werden im Wesentlichen als Rohrbündel ausgebildete Receiver ein gesetzt, die für Temperaturen bis zu 600 °C und Konzentrationen von 600 Sonnen geeignet sind. Für höhere Temperaturen werden vorwiegend räumlich ausgebildete Receiver verwen det, welche für Konzentrationen von 600 Sonnen, 1000 Sonnen oder mehr ausgelegt sind. Sol che Temperaturen liegen in der Regel über 600 °C, reichen von 800 °C bis 1000 °C und darüber, und können in naher Zukunft den Bereich von 1200 °C bis 1500 °C erreichen. Solche Receiver können, allerdings in kleinerem Massstab, auch bei Dish-Konzentratoren verwendet werden. Als räumliche Receiver werden vorliegend Receiver bezeichnet, deren Abmessungen in alle drei Dimensionen vergleichbar gross sind, im Gegensatz zu rohrförmigen Receivern, die in Ver bindung mit Trough- oder Rinnen -Kollektoren verwendet werden. Solche rohrförmigen Recei ver besitzen eine Dimension, die Länge, die ein Vielfaches, im Bereich des Zehn- oder Hundert fachen oder mehr der Querschnittsabmessungen Breite bzw. Höhe beträgt. Receiver für Rin nenkollektoren sind nicht für die oben genannten Temperaturen ausgebildet, da der rinnen förmige Konzentrator in Bezug auf den Receiver in zwei Dimensionen konzentriert, das Feld der Heliostaten bei einem Turmkraftwerk oder ein Dish-Konzentrator jedoch in drei Dimensi onen. In solar tower power stations, receivers designed as tube bundles are used, which are suitable for temperatures up to 600 ° C and concentrations of 600 suns. For higher temperatures, predominantly spatially trained receivers are used, which are designed for concentrations of 600 suns, 1000 suns or more. Such temperatures are usually above 600 ° C, range from 800 ° C to 1000 ° C and above, and can reach the range from 1200 ° C to 1500 ° C in the near future. Such receivers can also be used with dish concentrators, albeit on a smaller scale. In the present case, spatial receivers are referred to as receivers, the dimensions of which are comparatively large in all three dimensions, in contrast to tubular receivers which are used in conjunction with trough or channel collectors. Such tubular receivers have a dimension, the length, which is a multiple, in the region of ten or a hundred times or more, of the cross-sectional dimensions of the width or height. Receivers for trough collectors are not designed for the temperatures mentioned above, since the trough-shaped concentrator concentrates in two dimensions with respect to the receiver, but the field of heliostats in a tower power plant or a dish concentrator does so in three dimensions.
Solche Receiver sind dem Fachmann als volumetrische Receiver bekannt, die auch für Solar- Turmkraftwerke geeignet sind, wobei sich in solchen Receivern die geforderten Temperaturen von mehr als 500 °C, oder mehr als 1000 °C, beispielsweise bis 1200 °C erreichen lassen. Aller dings führen die hohen Betriebstemperaturen zu erheblichem konstruktivem Aufwand. Such receivers are known to the person skilled in the art as volumetric receivers, which are also suitable for solar tower power plants, the temperatures required being such in receivers of more than 500 ° C, or more than 1000 ° C, for example up to 1200 ° C. However, the high operating temperatures lead to considerable design effort.
Volumetrische Receiver besitzen eine ausgedehnte (voluminöse, daher der Begriff "volumetri scher" Reciever) Absorberstruktur, die beispielsweise aus einem voluminösen Drahtgeflecht oder einem offenporösen Keramikschaum bestehen kann. Die konzentrierte Sonnenstrahlung dringt dann in das Innere der (voluminösen) Absorberstruktur ein und wird dort absorbiert. Das Wärme transportierende Medium wie Luft oder ein geeigneter Reaktionspartner für einen nachfolgenden Reaktor wird durch die offenporöse Absorberstruktur hindurch geleitet und nimmt so mittels erzwungener Konvektion an der offenporösen Absorberstruktur Wärme auf. Die Absorberstruktur kann auch aus einer Röhrenstruktur, einer in die Tiefe gestaffelten Git terstruktur oder einer an sich beliebigen Struktur mit grosser Oberfläche bestehen, welche den konvektiven Wärmeübergang von der Absorberstruktur zum Wärme transportierenden Me dium bewirkt, wenn dieses den Absorber durchströmt. Volumetric receivers have an extensive (voluminous, hence the term "volumetric" receiver) absorber structure, which can consist, for example, of a voluminous wire mesh or an open-pored ceramic foam. The concentrated solar radiation then penetrates into the interior of the (voluminous) absorber structure and is absorbed there. The heat-transporting medium such as air or a suitable reaction partner for a subsequent reactor is passed through the open-porous absorber structure and thus absorbs heat by means of forced convection on the open-porous absorber structure. The absorber structure can also consist of a tubular structure, a staggered lattice structure or any structure with a large surface area which effects the convective heat transfer from the absorber structure to the heat-transporting medium when it flows through the absorber.
Ein volumetrischer Receiver ist beispielsweise durch das REFOS Projekt bekannt geworden (Re ceiver for solar-hybrid gas turbine and combined cycle Systems; R. Buck, M. Abele, J. Kunber- ger, T. Denk, P. Heller and E. Lüpfert, in Journal de Physique IV France 9 (1999) ), der unten in Zusammenhang mit Figur 1 näher beschrieben wird. A volumetric receiver has become known, for example, from the REFOS project (Re ceiver for solar-hybrid gas turbine and combined cycle Systems; R. Buck, M. Abele, J. Kunberger, T. Denk, P. Heller and E. Lüpfert , in Journal de Physique IV France 9 (1999)), which is described in more detail below in connection with FIG. 1.
Solche Receiver weisen den Nachteil auf, dass die Absorberstruktur aufwendig herzustellen und die Durchströmung des Absorbers instabil werden kann, insbesondere auf Grund einer sich im Betrieb unerwünscht einstellenden Temperaturverteilung. Such receivers have the disadvantage that the absorber structure is complex to manufacture and the flow through the absorber can become unstable, in particular due to a temperature distribution which is undesirable during operation.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Receiver zu schaffen. Accordingly, it is the object of the present invention to provide an improved receiver.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 14 und 25 gelöst. This object is achieved by the method having the characterizing features of claim 1 and the characterizing features of claims 14 and 25.
Dadurch, dass nach dem erfindungsgemässen Verfahren das ausgewählte, Wärme transpor tierende Gas in den Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorptiv ist, und die Betriebspara- meter derart eingestellt werden, dass ein erheblicher Teil der Wärmezunahme durch Absorp tion im Wärme transportierenden Gas erfolgt, lässt sich ein vereinfachtes Konzept des Recei vers realisieren, da der Wärmeübergang durch Konvektion nur noch verringert erfolgt. Characterized in that according to the inventive method, the selected, heat-transporting gas is absorptive in the frequency bands of the infrared range, and the operating parameters If the meter is set in such a way that a significant part of the increase in heat takes place through absorption in the heat-transporting gas, a simplified concept of the receiver can be realized, since the heat transfer by convection is only reduced.
Dadurch, dass die Absorptionsanordnung als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit redu zierter Konvektion ausgebildet ist, vereinfacht sich die Ausbildung des Absorbers, und damit Aufbau und Betrieb des Receivers, da der Absorber nicht mehr über seine Tiefe die über die Sonnenstrahlung eingebrachte Wärme konvektiv an das Wärme transportierende Gas abge ben muss. The fact that the absorption arrangement is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection simplifies the design of the absorber, and thus the construction and operation of the receiver, since the absorber no longer convectively transports the heat introduced via the solar radiation to the heat via its depth Must deliver gas.
Bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf. Preferred embodiments have the features of the dependent claims.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
Es zeigt: It shows:
Fig. la einen Receiver gemäss dem Stand der Technik, La a receiver according to the prior art,
Fig. lb schematisch ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Receiver von Fig. la, 1b schematically shows a diagram with the temperature profile in the receiver of FIG.
Fig. 2 schematisch einen Receiver gemäss der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt, 2 schematically shows a receiver according to the present invention in longitudinal section,
Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers, 3 schematically shows a further embodiment of the receiver according to the invention,
Fig. 4 schematisch ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Receiver von Fig. 2, 4 schematically shows a diagram with the temperature profile in the receiver of FIG. 2,
Fig. 5 schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers, 5 schematically shows a further embodiment of the receiver according to the invention,
Fig. 6 schematisch einen Querschnitt durch noch eine weitere Ausführungsform des erfin dungsgemässen Receivers, 6 schematically shows a cross section through yet another embodiment of the receiver according to the invention,
Fig. 7a und 7b Diagramme mit dem Temperaturverlauf in einem erfindungsgemässen Recei ver gemäss den Figuren 2 und 3, Fig. 8a bis c Diagramme mit dem Wirkungsgrad sowie der Temperatur der absorbierenden Oberfläche in einem erfindungsgemässen Receiver gemäss den Figuren 2 und 3. 7a and 7b are diagrams with the temperature profile in a receiver according to the invention according to FIGS. 2 and 3, 8a to c diagrams with the efficiency and the temperature of the absorbent surface in a receiver according to the invention according to FIGS. 2 and 3.
Fig. 9 schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Recievers, 9 schematically shows a further embodiment of the receiver according to the invention,
Fig. 10 eine Ansicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers in horizontaler Betriebslage, 10 is a view of a further embodiment of the receiver according to the invention in the horizontal operating position,
Fig. 11a einen Schnitt durch den Ringraum des Receivers von Fig. 10, 11a shows a section through the annular space of the receiver of FIG. 10,
Fig. 11b einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 11a, 11b shows an enlarged detail from FIG. 11a,
Fig. 12 die Temperaturverteilung im Receiver gemäss den Figuren 10 bis 11b gemäss einer Simulation 12 shows the temperature distribution in the receiver according to FIGS. 10 to 11b according to a simulation
Fig. 13 die Schritte eines erfindungsgemässen Betriebsverfahrens für einen Receiver, und 13 shows the steps of an operating method according to the invention for a receiver, and
Fig. 14 die Schritte eines Fierstellverfahrens für einen erfindungsgemässen Receiver. 14 shows the steps of a setting method for a receiver according to the invention.
Figur la zeigt eine Versuchsanordnung für einen volumetrischen Receiver 1 gemäss dem RE- FOS Projekt, mit einem Erwärmungsbereich 2 für die Erwärmung von einem Wärme transpor tierenden Medium, hier Luft, der eine als Quarzfenster ausgebildete Öffnung 3 für die Strah lung der Sonne bzw. Sonnenlicht 4 und einen im Pfad der einfallenden Strahlung 4 hinter dem Quarzfenster 3 angeordneten, diese Strahlung 4 absorbierenden Absorber 5. Eine Trans portanordnung 6 für den Transport des Wärme transportierenden Mediums durch den Erwär mungsbereich 2 weist in der gezeigten Ausführungsform einen Einlass 7 auf, durch den das Medium mit einer Eintrittstemperatur T in den Receiver 1 gelangt und einen Auslass 8, durch den es diesen mit der Austrittstemperatur Tout verlässt. Figure la shows an experimental arrangement for a volumetric receiver 1 according to the REFOS project, with a heating area 2 for heating a heat-transporting medium, here air, the opening 3 designed as a quartz window for the radiation of the sun or sunlight 4 and an arranged in the path of the incident radiation 4 behind the quartz window 3, this radiation 4 absorbing absorber 5. A trans port arrangement 6 for the transport of the heat-transporting medium through the heating region 2 has an inlet 7 in the embodiment shown, through which the medium enters the receiver 1 at an inlet temperature T and has an outlet 8 through which it leaves the outlet temperature T out .
Über randseitige Kanäle 9 der Transportanordnung 6 wird die Luft mit der Eintrittstemperatur Temperatur Tin zur Stirnseite des Receivers 1 geleitet, wo sie durch geeignet ausgebildete Öff nungen 10 in einen vor dem Absorber 5 gelegenen Verteilungsraum 11 gelangt, sich verteilt, danach den Absorber 5 durchströmt, durch diesen dabei konvektiv erhitzt wird, und schliess lich mit der Temperatur Tout in einen Sammelraum 13 und von dort in den Auslass 8 gelangt, durch welchen sie den Receiver 1 verlässt. Das Quarzfenster 3 ist gegen innen gewölbt, so dass der Receiver 1 mit erhöhtem Druck betrieben werden kann, damit die erwärmte Luft unter Druck einem nachgeschalteten Verbraucher zugeführt werden kann, beispielsweise einer Tur bine. Via edge channels 9 of the transport arrangement 6, the air is conducted with the inlet temperature temperature T in to the front side of the receiver 1, where it passes through suitably designed openings 10 into a distribution space 11 located in front of the absorber 5, is distributed and then flows through the absorber 5 , is thereby convectively heated, and finally reaches the temperature T out in a collecting space 13 and from there into the outlet 8, through which it leaves the receiver 1. The quartz window 3 is arched towards the inside, so that the receiver 1 can be operated with increased pressure so that the heated air can be supplied under pressure to a downstream consumer, for example a turbine.
Der als volumetrischer Absorber aufgebaute, raumsparend der Kontur des Quarzfensters 3 nachgeführte Absorber 5 weist eine Anzahl Schichten eines feinen Drahtgeflechts auf, in wel che das Sonnenlicht 4 tief eindringen kann, so dass sich der Absorber 5 über seine ganze Tiefe erwärmt und damit die durch ihn durchströmende Luft konvektiv auf ToiL erwärmt. Wie oben erwähnt, kann ein konventioneller Absorber in anderen Ausführungsformen aus einem offen porösen Keramikschaum oder einer anderen Anordnung mit im Vergleich zum im Absorber sich befindenden Luftvolumen sehr grosser Oberfläche gebildet werden, um den erforderli chen konvektiven Wärmeübergang zu erzielen. The absorber 5, which is constructed as a volumetric absorber and saves space by following the contour of the quartz window 3, has a number of layers of a fine wire mesh, into which the sunlight 4 can penetrate deeply, so that the absorber 5 heats up over its entire depth and thus through it Air flowing through is convectively heated to T oiL . As mentioned above, a conventional absorber in other embodiments can be formed from an open porous ceramic foam or another arrangement with a very large surface area compared to the air volume in the absorber in order to achieve the required convective heat transfer.
Eine Isolation 12 umgibt den Receiver 1, an welchen vor seiner optischen Öffnung 3 ein zur Entlastung der Figur weggelassener Sekundärkonzentrator angeschlossen ist, der den Fluss der Sonnenstrahlung 4 zum Quarzfenster 3 konzentriert. Zur Entlastung der Figur ist weiter eine Steuerung für den Receiver 1 und die Transportanordnung 6 weggelassen, über welche der Betrieb des Receivers 1 bzw. die Zu - und Abfuhr von Luft geeignet geregelt wird, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Durch einen Receiver in der Art des gezeigten REFOS Receiver lässt sich eine Austrittstemperatur Tout von 800 °C, mit einem keramischen Absorber von 1000 °C errei chen. An insulation 12 surrounds the receiver 1, to which a secondary concentrator, which is omitted to relieve the figure, is connected in front of its optical opening 3 and concentrates the flow of solar radiation 4 to the quartz window 3. To relieve the figure, a control for the receiver 1 and the transport arrangement 6 is also omitted, by means of which the operation of the receiver 1 or the supply and removal of air is suitably regulated, as is known to the person skilled in the art. An outlet temperature T out of 800 ° C, with a ceramic absorber of 1000 ° C can be achieved by a receiver like the REFOS receiver shown.
Figur lb zeigt ein Diagramm 15 mit einer Temperaturkurve 16, die in Verbindung mit Figur la schematisch den Temperaturverlauf der durch den Receiver 1 strömenden Luft zeigt. Im Ab schnitt A vom Einlass 7 bis zum Ende der randseitigen Kanäle 9 erfolgt eine geringe konvektive Erwärmung der Luft von T,h auf Ti (Teil 17 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt B, während dem Durchgang der Luft durch die Öffnungen 10 im Absorber 5 erfolgt eine erste, relevante und konvektive Erwärmung von Ti auf T2 (Teil 18 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt C, d.h. im Verteilungsraum 11, erwärmt sich die Luft absorptiv, aber nur wenig, da Luft als Gasgemisch beispielsweise eine geringe Menge C02 (oder ein anderes Gas) enthält, das im Infrarotbereich absorbiert, sonst jedoch für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchsichtig ist (Teil 19 der Temperaturkurve 16). Schliesslich durchströmt die Luft im Abschnitt D den Absorber 5, wo sie konvektiv auf die Temperatur T4 erwärmt wird, die der Austrittstemperatur Tout entspricht (Teil 20 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt E gelangt die Luft durch den Sammelraum 13 in den Auslass 8, wobei sich wiederum eine geringe absorptive Temperaturerhöhung durch den inf rarot absorbierenden Gasbestandteil ergibt. Der Temperatursprung von T auf ToiL ist im We sentlichen konvektiv bedingt, so z.B. ist nach dem Diagramm 15 das (realistische) Verhältnis der konvektiven Temperaturzunahme zur absorptiven Temperaturzunahme grösser als 5 : 1. FIG. 1b shows a diagram 15 with a temperature curve 16, which in connection with FIG. 1a shows schematically the temperature profile of the air flowing through the receiver 1. In section A from the inlet 7 to the end of the edge channels 9 there is a slight convective heating of the air from T, h to Ti (part 17 of the temperature curve 16). In section B, during the passage of the air through the openings 10 in the absorber 5, there is a first, relevant and convective heating of Ti to T2 (part 18 of the temperature curve 16). In section C, ie in the distribution space 11, the air heats up absorptively, but only slightly, since air as a gas mixture contains, for example, a small amount of CO 2 (or another gas) which absorbs in the infrared range, but is otherwise essentially transparent to infrared radiation (Part 19 of the temperature curve 16). Finally, in section D the air flows through the absorber 5, where it is convectively heated to the temperature T 4 , which corresponds to the outlet temperature T out (part 20 of the temperature curve 16). In section E, the air passes through the collecting space 13 into the outlet 8, which in turn results in a slight absorptive temperature increase due to the infrared-absorbing gas component. The temperature jump from T to T oiL is essentially convective, for example, according to diagram 15, the (realistic) ratio of the convective temperature increase to the absorptive temperature increase is greater than 5: 1.
Figur 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen, als räumlichen Receiver ausgebildeten Receiver 25, mit einem Erwärmungsbereich 26, der eine Öffnung 3 für die Strahlung der Sonne, beispielsweise ein Quarzfenster, und einen hier plattenförmigen Ab sorber 27 aufweist, wobei zwischen dem Quarzfenster 3 und dem Absorber 27 ein einen Er wärmungsbereich bildenden Absorptionsraum 28 vorgesehen ist, der vom Wärme transpor tierenden Medium den eingezeichneten Pfeilen entsprechend von rechts nach links, d.h. gegen den Absorber 27, durchströmt wird. Dazu weist die Transporteinrichtung 29 um das Quarz fenster 3 herum angeordnete Einlassstutzen 30 für Wärme transportierendes Medium auf, die in den Absorptionsraum 28 führen, und einen zentralen Auslassstutzen 31 hinter dem Absor ber 27. Zur Entlastung der Figur ist hier wie auch in den folgenden Figuren die Isolation des Receivers weggelassen. Figure 2 shows schematically an embodiment of an inventive, designed as a spatial receiver receiver 25, with a heating region 26, which has an opening 3 for radiation from the sun, for example a quartz window, and a plate-shaped absorber 27 here, with between the quartz window 3 and the absorber 27 a He is a heating region forming absorption space 28 is provided, the medium from the heat transpor ting arrows shown from right to left, ie against the absorber 27, is flowed through. For this purpose, the transport device 29 has around the quartz window 3 arranged inlet connection 30 for heat-transporting medium, which lead into the absorption space 28, and a central outlet connection 31 behind the absorber 27. To relieve the figure here as in the following figures the isolation of the receiver omitted.
Der Absorber 27 ist erfindungsgemäss als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung ausgebildet, d.h. er besitzt eine im Pfad des einfallenden Sonnenlichts bzw. der einfallenden Sonnenstrah lung 4 angeordnete, diese Strahlung absorbierende Oberfläche 27', die derart ausgebildet ist, dass er sich auf Grund der auf die Oberfläche 27' einfallenden Sonnenstrahlung 4 betriebsfähig erhitzt und dann über seine Oberfläche 27' entsprechend Infrarotstrahlung in den Absorber raum 28 abgibt. According to the invention, the absorber 27 is designed as a blackbody radiation arrangement, i.e. it has an arranged in the path of the incident sunlight or the incident sun radiation 4, this radiation absorbing surface 27 ', which is designed such that it heats up due to the incident on the surface 27' solar radiation 4 and then over its surface 27 'corresponding to infrared radiation in the absorber room 28.
Damit gibt der Absorber 27 seine Wärmeleistung zu einem wesentlichen Teil in Form von Inf rarotstrahlung in den Absorberraum 28 ab, wo das auf ihn zuströmende Wärme transportie rende Medium sich im Hinblick auf ToiL schon weitgehend oder überwiegend absorptiv erhitzt, bevor es ihn erreicht. Thus, the absorber 27 emits its heat output to a substantial extent in the form of infra-red radiation into the absorber space 28, where the heat-transporting medium flowing to it is already largely or predominantly absorptively heated with regard to T oiL before it reaches it.
Eine reale Struktur strahlt nur annähernd so, wie dies der ideale schwarze Körper tut. Vorlie gend wird unter einer "Schwarzkörper-Strahlungsanordnung" verstanden, dass die einfallende Sonnenstrahlung 4 zu einem möglichst grossen Teil an der Oberfläche des Absorbers absor- biert wird (also grundsätzlich nur wenig in den Absorber eindringt, im Gegensatz zu den be kannten volumetrischen Absorbern), so dass diese Oberfläche sich hoch erhitzt und dadurch in der Art eines schwarzen Körpers mit der betreffenden, hohen Temperatur in den Absorber raum 28, mit gegenüber der Sonnenstrahlung anderem Frequenzspektrum, strahlt. Der über wiegende Anteil der in den Absorberraum 28 abgegebenen Schwarzköprer-Strahlung liegt bei Temperaturen des Absorbers 27 bis 2000 °K (oder auch darüber) im Infrarotbereich, d.h. wie erwähnt, in gegenüber dem sichtbaren Licht tieferen Frequenzen. A real structure shines only approximately as the ideal black body does. In the present case, a “blackbody radiation arrangement” is understood to mean that the incident solar radiation 4 is absorbed as much as possible on the surface of the absorber. beers (so basically only little penetrates into the absorber, in contrast to the known volumetric absorbers), so that this surface heats up and thereby in the manner of a black body with the relevant high temperature in the absorber space 28, with other frequency spectrum compared to solar radiation. The predominant portion of the Schwarzköprer radiation emitted into the absorber chamber 28 is at temperatures of the absorber 27 to 2000 ° K (or also above) in the infrared range, ie, as mentioned, in lower frequencies than the visible light.
Mit anderen Worten ist es so, dass der erfindungsgemässe Absorber ausgebildet ist, soweit über seine Schwarzkörper-Strahlung gekühlt zu werden, dass sich das Verhältnis c erreichen lässt (s. dazu die Beschreibung unten). In other words, the absorber according to the invention is designed to be cooled via its blackbody radiation to such an extent that the ratio c can be achieved (see the description below).
Eine aufwendige, insbesondere für volumetrische Receiver vorgesehene, in die Tiefe gestaf felte Absorberstruktur, die über ihre Tiefe einfallende Solar-Strahlung bzw. Strahlung der Sonne entsprechend auch über ihre Tiefe absorbiert, indem diese im Inneren wenigstens teil weise gestreut und nach mehrfacher Reflektion zunehmend absorbiert wird, entfällt somit. Damit entfallen auch die häufig bei solchen Absorberstrukturen auftretenden, komplexen thermischen Probleme. Zudem bietet die einfache Geometrie des Absorberraums 28 eine Vo raussetzung für eine von der Öffnung 3 zum ihr gegenüberliegenden Absorber 27 fliessenden Strömung des Wärme transportierenden Mediums, das sich gegen den Absorber hin stetig er wärmt. Die Sonnenstrahlen 4 fallen bevorzugt direkt (d.h. ohne Reflektion an den Wänden des Absorberraums 28) auf den Absorber 27. Die Strömung des Wärme transportierenden Medi ums und durch die Öffnung direkt auf den Absorber fallendes Sonnenlicht haben eine gemein same Richtung. Trotz der im Betrieb herrschenden, komplexen thermodynamischen Effekte ist es damit so, dass sich im Absorberraum 28 eine geschichtete Wärmeverteilung erzeugen lässt, deren Schichten sich über den Querschnitt des Absorberraums 28 erstrecken. An elaborate absorber structure, particularly for volumetric receivers, which is staggered in depth and which absorbs solar radiation or radiation from the sun over its depth accordingly also over its depth by at least partially scattering it inside and increasingly absorbing it after multiple reflections is thus eliminated. This also eliminates the complex thermal problems that frequently occur with such absorber structures. In addition, the simple geometry of the absorber chamber 28 provides a prerequisite for a flow of the heat-transporting medium flowing from the opening 3 to the opposite absorber 27, which medium continuously heats up against the absorber. The sun rays 4 preferably fall directly (i.e. without reflection on the walls of the absorber space 28) onto the absorber 27. The flow of the heat-transporting medium and sunlight falling directly on the absorber through the opening have a common direction. Despite the complex thermodynamic effects prevailing during operation, it is the case that a stratified heat distribution can be generated in the absorber chamber 28, the layers of which extend over the cross section of the absorber chamber 28.
Dadurch ergibt sich die stetige Erwärmung des Wärme transportierenden Mediums gegen den Absorber 27 hin, wobei dessen kältester Bereich bei der Öffnung 3 liegt, so dass die Verlust rückstrahlung aus der Öffnung 3 hinaus optimal klein ist. Zugleich befindet sich der heisseste Bereich des Wärme transportierenden Mediums beim Absorber 27, d.h. am weitesten entfernt von der Öffnung 3, so dass dessen (Schwarzkörper-) Infrarotstrahlung von den zwischen ihm und der Öffnung 3 gelegenen Schichten des Wärme transportierenden Mediums abgefangen wird, also die Öffnung 3 nicht oder nur zum minimal möglichen Anteil erreicht, was wiederum den Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Receivers erhöht. Dank des über den Querschnitt des Absorberraums 28 wenigstens grob gleichmässig gegen den Absorber 27 strömenden Wärme transportierenden Mediums ergibt sich durch die Schwarzkörper- Infrarotstrahlung des Absorbers 27 und des angrenzenden Bereichs des Wärme transportierenden Mediums keine Ausbreitung der heissesten Schicht des Mediums gegen die Öffnung 3. This results in the constant heating of the heat-transporting medium towards the absorber 27, the coldest area of which lies at the opening 3, so that the loss of radiation from the opening 3 is optimally small. At the same time, the hottest area of the heat-transporting medium is located at the absorber 27, ie the furthest away from the opening 3, so that its (blackbody) infrared radiation is intercepted by the layers of the heat-transporting medium located between it and the opening 3, i.e. the Opening 3 is not reached or only reached to a minimum possible extent, which in turn increases the efficiency of the receiver according to the invention. Thanks to the medium which flows at least roughly uniformly against the absorber 27 across the cross section of the absorber chamber 28, the black body infrared radiation of the absorber 27 and the adjacent region of the heat-transporting medium result in no spreading of the hottest layer of the medium against the opening 3.
Der Absorber 27 ist weiter bevorzugt konvektionsarm ausgebildet, d.h. beispielsweise leicht durchströmbar, ohne dass erhöhte konvektive Eigenschaften für den Wärmetausch von Wich tigkeit sind. Es entfällt damit auch die Ausbildung für maximierte Konvektion des durchströ menden Mediums, d.h. die für einen möglichst effizienten Wärmetauscher notwendige Struk tur mit im Vergleich zum durchströmenden Volumen des Wärme tauschenden Mediums gros ser Oberfläche, welche bei hoher Effizienz aufwendig und damit kostenintensiv herzustellen ist und im Betrieb einen erheblichen Druckabfall des durchströmenden Mediums zur Folge hat, was wiederum für den Wirkungsgrad des entsprechenden Receivers nachteilig ist. The absorber 27 is further preferably designed with little convection, i.e. For example, easily flowable, without increased convective properties are important for the heat exchange. This also eliminates the training for maximized convection of the medium flowing through, i.e. the structure necessary for the most efficient heat exchanger with a large surface area in comparison to the flowing volume of the heat-exchanging medium, which is complex and therefore costly to manufacture with high efficiency and which results in a considerable pressure drop in the flowing medium during operation, which in turn results for the Efficiency of the corresponding receiver is disadvantageous.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein gewisser konvektiver Wärmeübergang am Absorber 27 durch Berührung mit dem Wärme tauschenden Medium natürlich unvermeidlich ist, insbe sondere bei der gezeigten Ausführungsform von Figur 2, da dieser dort einen Wandabschnitt des Absorptionsraums 28 bildet. Der entsprechende konvektive Wärmeübergang an das Wärme transportierende Gas ist an sich, wie jeder Wärmeübergang, soweit willkommen, als dieser keinen konstruktiven Aufwand bedingt oder beispielsweise den Strömungswiderstand erhöht - entsprechend soll die Auslasstemperatur Tout zu einem wesentlichen bzw. überwie genden Teil (s. dazu unten) auf Absorption basieren und so einen vereinfachten Aufbau des Receivers 25 ermöglichen. Der vereinfachte Aufbau des Absorbers 27 eröffnet unter anderem, wie oben erwähnt, die Möglichkeit für eine kostengünstige Fierstellung (low-cost Receiver für hohe Temperaturen) und auch einen stabileren Betrieb beispielsweise in thermischer FHinsicht (Temperaturverteilung über dem Absorber 27), was zu einer verbesserten Industrietauglich keit des Receivers führt. At this point, it should be noted that a certain convective heat transfer to the absorber 27 by contact with the heat-exchanging medium is of course inevitable, particularly in the embodiment shown in FIG. 2, since it forms a wall section of the absorption space 28 there. The corresponding convective heat transfer to the heat-transporting gas is, in itself, as well as any heat transfer, as far as welcome, as this does not require any design effort or, for example, increases the flow resistance - accordingly, the outlet temperature T out should to a substantial or predominant extent (see also below) are based on absorption and thus enable a simplified structure of the receiver 25. The simplified structure of the absorber 27 opens, as mentioned above, the possibility for an inexpensive positioning (low-cost receiver for high temperatures) and also a more stable operation, for example from a thermal FH perspective (temperature distribution over the absorber 27), which leads to an improved Industrial suitability of the receiver leads.
Erfindungsgemäss ergibt sich ein Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine Öffnung für die Strahlung der Sonne, und einen im Pfad des einfallenden Strahlung der Sonne angeordneten, diese absorbierenden Absorber aufweist, mit einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei ausserhalb des Absorbers ein Absorptionsraum für die Erwärmung des Wärme transportierenden Mediums vorgesehen ist und der Absorber als kon vektionsarme Schwarzkörper - Strahlungsanordnung und die Transportanordnung für den Transport eines Gases als Wärme transportierendes Medium ausgebildet ist. According to the invention, there is a receiver with a heating area for the heating of a heat-transporting medium, which has an opening for the radiation of the sun, and an absorber arranged in the path of the incident radiation of the sun and absorbing it, with a transport arrangement for the transport of the medium through the heating area, with an absorption space for the outside of the absorber Heating of the heat-transporting medium is provided and the absorber is designed as a low-convection black body radiation arrangement and the transport arrangement for transporting a gas as a heat-transporting medium.
Bevorzugt ist dabei der als konvektionsarme Schwarzkörper - Strahlungsanordnung ausgebil dete Absorber für die Durchströmung des Wärme transportierenden Gases ausgebildet und liegt weiter bevorzugt der optischen Öffnung 3 gegenüber. The absorber designed as a low-convection, black-body radiation arrangement is preferably designed for the through-flow of the heat-transporting gas and is more preferably located opposite the optical opening 3.
Bevorzugt ist weiter, wie Figur 2 zeigt, der Absorberraum 28 zwischen der Öffnung 3 für die Strahlung der Sonne und dem Absorber 27 vorgesehen, wobei das Verhältnis c das Verhältnis ist von der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers 27 in diesem Absorberraum 28 zu der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber 27, nach dem das Gas diesen passiert hat. Das Gas hat den Ab sorber 27 dann passiert, wenn es entweder durch den Absorber 27 gerade hindurchgetreten ist und so den Sammelraum 33 erreicht, oder wenn es am Ort des Absorbers 27 gerade seitlich entnommen worden ist (beispielsweise durch Öffnungen 92"' oder 93"' nach Figur 5), wobei natürlich in einer konkreten Ausführungsform beide Möglichkeiten gleichzeitig vorgesehen werden können. 2, the absorber space 28 is preferably provided between the opening 3 for the radiation from the sun and the absorber 27, the ratio c being the ratio of the temperature increase (T 3 - T2) by absorption of the radiation from the absorber 27 in this absorber space 28 to the total temperature increase (T 4 - T2) by absorption and convection at the absorber 27 after the gas has passed through it. The gas has passed from the absorber 27 when it has either just passed through the absorber 27 and thus reached the collecting space 33, or when it has just been removed laterally at the location of the absorber 27 (for example through openings 92 "'or 93"'According to Figure 5), of course, both options can be provided simultaneously in a specific embodiment.
In einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform ist der Sammelraum 33, der sich auf der Rückseite des Absorbers 27 befindet, als weiterer Absorberraum ausgebildet. Im Fall eines wenigstens teilweise gasdichten Absorbers (s. unten) wird Gas um den Absorber herum zu einer Rückseite des Absorbers und dann von dieser weg geführt. In a further embodiment, not shown in the figure, the collecting space 33, which is located on the rear side of the absorber 27, is designed as a further absorber space. In the case of an at least partially gas-tight absorber (see below), gas is conducted around the absorber to a rear of the absorber and then away from it.
Dann durchströmt das bereits absorptiv und konvektiv erwärmte, Wärme transportierende Gas diesen weiteren Absorptionsraum und erwärmt sich zusätzlich, absorptiv und konvektiv, bevorzugt erfindungsgemäss mit einem Temperaturverhältnis c > 0,3. Dies erlaubt letztlich, die strahlende Oberfläche 27' zu vergrössern und so den absorptiven Wärmeübergang zu op timieren. Then the heat-transporting gas, which has already been absorptively and convectively heated, flows through this further absorption space and is additionally heated, absorptively and convectively, preferably according to the invention with a temperature ratio c> 0.3. Ultimately, this makes it possible to enlarge the radiating surface 27 'and thus optimize the absorptive heat transfer.
Damit weist der Erwärmungsbereich zwei Absorberräume mit einem gemeinsamen Absorber auf, wobei das Verhältnis c für einen oder für beide der Absorberräume vorgesehen wird. Als Wärme transportierendes Medium wird erfindungsgemäss weiter ein Infrarot-absorbie- rendes Gas oder Gasgemisch verwendet, das in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absor biert. Solche Gase sind beispielsweise heteropolare Gase, bevorzugt CO2, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, SO2, SO3, HCl, NO, und NO2, oder ein Gemisch davon, wie ein Gemisch aus Wasser dampf und C02. Bei der Verwendung solcher Gase ergibt sich letztlich ein durch den Receiver 25 nutzbarer bzw. genutzter Treibhauseffekt, da diese Gase für das sichtbare Licht hoch durch sichtig sind, das damit den Absorber 27 im Wesentlichen erreicht, aber für die Infrarotstrah lung des Absorbers wenig bis kaum durchsichtig sind, so dass sie sich also vor dem Absorber 27 absorptiv betreffend Tout in erheblichem oder überwiegenden Mass erwärmen. Es sei hier angemerkt, dass reale Gase sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung nicht gleichmässig über alle Frequenzen absorbieren oder für diese durchsichtig sind, sondern vor allem in für ein jeweili ges Gas spezifischen Frequenzbändern unterschiedlich stark. Zusätzlich fällt die Absorption mit dem Abstand von der Strahlungsquelle ab. Dadurch wird oben im Hinblick auf die Absorp tion bzw. Durchsichtigkeit von Strahlung von "hoch durchsichtig" bzw. von "wenig bis kaum durchsichtig" gesprochen. The heating area thus has two absorber rooms with a common absorber, the ratio c being provided for one or for both of the absorber rooms. According to the invention, an infrared-absorbing gas or gas mixture which absorbs in frequency bands of the infrared range is also used as the heat-transporting medium. Such gases are, for example, heteropolar gases, preferably CO2, water vapor, CH4, NH3, CO, SO2, SO3, HCl, NO, and NO2, or a mixture thereof, such as a mixture of water vapor and CO 2 . When using such gases there is ultimately a usable or used greenhouse effect by the receiver 25, since these gases are highly transparent to the visible light, which thus essentially reaches the absorber 27, but little or hardly for the infrared radiation of the absorber are transparent, so that they warm up in front of the absorber 27 absorptively with respect to T out to a considerable or predominant degree. It should be noted here that real gases do not absorb visible light or infrared radiation uniformly over all frequencies or are transparent to them, but above all in frequency bands specific for a particular gas. In addition, the absorption decreases with the distance from the radiation source. This speaks above with regard to the absorption or transparency of radiation of "highly transparent" or "little to hardly transparent".
Es sei weiter angemerkt, dass natürlich auch die Strahlung der Sonne einen Anteil an infraroten Frequenzbändern aufweist, soweit diese durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche gelan gen. Dank der Ausbildung des Erwärmungsbereichs 26 derart, dass dieser für Infrarotfrequen zen wenig bis kaum durchsichtig ist, trägt dieser (vergleichsweise kleine) Anteil soweit direkt, ohne Umweg über den Absorber 27, damit erfindungsgemäss höchst effizient zur Erwärmung des Wärme transportierenden Fluids bei. Dies im Gegensatz zu konventionellen Receivern, bei denen auch der Infrarot-Anteil der Sonnenstrahlung im Wesentlichen den Absorber erwärmt und dann überwiegend konvektiv an das Wärme transportierende Fluid abgegeben wird. It should also be noted that, of course, the radiation from the sun also has a portion of infrared frequency bands insofar as these reach the earth's surface through the atmosphere. Thanks to the design of the heating region 26 in such a way that it is little to hardly transparent for infrared frequencies this (comparatively small) portion as far as possible directly, without going through the absorber 27, so that according to the invention it is highly efficient for heating the heat-transporting fluid. This is in contrast to conventional receivers, in which the infrared portion of the solar radiation essentially heats up the absorber and is then predominantly released convectively to the heat-transporting fluid.
Der erfindungsgemässe Absorber kann als Lochplatte, bevorzugt als doppelte Lochplatte oder als einfache, flächige Gitterstruktur ausgebildet sein. Im Fall der Lochplatte wird ein Lochmus ter über deren Ausdehnung verteilt, so dass das Wärme transportierende Gas leicht durchströ men kann, aber genügend bzw. möglichst viel der Oberfläche der Lochplatte für die Absorption der einfallenden Sonnenstrahlung und der Infrarot-Rückstrahlung in den Absorberraum gege ben ist. Zusätzlich kann das Lochmuster für leichte Durchströmbarkeit ausgelegt werden, da die Notwendigkeit der Konvektion entfällt, und verminderter Strömungswiderstand vorteilhaft ist. Der Fachmann kann das Lochmuster im konkreten Fall leicht optimal bestimmen. Ebenso für den Fall einer Gitterstruktur oder doppelten Lochplatte mit zwei zu einander parallelen Platten, wobei dann die Löcher der einen Platte gegenüber denjenigen der anderen Platte ge geneinander versetzt angeordnet werden, derart, dass trotz konvektionsarmem Durchgang des Wärme tauschenden Gases dem Absorptionsraum eine möglichst durchgehende, strah lende Fläche des Absorbers zugewendet ist. In diesem Fall wird das Gas durch den Absorber hindurch geführt. Alternativ kann auch der Absorber gasdicht ausgebildet werden, wobei dann das Gas wie beispielsweise in Fig. 5 gezeigt, seitlich aus dem Absorberraum 26 ausströmt. Dann wird das Gas am Absorber vorbei geführt. Der Fachmann kann im konkreten Fall eine Misch form vorsehen, so dass ein Teil des Gases durch den Absorber hindurch fliesst und ein Teil an ihm vorbei fliesst. Der Absorber weist dann wenigstens teilweise eine gasdichte Oberfläche auf und ist bevorzugt plattenförmig, ausgebildet (eine vollständig gasdichte Oberfläche liegt vor, wenn das Gas am Absorber vorbeigeführt wird). The absorber according to the invention can be designed as a perforated plate, preferably as a double perforated plate or as a simple, flat lattice structure. In the case of the perforated plate, a hole pattern is distributed over its extent, so that the heat-transporting gas can easily flow through, but sufficient or as much as possible of the surface of the perforated plate for absorption of the incident solar radiation and infrared reflection into the absorber space is. In addition, the hole pattern can be designed for easy flow, since there is no need for convection and reduced flow resistance is advantageous. The person skilled in the art can easily optimally determine the hole pattern in the specific case. Likewise in the case of a lattice structure or double perforated plate with two parallel ones Plates, in which case the holes of one plate are offset from one another in relation to those of the other plate, such that, despite the low-convection passage of the heat-exchanging gas, the absorption space faces the most continuous, radiant surface of the absorber. In this case the gas is led through the absorber. Alternatively, the absorber can also be made gas-tight, in which case the gas flows out of the absorber space 26 laterally, as shown for example in FIG. 5. Then the gas is led past the absorber. In a specific case, the person skilled in the art can provide a mixed form so that part of the gas flows through the absorber and part flows past it. The absorber then at least partially has a gas-tight surface and is preferably plate-shaped (a completely gas-tight surface is present when the gas is guided past the absorber).
Ein geeigneter Werkstoff für den Absorber weist sowohl einen hohen Absorptionsgrad von Solarstrahlung als auch eine hohe Emissivität von Infrarotstrahlung auf, welche - falls nötig - mit geeigneter Texturierung der Oberfläche 27' wie zum Beispiel V-grooves, in die Oberfläche hinein- oder herausragende Pyramiden, oder anderen Strahlungsfallen zusätzlich erhöht wer den können. Zudem werden hohe Temperatur(wechsel)- und Korrosionsbeständigkeit (z.B. ge gen Oxidation durch Wasserdampf oder C02 bei hohen Temperaturen) vorausgesetzt. Geeig nete Werkstoffe sind sowohl Flochtemperaturkeramiken wie Siliziumcarbid (SiC) als auch feu erfeste Baustoffe, die der Fachmann im konkreten Fall unter Anderem im Hinblick auf den vor gesehenen Temperaturbereich, auswählen kann. A suitable material for the absorber has both a high degree of absorption of solar radiation and a high emissivity of infrared radiation, which - if necessary - with suitable texturing of the surface 27 'such as V-grooves, pyramids protruding into the surface or protruding, or other radiation traps can also be increased. In addition, high temperature (change) and corrosion resistance (e.g. against oxidation by water vapor or C02 at high temperatures) are required. Suitable materials are floch temperature ceramics such as silicon carbide (SiC) as well as fire-resistant building materials, which the person skilled in the art can select in particular in view of the temperature range provided.
Bei einer weiteren, gegenüber der Anordnung von Figur 2 abgewandelten Ausführungsform, die schematisch in Figur 3 gezeigt ist, sind die Einlassstutzen 30 (Figur 2) nicht um das Quarz fenster 3 herum angeordnet, sondern in Richtung der einfallenden Sonnenstrahlung 4 hinter dem Quarzfenster 3 bzw. der Öffnung für die Sonnenstrahlung. Dadurch liegen die entspre chenden Leitungen für das Wärme transportierende Gas nicht in der Ebene des Quarzfensters 3, sondern wenigstens unmittelbar dahinter, d.h. nicht auf der dem einfallenden Licht zuge wendeten Oberfläche des Receivers 25. Damit entfällt eine entsprechende Abschirmung ge gen das Licht, wobei die Öffnung 3 genau auf den Querschnitt des einfallenden, konzentrierten Lichts bemessen werden kann. In a further embodiment, modified from the arrangement in FIG. 2, which is shown schematically in FIG. 3, the inlet connections 30 (FIG. 2) are not arranged around the quartz window 3, but in the direction of the incident solar radiation 4 behind the quartz window 3 or the opening for solar radiation. As a result, the corresponding lines for the heat-transporting gas are not in the plane of the quartz window 3, but at least immediately behind, i.e. not on the surface of the receiver 25 facing the incident light. A corresponding shielding against the light is thus omitted, the opening 3 being able to be dimensioned precisely to the cross section of the incident, concentrated light.
Es ergibt sich ein erfindungsgemässer Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwär mung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine Öffnung für die Strahlung der Sonne, und einen im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne angeordneten, diese absorbie renden Absorber aufweist, mit einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei weiter ein Absorberraum für die Erwärmung des Wärme transportierenden Mediums vorgesehen ist, dessen eines Ende durch die Öffnung für die Strahlung der Sonne und dessen anderes Ende durch den der Öffnung gegenüber lie genden Absorber gebildet wird, derart, dass durch die Öffnung eintretende Strahlung der Sonne im Wesentlichen vollständig auf den Absorber fällt, und der Absorber als in den Absor berraum wirkende Strahlungsanordnung und die Transportanordnung für den Transport eines Gases als Wärme transportierendes Medium ausgebildet ist, und dieses im Bereich der Öff nung, jedoch in Richtung der einfallenden Strahlung hinter der Öffnung, dem Absorberraum zuführt und (nur) im Bereich des Absorbers aus dem Absorberraum abführt, derart, dass im Betrieb das Wärme transportierende Medium den Absorberraum in einer der einfallenden Sonnenstrahlung entsprechenden Richtung vom einen Ende mit der Öffnung zum anderen Ende mit dem Absorber vollständig durchquert, und wobei das Wärme transportierende Me dium im Wesentlichen ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas ist, und der mit dem Absorber zusammenwirkende Absorberraum derart bemessen ist, dass im Betrieb das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) des in Frequenzbändern des Infra rotbereiches absorbierenden, Wärme transportierenden Gases durch Absorption im Absorber raum gegenüber der Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und die Konvektion am Absorber, > 0,3 ist. The result is a receiver according to the invention with a heating area for the heating of a heat-transporting medium which has an opening for the radiation of the Sun, and a arranged in the path of the incident radiation of the sun, this absorbing absorber has, with a transport arrangement for transporting the medium through the heating area, wherein an absorber space for heating the heat-transporting medium is further provided, one end of which the opening for the radiation of the sun and its other end is formed by the absorber lying opposite the opening, such that the sun's radiation entering through the opening essentially falls completely on the absorber, and the absorber acts as a radiation arrangement acting in the absorber space and the transport arrangement for the transport of a gas is designed as a heat-transporting medium, and this in the area of the opening, but in the direction of the incident radiation behind the opening, feeds the absorber chamber and (only) in the region of the absorber from the absorber chamber, such that in operation there s heat-transporting medium completely crosses the absorber space in a direction corresponding to the incident solar radiation from one end with the opening to the other end with the absorber, and the heat-transporting medium is essentially a gas that absorbs in frequency bands of the infrared range and that with the Absorber interacting absorber space is dimensioned such that, during operation, the ratio c of the temperature increase (T 3 - T2) of the heat-absorbing gas absorbing in frequency bands of the infrared range by absorption in the absorber space compared to the temperature increase (T 4 - T 2 ) due to the absorption and the convection at the absorber is> 0.3.
Dabei kann nach Wahl des Fachmanns im konkreten Fall der erfindungsgemässe Receiver der art ausgebildet werden, dass die Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungs bereich durch Absorption der Strahlung des Absorbers derart zunimmt, dass das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption der Strahlung des Absorbers und Konvektion am Absorber > 0,3 ist, besonders bevorzugt aber bis > 0,8 (s. dazu die Beschrei bung unten). In the specific case, the receiver according to the invention can be designed in such a way that the temperature increases during transport through the heating area by absorption of the radiation from the absorber in such a way that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) by Absorption of the radiation from the absorber compared to the total temperature increase (T 4 - T 2 ) due to the absorption of the radiation from the absorber and convection at the absorber is> 0.3, but is particularly preferred up to> 0.8 (see the description below) .
Diese Anordnung ermöglicht unter anderem im Betrieb eine stabile Temperaturverteilung zu erzeugen, mit gegen den Absorber 27 hin stetig ansteigender Temperatur, wobei auch die Temperaturverteilung in einem Querschnitt des Absorberraums über die Zeit nicht wesentlich ändert. Gegen den Absorber stetig ansteigende Temperatur bedeutet, dass die an die Öffnung bzw. an das Quarzfenster 3 angrenzende Schicht des Wärme transportierenden Gases die tiefste Temperatur aufweist und damit die geringste Wärmerückstrahlung durch das Quarz fenster 3 erzeugt, was zum hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Receivers beiträgt. Gleiche Temperaturverteilung über den Querschnitt des Absorberraums erlaubt, den Auslass stutzen 31 an einem optimalen Ort, z.B. am Ort der höchsten Temperatur des Wärme trans portierenden Mediums vorzusehen, der nicht, wie in Figur 2 beispielhaft dargestellt, auf der Längsachse des Receivers bzw. zentral angeordnet sein muss. Beispielsweise können bei einem auf einem Solarturm schräg angeordneten Receiver 25 im Absorberraum 28 Konvektions ströme im Wärme transportierenden Medium auftreten, so dass der Auslassstutzen nicht zent ral, sondern gegen oben versetzt anzuordnen ist, s. dazu auch die Beschreibung zu den Figuren 9 und 10 unten. This arrangement makes it possible, inter alia, to generate a stable temperature distribution during operation, with the temperature increasing steadily towards the absorber 27, the temperature distribution in a cross section of the absorber space also not changing significantly over time. Constantly rising temperature against the absorber means that the layer of the heat-transporting gas adjacent to the opening or to the quartz window 3 is the has the lowest temperature and thus generates the lowest heat reflection through the quartz window 3, which contributes to the high efficiency of the receiver according to the invention. The same temperature distribution over the cross section of the absorber space allows the outlet port 31 to be provided at an optimal location, for example at the location of the highest temperature of the heat-transporting medium, which is not, as shown in FIG. 2 by way of example, arranged centrally on the longitudinal axis of the receiver have to be. For example, in a receiver 25 arranged obliquely on a solar tower in the absorber chamber 28, convection currents can occur in the heat-transporting medium, so that the outlet connection is not to be arranged centrally, but offset towards the top, see FIG. see also the description for Figures 9 and 10 below.
Auf jeden Fall ermöglicht die erfindungsgemässe Anordnung eine konstante, stabile Tempera turverteilung im Reciever 25 mit optimal geringer Rückstrahlung durch das Quarzfenster 3. Figur 4 zeigt ein Diagramm 40 mit einer Temperaturkurve 41, die in Verbindung mit Figur 2 oder Figur 3 schematisch den Temperaturverlauf des durch den Receiver 25 strömenden Gases zeigt. In any case, the arrangement according to the invention enables a constant, stable temperature distribution in the receiver 25 with optimally low retroreflection through the quartz window 3. FIG. 4 shows a diagram 40 with a temperature curve 41, which in connection with FIG. 2 or FIG shows the receiver 25 flowing gas.
Im Abschnitt F ist durch den Teil 42 der Temperaturkurve die Erwärmung des infrarot absor bierenden, Wärme transportierenden Gases von Tin auf Ti dargestellt, für den Fall, dass bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform des Receivers 25 das infrarot absorbierende Gas wie beim Receiver 1 die Luft (Figur 1) ebenfalls dem Absorptionsraum 28 entlang zur Stirnseite transportiert werden soll (was jedoch nicht zwingend ist). Im Abschnitt G erfolgt eine geringe konvektive Erwärmung der Luft von Ti auf T2 (Teil 43 der Temperaturkurve 41) aufgrund des Durchgangs des Gases durch die Einlassstutzen 30. In section F, part 42 of the temperature curve shows the heating of the infrared-absorbing, heat-transporting gas from T in to Ti, in the event that, in the embodiment of the receiver 25 shown in FIG. 2, the infrared-absorbing gas as in the receiver 1 the air (FIG. 1) is also to be transported along the absorption space 28 to the end face (which is, however, not mandatory). In section G there is a slight convective heating of the air from Ti to T2 (part 43 of the temperature curve 41) due to the passage of the gas through the inlet connection 30.
Im Abschnitt H fliesst das infrarot absorbierende Gas durch den Absorptionsraum 28 und er wärmt sich absorptiv durch die Infrarotstrahlung 32 des Absorbers 27 (hier mit dem Infrarot- Anteil der Sonnenstrahlung) von T2 auf T3 (Teil 44 der Temperaturkurve 41) bevor sie in Ab schnitt I durch diesen hindurchströmt und sich dabei konvektiv von T3 auf T4 erwärmt (Teil 45 der Temperaturkurve 41). Schliesslich erfolgt eine weitere absorptive Erwärmung des infrarot absorbierenden Gases im Abschnitt K von T4 auf die Austrittstemperatur Tout (Teil 46 der Tem peraturkurve 41) während sich das Gas im Sammelraum 33 befindet und gegen den Auslass stutzen 31 strömt. Der Temperatursprung von Tin auf Tout ist erfindungsgemäss zu einem gros sen bzw. überwiegenden Teil absorptiv bedingt. Es ergibt sich aus der Darstellung der Figuren 2 und 3, dass die Transportanordnung des Recei vers bevorzugt einen Absorptionsraum 28 in Strömungsrichtung vor und einen weiteren (hier als Sammelraum 33 ausgebildeten) Absorptionsraum in Strömungsrichtung hinter dem Absor ber 27 aufweist. In section H the infrared absorbing gas flows through the absorption space 28 and it heats up absorptively by the infrared radiation 32 of the absorber 27 (here with the infrared portion of the solar radiation) from T2 to T3 (part 44 of the temperature curve 41) before it cuts off I flows through it and heats up convectively from T3 to T4 (part 45 of temperature curve 41). Finally, there is a further absorptive heating of the infrared absorbing gas in the section K from T 4 to the outlet temperature T out (part 46 of the temperature curve 41) while the gas is in the collecting space 33 and against the outlet nozzle 31 flows. According to the invention, the jump in temperature from T in to T out is largely absorptive. It follows from the illustration in FIGS. 2 and 3 that the transport arrangement of the receiver preferably has an absorption space 28 in the flow direction upstream and a further absorption space (here designed as a collection space 33) in the flow direction behind the absorber 27.
Der Fachmann legt im konkreten Fall die Betriebsparameter fest, in der Regel ausgehend von der gewünschten oder notwendigen Austrittstemperatur Tout und der durch die Verwendung der Wärme aus dem Receiver gegebenen Eintrittstemperatur T . Weiter wählt er das im kon kreten Fall geeignete infrarot absorbierende Gas bzw. Gasgemisch und legt die Strömungsge schwindigkeit im Absorptionsraum 28 fest (die wiederum von der aktuellen Sonneneinstrah lung abhängig sein kann). Solche und weitere sich im konkreten Fall ergebende Betriebspara meter können voneinander abhängen, mit der Folge, dass die absorptive Erhöhung der Tem peratur von T auf T in Abschnitt Fl von Figur 3, d.h. im Absorptionsraum 28, im konkreten Fall je nach dem grösser oder kleiner ausfällt. In a specific case, the person skilled in the art determines the operating parameters, generally starting from the desired or necessary outlet temperature T out and the inlet temperature T given by the use of the heat from the receiver. Furthermore, he selects the infrared absorbing gas or gas mixture suitable in the specific case and defines the flow rate in the absorption space 28 (which in turn may depend on the current sun radiation). Such and other operating parameters resulting in the specific case can depend on one another, with the result that the absorptive increase in the temperature from T to T in section F1 of FIG. 3, ie in the absorption space 28, in the specific case depending on the larger or smaller fails.
Die Anmelderin hat gefunden, dass sich die erfindungsgemässen Vorteile bereits bei einem Verhältnis c von > 0,3 relevant auswirken, wobei The applicant has found that the advantages according to the invention have a relevant effect even at a ratio c of> 0.3, where
d.h. das Verhältnis zwischen der absorptiven und der gesamten absorptiven und konvektiven Erwärmung des Wärme transportierenden Gases angibt, wenn das Gas auf einen im Infrarot bereich strahlenden Absorber 27 zu und dann durch diesen hindurch (oder an diesem entlang zu einem Auslass) geströmt ist, d.h. diesen passiert hat. Durch geeigneten Betrieb mit den ge wählten Betriebsparametern, mit anderen Worten durch geeignete Ausbildung der Steuerung des Receivers 25 kann der Fachmann im konkreten Fall den erfindungsgemässen Wert von c > 0,3 erreichen. i.e. indicates the ratio between the absorptive and the total absorptive and convective heating of the heat-transporting gas when the gas has flowed towards an absorber 27 radiating in the infrared region and then through it (or along it to an outlet), i.e. happened to this. By suitable operation with the selected operating parameters, in other words by a suitable design of the control of the receiver 25, the person skilled in the art can achieve the value according to the invention of c> 0.3 in the specific case.
Der Fachmann kann, wie erwähnt, im konkreten Fall das Verhältnis c > 0,3 auf die Absorption nur der Absorberstrahlung 32,55 oder auf die Absorption der Absorberstrahlung einschliesslich der Absorption des Infrarot-Anteils der durch den Absorptionsraum 28, 57 (Figuren 2 und 4) laufenden Sonnenstrahlung 4 beziehen. Es ergibt sich, dass erfindungsgemäss als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenz bändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen ist. Weiter ist erfindungsge mäss, dass ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorptionsraum derart bemessen ist, dass im Betrieb das Verhältnis c der absorptiven Temperaturzunahme (T3 - T2) eines in Fre quenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes, Wärme transportierenden Gases in der Absorptionskammer gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorp tion und Konvektion am Absorber > 0,3 ist. As mentioned, the person skilled in the art can, in the specific case, have the ratio c> 0.3 on the absorption of only the absorber radiation 32.55 or on the absorption of the absorber radiation, including the absorption of the infrared portion of the radiation through the absorption space 28, 57 (FIGS. 2 and 5) 4) refer to ongoing solar radiation 4. It results that according to the invention a gas which absorbs in frequency bands of the infrared range is provided as the heat-transporting medium. Furthermore, it is according to the invention that an absorption space interacting with the absorber is dimensioned such that in operation the ratio c of the absorptive temperature increase (T 3 - T2) of a heat-transporting gas absorbing in frequency bands of the infrared range in the absorption chamber compared to the total temperature increase ( T 4 - T 2 ) by absorption and convection at the absorber> 0.3.
Bevorzugt strömt das Wärme tauschende Gas durch eine Absorberzone (Absorptionsraum 28) gegen einen Absorber (Absorber 27), wobei es in der Absorberzone absorbtiv und durch den Absorber auch konvektiv erwärmt wird. Ein Receiver kann mehrstufig aufgebaut sein, d.h. Wärme transportierendes Medium stufenweise erwärmen. Erfindungsgemäss ist dann we nigstens eine Stufe für eine absorptiv / konvektiv erfolgende Erwärmung mit dem Verhältnis c von > 0,3 ausgebildet. The heat-exchanging gas preferably flows through an absorber zone (absorption space 28) against an absorber (absorber 27), it being absorbed in the absorber zone and also convectively heated by the absorber. A receiver can be structured in several stages, i.e. Gradually heat up heat-transporting medium. According to the invention, at least one stage for an absorptive / convective heating with the ratio c of> 0.3 is then formed.
Bevorzugt weist dann der Erwärmungsbereich zwei Absorptionsräume auf, wobei das Verhält nis c für einen oder für beide der Absorptionsräume in Verbindung mit dem Absorber vorge sehen wird. The heating region then preferably has two absorption spaces, the ratio nis c being provided for one or for both of the absorption spaces in conjunction with the absorber.
Für einen hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Receivers ist mit bestimmend, dass die vom Absorber abgestrahlte Wärmemenge möglichst weitgehend im Absorptionsraum vom Wärme transportierenden Gas absorbiert wird (und beispielsweise nicht das Gas durchdringt und durch die Öffnung für die Sonnenstrahlung als Rückstrahlung wieder aus dem Receiver entweicht). Ein bestimmender Parameter ist hier die Absorptivität a des Wärme transportie renden Gases, die durch Versuche gemessen, aus Spektrallinienwerten von molekülspektro skopischen Datenbanken (z.B. FIITEMP2010) berechnet, oder auch näherungsweise aus Emis- sivitätsdiagrammen nach der Regel von Flottei bestimmt werden kann. Weist unter den aktu ellen Betriebsverhältnissen der Receiver in einer Ausführungsform eine Distanz Fl zwischen dem Absorber und der Öffnung derart auf, dass in diesem Raumbereich 60% oder mehr der vom Absorber abgestrahlten Wärmeleistung vom Wärme transportierenden Gas absorbiert wird, ergibt sich bereits ein guter Wirkungsgrad des Receivers, der auf Absorption der Absor berwärme ausgelegt ist. Besonders bevorzugt ist eine Flöhe im genannten Raumbereich derart, dass 80% oder mehr, besonders bevorzugt 90% oder mehr der abgestrahlten Wärmeleistung des Absorbers vom Wärme transportierenden Gas absorbiert wird. Hier sei angemerkt, dass der Absorberraum sicher eine Öffnung für die Strahlung der Sonne und einen in ihn über seine Schwarzkörper-Strahlung wirkender Absorber aufweist, wobei ge mäss der Figuren 2 bis 4 bevorzugt der Absorber der Öffnung gegenüberliegt. Grundsätzlich kann der Absorberraum aber auch nicht zylindrisch, sondern beliebig, beispielsweise mit ein springenden Seitenwänden ausgebildet werden, so dass die Öffnung kleiner ist als die Absor beroberfläche, was im Hinblick auf die unerwünschte Rückstrahlung vorteilhaft ist. In solch einem Fall wird durch einen Konzentrator die Strahlung in der Öffnung gebündelt und diver giert nach der Öffnung derart, dass die ganze und grössere Absorberoberfläche beleuchtet wird. Dann besitzt der Absorberraum eventuell nicht unter den einspringenden Wänden, aber unter der Öffnung eine Höhe derart, dass im betroffenen Raumbereich (wo diese Höhe vor handen ist) eine Absorption im oben genannten Grad vorliegt. For a high efficiency of the receiver according to the invention, it is also decisive that the amount of heat radiated by the absorber is absorbed as far as possible by the gas transporting gas in the absorption space (and, for example, does not penetrate the gas and escapes from the receiver through the opening for solar radiation as reflection). A determining parameter here is the absorptivity a of the heat-transporting gas, which can be measured by experiments, calculated from spectral line values from molecular spectroscopic databases (eg FIITEMP2010), or can also be determined approximately from emissivity diagrams according to the rule of the fleet. If, in one embodiment, the distance F1 between the absorber and the opening has such a distance under the current operating conditions of the receivers that 60% or more of the heat output radiated by the absorber is absorbed by the heat-transporting gas in this spatial region, the efficiency of the Receiver that is designed to absorb the absorber heat. A flea in the space area mentioned is particularly preferred such that 80% or more, particularly preferably 90% or more, of the radiated thermal output of the absorber is absorbed by the heat-transporting gas. It should be noted here that the absorber space certainly has an opening for the radiation from the sun and an absorber acting in it via its blackbody radiation, ge according to FIGS. 2 to 4 preferably the absorber opposite the opening. In principle, however, the absorber space can not be cylindrical, but can be configured as desired, for example with a jumping side wall, so that the opening is smaller than the surface of the absorber, which is advantageous in view of the undesired reflection. In such a case, the radiation is concentrated in the opening by a concentrator and diverts after the opening in such a way that the entire and larger absorber surface is illuminated. Then the absorber room may not have a height under the protruding walls, but under the opening such that there is an absorption in the above-mentioned degree in the affected area (where this height is present).
Da die Absorptivität von der Art des Gases, von dessen Druck und von der Temperatur der strahlenden Absorberoberfläche und derjenigen des Gases selbst abhängt (Regel von Hottel) kann der Fachmann die Höhe in Abhängigkeit der die Absorption bestimmenden Parameter festlegen: wie erwähnt sind dies die Art des Gases, dessen Betriebsdruck, dessen Temperatur und die Temperatur der Absorberoberfläche im Betrieb, welche insofern einen Betriebszu stand des Receivers bestimmen. Since the absorptivity depends on the type of gas, its pressure and the temperature of the radiating absorber surface and that of the gas itself (Hottel rule), the person skilled in the art can determine the height depending on the parameters determining the absorption: as mentioned, these are the types of the gas, its operating pressure, its temperature and the temperature of the absorber surface during operation, which in this respect determine an operating state of the receiver.
Es ergibt sich eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers, bei wel chem der Absorptionsraum eine Höhe über dem Absorber so aufweist, dass in einem Betriebs zustand des Receivers in diesem Raumbereich 60% oder mehr, bevorzugt 80% oder mehr, ganz besonders bevorzugt 90% oder mehr der abgestrahlten Wärmeleistung des Absorbers vom Wärme transportierenden Gas absorbiert wird. The result is a preferred embodiment of the receiver according to the invention, in which the absorption space has a height above the absorber such that, when the receiver is in an operating state, 60% or more, preferably 80% or more, very particularly preferably 90% or in this area more of the radiated heat output of the absorber is absorbed by the heat-transporting gas.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers. Dargestellt ist ein Schnitt durch einen Receiver 50, der dem Reciever 25 von Figur 2 entspricht, wobei jedoch der Absorber 51 mit seiner der optischen Öffnung 3 zugewendeten absorbierenden Oberfläche 51' einen in den Absorberraum 57 ragenden, bevorzugt plattenförmigen Abschnitt 54 auf weist, der sich in der Mitte des Absorberraums 57 gegen die Öffnung 3 erstreckt und der im Wesentlichen parallel zu der durch die eingezeichneten Pfeile angegebenen Strömungsrich tung des infrarot absorbierenden, Wärme tauschenden Gases ausgerichtet ist. Der Abschnitt 54 absorbiert im Wesentlichen von der absorbierenden Oberfläche 51' abgegebene Infrarot strahlung, soweit diese noch nicht von dem an ihm entlang strömenden Gas absorbiert worden ist, also insbesondere Strahlung in denjenigen Frequenzbändern, für welche das Gas weniger absorptiv ist. Dadurch erwärmt er sich und stellt wiederum eine Schwarzkörper-Strahlungsan ordnung dar, die im Ganzen der Temperatur des Abschnitts 54 entsprechenden Frequenz spektrum strahlt und das vorbeiströmende Wärme transportierende Gas seinerseits absorptiv erwärmt. Es ergibt sich eine verbesserte Nutzung derjenigen Frequenzen der Strahlung 55, welche vom Gas nur wenig absorbiert werden, da diese Frequenzen Wärme in den Abschnitt 54 einbringen, der dann seinerseits wiederum in allen (Infrarot-)Frequenzen strahlt. Der Ab schnitt 54 stellt einen Sekundärabsorber dar. FIG. 5 shows a further embodiment of the receiver according to the invention. A section through a receiver 50 is shown, which corresponds to the receiver 25 of FIG. 2, but the absorber 51, with its absorbent surface 51 'facing the optical opening 3, has a preferably plate-shaped section 54 which projects into the absorber space 57 and has a section extends in the middle of the absorber chamber 57 against the opening 3 and which is oriented essentially parallel to the flow direction of the infrared-absorbing, heat-exchanging gas indicated by the arrows. The section 54 essentially absorbs infrared radiation emitted by the absorbing surface 51 ', insofar as this has not yet been absorbed by the gas flowing along it, that is to say in particular radiation in those frequency bands for which the gas is less absorbent. As a result, it heats up and in turn represents a black-body radiation arrangement which radiates the frequency spectrum corresponding to the temperature of section 54 and heats the gas flowing past in turn absorptively. This results in an improved use of those frequencies of radiation 55 which are only slightly absorbed by the gas, since these frequencies introduce heat into section 54, which in turn radiates in all (infrared) frequencies. From section 54 represents a secondary absorber.
Solch eine Anordnung kann in grösseren Dimensionen, z.B mit einem Durchmesser der Absor beroberfläche 51' von 15,96 m und einer Länge des Absorptionsrums 53 (Absorberoberfläche 51' bis optische Öffnung 3) von 15,96 m ausgeführt werden. Dann ist der Receiver 50 geeignet, den Fluss einer grossen Anzahl (oder aller) Fleliostaten eines Turmkraftwerks aufzunehmen. Es ergibt sich, dass der Receiver 50 einen Absorptionsraum 57 aufweist und der Absorber 51 mit einem Abschnitt bzw. Sekundärabsorber 54 in diesen Raum hinein ragt, der bevorzugt platten förmig ausgebildet ist. Such an arrangement can be implemented in larger dimensions, for example with a diameter of the absorber surface 51 'of 15.96 m and a length of the absorption space 53 (absorber surface 51' to optical opening 3) of 15.96 m. The receiver 50 is then suitable for recording the flow of a large number (or all) of fleliostats in a tower power plant. The result is that the receiver 50 has an absorption space 57 and the absorber 51 projects into this space with a section or secondary absorber 54, which is preferably plate-shaped.
Bei einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform kann eine beispielsweise für das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts durchsichtige Glaswand (Borosilikatglas) als Se kundärabsorber vorgesehen werden, die etwa in der Mitte zwischen der Absorberoberfläche 51' und der optischen Öffnung 3 (Figur 4) parallel zur Absorberoberfläche 51' angeordnet ist und Durchgänge, beispielsweise in der Art einer Lochplatte, für das Wärme transportierende Gas aufweist. Wiederum wird die Glaswand durch die Infrarotstrahlung der Absorberoberflä che 51', bzw. durch deren noch nicht vom Gas absorbierten Frequenzanteile erwärmt und strahlt selbst in der Art des schwarzen Körpers in beiden Richtungen, nämlich sowohl gegen die optische Öffnung als auch gegen den Absorber. Der Fachmann kann im konkreten Fall die Glasplatte derart auslegen, dass für den Abschnitt des Absorptionsraums zwischen der Glas platte und der optischen Öffnung und der ihm zugeordneten Glasplatte und auch für den Ab schnitt des Absorptionsraums zwischen der Glasplatte und dem Absorber mit dem ihm zuge ordneten Absorber das Verhältnis c von > 0,3 erreicht wird. Es ergibt sich erfindungsgemäss ein Receiver, der einen weiteren als Schwarzkörper - Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeten Sekundärabsorber in einem vor dem Absorber liegenden Absorpti onsraum aufweist, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Infrarotstrah lung des Absorbers erwärmbar ist. In a further embodiment, not shown in the figure, a glass wall (borosilicate glass), for example transparent for the visible spectrum of sunlight, can be provided as secondary absorber, which is approximately parallel in the middle between the absorber surface 51 'and the optical opening 3 (FIG. 4) is arranged to the absorber surface 51 'and has passages, for example in the manner of a perforated plate, for the heat-transporting gas. Again, the glass wall is heated by the infrared radiation of the absorber surface 51 ', or by its frequency components which have not yet been absorbed by the gas, and even in the manner of the black body radiates in both directions, namely both against the optical opening and against the absorber. The person skilled in the art can design the glass plate in such a way that for the section of the absorption space between the glass plate and the optical opening and the glass plate assigned to it and also for the section of the absorption space between the glass plate and the absorber with the absorber assigned to it the ratio c of> 0.3 is reached. According to the invention, there is a receiver that reduces another one as a blackbody radiation arrangement Convection trained secondary absorber in an in front of the absorber Absorpti onsraum, which is arranged and designed such that it can be heated by the infrared radiation of the absorber.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Recei vers in der Art desjenigen von Figur 2. Die Sonnenstrahlen 4 fallen durch ein Fenster aus bei spielsweise Quarzglas 3 auf den Absorber 27, dessen strahlende Oberfläche 27' das im Absorp tionsraum 26 durchströmende Gas erhitzt, wobei dessen Temperatur vom Fenster 3 bis zum Absorber 27 hin zunimmt. Entsprechend kann das Gas über Öffnungen 91 bis 91"' in der zy lindrischen Wand des Receivers 90 bei vorbestimmten, verschiedenen und unter der Betriebs temperatur des Wärme transportierenden Fluids liegenden Temperaturen entnommen wer den, wobei jedoch der Flauptstrom des Wärme transportierenden Fluids nach wie vor erst im Bereich des Absorbers dem Absorptionsraum 26 bei Betriebstemperatur entnommen wird. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Wärme transportierenden Gases an, wobei die Pfeile bei den Öffnungen 91 bis 91'" den ansteigenden Temperatur entsprechend länger eingezeich net sind. Alternativ - oder zusammen mit den Öffnungen 91 bis 91'" kann eine in den Absorp tionsraum 26 hineinragende Leitung 93 für das Gas vorgesehen werden, welche dann über Öffnungen 92 bis 92'" Gas bei den am Ort der Öffnungen 92 bis 92'" herrschenden Tempera turen einspeist. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn durch den Receiver 90 ein nachge schalteter, auf verschiedenen Temperaturstufen ablaufender Prozess mit Wärme versorgt wird. Von diesem Prozess kann dann Wärme transportierendes Gas auf ebenfalls verschiede nen Temperaturen zurück zum Receiver geführt werden, so dass weiter bevorzugt im Bereich der Öffnungen 91 bis 91'" und 92 bis 92'" weitere Zuleitungen für das Wärme transportierende Gas in den Absorptionsraum 26 des Receivers 90 hinein vorgesehen werden (die hier zur Ent lastung der Figur weggelassen sind). Fig. 6 shows schematically a cross section through a further embodiment of a receiver in the manner of that of Figure 2. The sun rays 4 fall through a window, for example quartz glass 3 on the absorber 27, the radiant surface 27 'flowing through in the absorption chamber 26 Gas heats, the temperature of which increases from window 3 to absorber 27. Accordingly, the gas can be removed via openings 91 to 91 "'' in the cylindrical wall of the receiver 90 at predetermined, different temperatures below the operating temperature of the heat-transporting fluid, but the main flow of the heat-transporting fluid is still the same in the region of the absorber is taken from the absorption space 26 at operating temperature, the arrows indicate the direction of flow of the heat-transporting gas, the arrows at openings 91 to 91 '"being drawn in correspondingly longer as the temperature rises. Alternatively - or together with the openings 91 to 91 '", a line 93 protruding into the absorption space 26 can be provided for the gas, which then has openings 92 to 92'" in the gas at the location of the openings 92 to 92 '" This is particularly advantageous if a downstream process at different temperature levels is supplied with heat by the receiver 90. From this process, heat-transporting gas can also be returned to the receiver at different temperatures that further preferably in the area of the openings 91 to 91 '"and 92 to 92'" further supply lines for the heat-transporting gas are provided in the absorption space 26 of the receiver 90 (which are omitted here to relieve the figure).
Es ergibt sich ein Receiver, bei welchem die Transportanordnung eine oder mehrere mit einem Absorberraum 26 verbundene Leitungen 91 bis 91'" und 92 bis 92'" für Wärme transportieren des Gas aufweist, die derart angeordnet sind, dass dem Absorberraum 26 teilerwärmtes Gas entnommen und/oder teilerwärmtes Gas an einem Ort zugeführt werden kann, an welchem im Wesentlichen die Temperatur des Gases im Absorberraum 26 der Temperatur des teiler wärmten, zugeführten Gases entspricht. Solche Zu- und Ableitungen für teilerwärmtes Gas können an einem erfindungsgemässen, ab- sorptiven Receiver vorgesehen werden, ohne dass sein Layout, insbesondere der Absorber 27 modifiziert werden muss - ebenso können diese Leitungen benutzt oder stillgelegt werden, ohne dass es auf Grund des unterschiedlichen Wärmetransfers einer konstruktiven Modifika tion bedarf. The result is a receiver in which the transport arrangement has one or more lines 91 to 91 '"and 92 to 92'" connected to an absorber space 26 for heat transport of the gas, which are arranged such that gas which has been partially heated is removed from the absorber space 26 / or partially heated gas can be supplied at a location at which the temperature of the gas in the absorber space 26 essentially corresponds to the temperature of the partially heated, supplied gas. Such supply and discharge lines for partially heated gas can be provided on an absorptive receiver according to the invention without having to modify its layout, in particular the absorber 27 - these lines can also be used or shut down without it due to the different heat transfer a constructive modification is required.
Die Anmelderin hat gefunden, dass ein Temperaturverhältnis c > 0,5 besonders vorteilhaft ist, wenn teilerwärmtes Gas verwendet wird, beispielsweise dann, wenn bei einer Eingangstem peratur Tm von 1000 K und einer Ausgangstemperatur Tout von 1800 K das Teilerwärmte Gas im Bereich von 1400 K, also bei der halben Temperaturdifferenz, liegt: die Temperaturschicht T = 1400 K liegt im Absorberraum 26 noch im rein absorptiven Bereich und ist entsprechend einfach erreichbar, in der Figur 5 durch die Öffnungen 91 bis 91" bzw. 92 bis 92". The applicant has found that a temperature ratio c> 0.5 is particularly advantageous when partially heated gas is used, for example when the partially heated gas is in the range of at an inlet temperature T m of 1000 K and an outlet temperature T out of 1800 K. 1400 K, that is to say half the temperature difference, is: the temperature layer T = 1400 K in the absorber chamber 26 is still in the purely absorptive range and is accordingly easily accessible, in FIG. 5 through the openings 91 to 91 "or 92 to 92".
Die Figuren 7a und 7b sowie 8a und 8b zeigen verschiedene Betriebsparameter in einem Re ceiver nach Figur 2 gemäss einer mathematischen Modellierung des Receivers 25 von Figur 2 der Anmelderin. Das System ist mit der heute genausten Methode modelliert worden, nämlich "Spectral line-by-line (LBL) photon Monte Carlo raytracing", wobei die Absorptionskoeffizien ten von der HITEMP 2010 Spectroscopic Database stammen. Modelliert ist ein Receiver, des sen Absorptionsraum einen Durchmesser von 15,96 m und eine Flöhe von 15,96 aufweist und die Öffnung 3 einen Durchmesser von 11,28 m aufweist. Daraus ergibt sich eine Fläche der absorbierenden Oberfläche 27' von 200 m2 und eine Fläche der Öffnung 3 von 100 m2. Als Wärme transportierendes Medium wurde Wasserdampf angenommen, bei einem Druck von 1 bar, ohne Fenster in der Öffnung 3. Der Strahlungsfluss an der Öffnung 3 beträgt 200 kW/m2 und an der absorbierenden Oberfläche 27' 600 kW/m2 (welche gegenüber der Öffnung 3 die doppelte Fläche aufweist). Die absorbierende Oberfläche 27' wurde als strahlender schwarzer Körper, und, im Gegensatz zu Figur 2, mit durchgehender ebener und glatter Ober fläche angenommen, so dass das Wärme transportierende Medium in der Art gemäss Figur 5 durch Öffnungen 91'" auf der Höhe des Absorbers 27 seitlich aus dem Absorberraum 26 weg geführt wird. FIGS. 7a and 7b and 8a and 8b show various operating parameters in a receiver according to FIG. 2 according to a mathematical modeling of the receiver 25 from FIG. 2 by the applicant. The system has been modeled using the most precise method available today, namely "spectral line-by-line (LBL) photon Monte Carlo ray tracing", the absorption coefficients coming from the HITEMP 2010 Spectroscopic Database. A receiver is modeled, whose absorption space has a diameter of 15.96 m and a flea of 15.96 and the opening 3 has a diameter of 11.28 m. This results in an area of the absorbent surface 27 'of 200 m 2 and an area of the opening 3 of 100 m2. Water vapor was assumed to be the heat-transporting medium, at a pressure of 1 bar, without a window in the opening 3. The radiation flow at the opening 3 is 200 kW / m 2 and at the absorbing surface is 27,600 kW / m 2 (which is opposite the Opening 3 has twice the area). The absorbent surface 27 'was assumed to be a radiant black body and, in contrast to FIG. 2, with a continuous, flat and smooth surface, so that the heat-transporting medium in the manner shown in FIG. 5 through openings 91'"at the level of the absorber 27 is guided laterally out of the absorber space 26.
Die Figuren 7a und 7b zeigen anhand der Diagramme 60 und 65 den Temperaturverlauf im Betrieb des Receivers 20 (Figur 2) entlang seiner Längsachse, ausgehend von der Öffnung 3: auf der vertikalen Achse ist die Temperatur in Kelvin abgetragen, auf der horizontalen Achse die Distanz von der Öffnung 3. Das Diagramm 60, Figur 6a, zeigt einen Prozess mit einer Ein gangstemperatur Tm von l'OOO K und einer Ausgangstemperatur Tout von 400 K. Das Dia gramm 65, Figur 6b, zeigt einen Prozess ebenfalls mit einer Eingangstemperatur T von l'OOO K, jedoch einer Ausgangstemperatur Tout von 800 K. FIGS. 7a and 7b show, using diagrams 60 and 65, the temperature profile during operation of the receiver 20 (FIG. 2) along its longitudinal axis, starting from the opening 3: the temperature in Kelvin is plotted on the vertical axis and on the horizontal axis the distance from the opening 3. Diagram 60, FIG. 6a, shows a process with an inlet temperature T m of 100,000 K and an outlet temperature T out of 400 K. Diagram 65, FIG. 6b, also shows a process an inlet temperature T of 1,000 K, but an outlet temperature T out of 800 K.
Wegen der sich im Betrieb erhitzenden Wänden ergibt sich eine Temperaturverteilung im Wärme transportierenden Medium (hier Wasserdampf) mit erhöhter Temperatur am Rand des Absorberraums 26, so dass an einem bestimmten Querschnitt im Absorberraum 26 am Rand (an der Wand) (Temperaturkurven 61 bzw. 66) die höchsten und in der Mitte, am Ort der Achse des zylindrischen Absorberraums 26, die tiefsten Temperaturen (Temperaturkurve 62 bzw. 67) vorliegen. Die Temperaturkurven 63 bzw. 68 zeigen die durchschnittliche Temperatur des Wasserdampfs im jeweiligen Querschnitt des Absorberraums 26. Because of the walls that heat up during operation, there is a temperature distribution in the heat-transporting medium (here water vapor) with an increased temperature at the edge of the absorber space 26, so that at a certain cross section in the absorber space 26 at the edge (on the wall) (temperature curves 61 and 66, respectively) ) the highest and in the middle, at the location of the axis of the cylindrical absorber chamber 26, the lowest temperatures (temperature curve 62 or 67) are present. The temperature curves 63 and 68 show the average temperature of the water vapor in the respective cross section of the absorber space 26.
Die Figuren 7a und 7b zeigen, nebst einem Proof-of-Concept für einen absorptiven Receiver gemäss den Figuren 2 und 3, die mögliche Ausführung eines solchen Receivers gemäss der Figur 6. FIGS. 7a and 7b show, along with a proof-of-concept for an absorptive receiver according to FIGS. 2 and 3, the possible design of such a receiver according to FIG. 6.
Figur 8a zeigt ein Diagramm 70 für den Wirkungsgrad des Receivers 20 (Figur 2). Auf der hori zontalen Achse ist die Ausgangstemperatur Tout abgetragen, wobei eine konstante Eingangs temperatur Tin von l'OOO K angenommen ist. Die Kurve 71 zeigt den Wirkungsgrad des Recei vers 20 in Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur Tout . Die Reduktion des Wirkungsgrads gegen höhere Temperaturen Tout hin erklärt sich durch die durch die höheren Temperaturen bedingte erhöhte (Verlust)Rückstrahlung aus der Öffnung 3 hinaus - trotz der konstanten Ein gangstemperatur Tin von l'OOO K, da ein Anteil der Rückstrahlung aus dem Inneren des Absor berraums (mit erhöhten Temperaturen) stammt. Das Konzept des absorptiven Receivers weist demgemäss einen den konventionellen, konvektiven Receivern ebenbürtigen oder mit stei gender Ausgangstemperatur Tout sogar verbesserten Wirkungsgrad auf. FIG. 8a shows a diagram 70 for the efficiency of the receiver 20 (FIG. 2). The output temperature T out is plotted on the horizontal axis, a constant input temperature T in of 100,000 K being assumed. Curve 71 shows the efficiency of receiver 20 as a function of the initial temperature T out . The reduction in efficiency against higher temperatures T out can be explained by the increased (loss) retroreflection from opening 3 due to the higher temperatures - despite the constant input temperature Ti n of 100,000 K, since part of the retroreflection from the Inside the absorber room (with elevated temperatures). The concept of the absorptive receiver accordingly has an efficiency level that is equal to that of conventional convective receivers or even better with an increasing output temperature Tout.
Figur 8b zeigt ein Diagramm 75 für die Temperatur der absorbierenden Oberfläche 27' in Ab hängigkeit von der Ausgangstemperatur Tout . Wiederum liegt eine Temperaturverteilung vor mit randseitig höheren Temperaturen und einer am Ort der Achse des zylindrischen Absorber raums 26 minimalen Temperatur: Die Kurve 76 zeigt die Temperatur am Rand der absorbie renden Oberfläche 27' und die Kurve 77 die Temperatur in deren Mitte. Die Kurve 78 zeigt deren durchschnittliche Temperatur. Die mit höherem Tout kleiner werdende Temperaturdiffe renz zur absorbierenden Oberfläche 27' erklärt sich damit, dass die Energieabstrahlung des schwarzen Körpers mit der vierten Potenz seiner Temperatur steigt - mit einer relativ kleinen Temperaturerhöhung (hier um 300 K) wird das Wärme transportierende Medium massiv höher erhitzt (hier um 1000 K). Das Konzept des absorptiven Receivers besitzt deshalb erhebliche Flexibilität im Hinblick auf die vorgesehene Temperatur Tout: ein für hohe Temperaturen geeig neter Absorber kann gleichermassen für verschiedene Temperaturen Tout verwendet werden, was bei den konvektiven Absorbern des Stands der Technik nicht der Fall ist und das Konzept des apsorptiven low-cost-high-temperature Receivers unterstützt. FIG. 8b shows a diagram 75 for the temperature of the absorbent surface 27 'as a function of the starting temperature T out . Again there is a temperature distribution with higher temperatures at the edge and a minimum temperature at the location of the axis of the cylindrical absorber space 26: curve 76 shows the temperature at the edge of the absorbing surface 27 'and curve 77 the temperature in the middle thereof. Curve 78 shows their average temperature. The temperature difference to the absorbing surface 27 ′, which becomes smaller with a higher T out, can be explained by the fact that the energy radiation of the black body increases with the fourth power of its temperature - with a relatively small temperature increase (here by 300 K), the heat-transporting medium becomes massively higher heated (here around 1000 K). The concept of the absorptive receiver therefore has considerable flexibility with regard to the intended temperature T out : an absorber suitable for high temperatures can equally be used for different temperatures T out , which is not the case with the convective absorbers of the prior art and that Concept of apsorptive low-cost-high-temperature receiver supported.
Die in den Figuren 8a, b und 8a, b gezeigten Verhältnisse gelten nach der verwendeten Model lierung auch für einen Receiver 20 (Figur 2) mit kleineren Abmessungen, aber erhöhtem Druck im Wärme transportierenden Medium. The ratios shown in FIGS. 8a, b and 8a, b also apply, according to the modeling used, to a receiver 20 (FIG. 2) with smaller dimensions but increased pressure in the heat-transporting medium.
Figur 8c zeigt ein Diagramm 80 für den Wirkungsgrad des Receivers 20 (Figur 2), jedoch mit einem Fenster in der Öffnung 3 und für verschiedene Abmessungen. Ersichtlich ist der Wir kungsgrad für die grossen Abmessungen des Receivers 20 gemäss der Beschreibung zu den Figuren 6a, b und 7a, b, s. die Kurve 82. Weiter ersichtlich ist der Wirkungsgrad für kleine Ab messungen (Durchmesser und Höhe des Absorberraums 26 = 1,596 m, Durchmesser des Fens ters in der Öffnung 3 = 1,128, entsprechend 1 m2), mit einem Druck im Wärme transportieren den Gas von 10 bar, s. die Kurve 81. Der gegenüber Figur 7a etwas kleinere Wirkungsgrad er klärt sich durch den auf Grund des Fensters verminderten Fluss auf der absorbierenden Ober fläche von 554,4 kW/ m2 statt 600 kW/ m2. FIG. 8 c shows a diagram 80 for the efficiency of the receiver 20 (FIG. 2), but with a window in the opening 3 and for different dimensions. The degree of efficiency for the large dimensions of the receiver 20 can be seen in accordance with the description of FIGS. 6a, b and 7a, b, s. curve 82. The efficiency can also be seen for small dimensions (diameter and height of the absorber chamber 26 = 1.596 m, diameter of the window in the opening 3 = 1.128, corresponding to 1 m 2 ), with a pressure in the heat transporting the gas from 10 bar, see curve 81. The somewhat lower efficiency compared to FIG. 7a is explained by the reduced flow due to the window on the absorbent surface of 554.4 kW / m 2 instead of 600 kW / m 2 .
Die Diagramme gemäss den Figuren 8a bis c gelten auch für einen Receiver gemäss Figur 3. The diagrams according to FIGS. 8a to c also apply to a receiver according to FIG. 3.
In Figur 3 ist der Receiver 100 mit einer Achse 103 dargestellt, der vertikal angeordnet ist, wobei dann die Strahlung eines Heliostatenfelds über im Solarturm angeordnete Spiegel ver tikal nach unten auf den sich in Bodennähe befindenden Receiver 100 gelenkt wird, solch eine Anordnung ist dem Fachmann als "beam-down" bekannt. (Umgekehrt kann die Strahlung des Heliostatenfelds auch über Spiegel oder durch die Heliostaten selbst vertikal nach oben ge lenkt werden, wobei dann der Receiver 100 sich oben auf dem Solarturm befindet.) Das Wärme transportierende Medium wird nun, wie oben erwähnt, im Gegensatz zur Ausfüh rungsform gemäss Figur 2 nicht durch Stutzen bzw. Öffnungen 30 in der Ebene der Öffnung (bzw. eines Fensters) 3 für die Strahlung 4 der Sonne dem Absorberraum 28 zugeführt, sondern in Richtung der einfallenden Strahlung 4 hinter der Öffnung 3 für diese Strahlung. Dadurch wird erreicht, dass die entsprechenden Zufuhrleitungen 102 für Wärme transportierendes Me dium von der Öffnung 3 weiter weg angeordnet und zugleich einfach geschützt werden kön nen. Die nahe bei der Öffnung 3 gelegenen Stutzen bzw. Zufuhrstellen 30 für Wärme transpor tierendes Medium gemäss Figur 2 sind nachteilig insbesondere im Fall einer nicht einwand freien Ausrichtung der Fleliostaten gefährdet und müssen aufwendig für einen sehr hohen Energieeintrag hochtemperatursicher ausgebildet werden, was der Einfachheit des erfin- dungsgemässen Receivers betreffend dem konstruktiven Aufwand entgegenläuft. In Figure 3, the receiver 100 is shown with an axis 103, which is arranged vertically, in which case the radiation from a heliostat field is directed vertically downwards onto the receiver 100 located near the ground via mirrors arranged in the solar tower, such an arrangement is known to the person skilled in the art known as "beam down". (Conversely, the radiation from the heliostat field can also be directed vertically upwards via mirrors or by the heliostats themselves, in which case the receiver 100 is located on the top of the solar tower.) The heat-transporting medium is now, as mentioned above, in contrast to the embodiment tion form according to Figure 2 not through nozzles or openings 30 in the plane of the opening (or a window) 3 for the radiation 4 from the sun to the absorber chamber 28, but in the direction of the incident radiation 4 behind the opening 3 for this radiation. It is thereby achieved that the corresponding supply lines 102 for heat-transporting medium can be arranged further away from the opening 3 and at the same time can be easily protected. The nozzles or feed points 30 for heat-transporting medium according to FIG. 2 located near the opening 3 are disadvantageously endangered, in particular in the case of incorrect alignment of the fleliostats, and must be designed to be highly temperature-safe for a very high energy input, which is the simplicity of the invention - Contrary to the receivers according to the design effort.
Weiter ist des insbesondere in einem vertikal nach unten ausgerichteten Receiver 100 so, dass sich die Strömung des durch den Absorberraum 28 transportierten Fluids recht gleichmässig ausbildet und sich damit eine deutliche Temperaturschichtung über die Flöhe des Absorber raums 28 ergibt. Im Fall einer "beam-down" Anordnung kann es im konkreten Fall nützlich sein, neben einer genügend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Wärme transportierenden Fluids gegen den Absorber hin auch einen Drall im Fluid gemäss den Figuren 9 bis 12 vorzusehen Furthermore, in particular in a vertically downwardly oriented receiver 100, the flow of the fluid transported through the absorber chamber 28 is formed quite uniformly and thus a clear temperature stratification results over the fleas of the absorber chamber 28. In the case of a "beam-down" arrangement, it can be useful in the specific case to provide a swirl in the fluid according to FIGS. 9 to 12 in addition to a sufficiently high flow rate of the heat-transporting fluid against the absorber
Wie oben erwähnt, werden in einem Solarturmkraftwerk beispielsweise auch Bauformen ein gesetzt, bei denen der Receiver oben am Turm angeordnet und schräg nach unten ausgerichtet ist, um die Strahlung des Fleliostatenfelds direkt aufzunehmen. Durch die schräge Ausrichtung ergeben sich entsprechend schräg angeordnete Temperaturschichten, welche eine Konvekti onsströmung im Wärme transportierenden Fluid erzeugen können, die die Temperaturschich tung und damit auch die gewünschte gleichmässige Temperatur im Bereich des Absorbers 27 stört. As mentioned above, designs are also used in a solar tower power plant, for example, in which the receiver is arranged at the top of the tower and is oriented obliquely downward in order to directly absorb the radiation from the fleliostat field. The oblique orientation results in corresponding obliquely arranged temperature layers, which can produce a convection flow in the heat-transporting fluid, which disrupts the temperature layer and thus also the desired uniform temperature in the region of the absorber 27.
Erfindungsgemäss wird deshalb gemäss der Ausführungsform nach Figur 9 vorgesehen, das Wärme transportierende Fluid tangential zu seiner im Absorberraum 28 gegebenen Transport richtung zuzuführen, so dass das im Erwärmungsbereich bzw. im Absorberraum 28 in Trans portrichtung gegen den Absorber 27 geführte Gas zusätzlich um eine zur Transportrichtung parallele Achse 103 rotiert. According to the invention, it is therefore provided according to the embodiment according to FIG. 9 to supply the heat-transporting fluid tangentially to its transport direction given in the absorber chamber 28, so that the gas conducted in the heating region or in the absorber chamber 28 in the transport direction against the absorber 27 additionally by one to the transport direction parallel axis 103 rotates.
Figur 9 zeigt schematisch eine Ansicht auf einen schräg angeordneten Reciever 110 auf die Seite seiner Öffnung 3 für die Strahlung der Sonne, wobei tangential zur Achse 103 angeord nete Zufuhrleitungen 104 für das Wärme transportierende Medium ersichtlich sind, welche eine Rotation des Mediums bzw. einen Drall im gegen den Absorber 27 strömenden Medium erzeugen. Der Absorber 27 ist durch die Öffnung bzw. das Quarzfenster 3 in der Figur ersicht lich, wobei zur Entlastung der Figur der Strömungsweg des Mediums durch den Absorber (oder an ihm vorbei) nicht eingezeichnet ist, sondern nur gestrichelt ein Auslassstutzen 106, aus wel chem das Medium den Receiver 110 verlässt. Der Auslassstutzen ist bevorzugt etwas exzent risch nach oben versetzt angeordnet, was in Kombination mit dem Drall des strömenden Me diums eine stabile Temperatur im Wärme transportierenden Medium am Ort des Auslassstut zens 106 ergibt. Figure 9 shows schematically a view of an obliquely arranged receiver 110 on the side of its opening 3 for the radiation of the sun, tangential to the axis 103 arranged supply lines 104 for the heat-transporting medium can be seen, which generate a rotation of the medium or a swirl in the medium flowing against the absorber 27. The absorber 27 can be seen through the opening or the quartz window 3 in the figure, with the flow path of the medium through the absorber (or past it) not being drawn in, in order to relieve the figure, but only in broken lines an outlet connection 106, from which chem the medium leaves the receiver 110. The outlet nozzle is preferably arranged slightly eccentrically upwards, which in combination with the swirl of the flowing medium results in a stable temperature in the heat-transporting medium at the location of the outlet nozzle 106.
Im Ergebnis ist die Transportanordnung bevorzugt derart ausgebildet, dass im Betrieb das Wärme transportierende Medium während der in Transportrichtung erfolgenden Durchque rung des Absorberraums wenigstens teilweise einen Drall um eine zur Transportrichtung pa rallele Achse 127 des Absorberraums aufweist, wobei die Transportanordnung bevorzugt am Absorberraum vorgesehene Einlassöffnungen für das Medium aufweist, die gegenüber der Achse des Absorberraums in gleicher Drallrichtung tangential ausgerichtet sind. As a result, the transport arrangement is preferably designed such that, during operation, the heat-transporting medium at least partially has a swirl around an axis 127 of the absorber space parallel to the transport direction during the passage through the absorber space, the transport arrangement preferably providing inlet openings for the absorber space the medium has, which are aligned tangentially with respect to the axis of the absorber chamber in the same direction of swirl.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Rotation der Strömung bzw. der Drall auch durch Leitbleche im Absorberraum 28 erzeugt werden kann, was dank der definierten Temperatur schichtung bevorzugt in dessen kaltem Bereich realisiert wird und damit den Aufwand für den erfindungsgemässen Receiver nur unwesentlich erhöht. It should be noted at this point that the rotation of the flow or the swirl can also be generated by baffles in the absorber space 28, which is preferably achieved in its cold area thanks to the defined temperature stratification and thus only insignificantly increases the effort for the receiver according to the invention .
Die Figuren 10 bis 12 zeigen Details eines Receivers 120, der für hohe Effizienz auch bei schrä ger oder horizontaler Positionierung ausgebildet ist. Figur 10 zeigt eine Ansicht von aussen auf den Receiver 120, die Figuren 11a und b einen Querschnitt durch diesen, und Figur 12 die ge schichtete Temperaturverteilung in seinem Absorptionsraum 28 gemäss einer Simulation der Anmelderin. Zur Entlastung der Figuren ist wiederum die Isolation des Receivers 120 sowie dessen tragende, äussere Struktur, die der Fachmann im konkreten Fall leicht konzipieren kann, weggelassen. Figures 10 to 12 show details of a receiver 120, which is designed for high efficiency even with oblique or horizontal positioning. FIG. 10 shows a view from the outside of the receiver 120, FIGS. 11a and b show a cross section through it, and FIG. 12 shows the stratified temperature distribution in its absorption space 28 according to a simulation by the applicant. To relieve the figures, the isolation of the receiver 120 and its supporting outer structure, which the person skilled in the art can easily design in the specific case, are again omitted.
Figur 10 zeigt den Receiver 120, mit seinem Absorptionsraum 28, dem Sammelraum 33 und dem Auslassstutzen 121 (s. dazu auch die Darstellung von Figur 2). Weiter ersichtlich ist eine Zufuhranordnung 122 für kaltes (Tin) Wärme transportierendes Fluid, die ein Bestandteil der Transportanordnung 29 (Figur 2) ist. Die Zufuhranordnung 122 weist einen Ringraum 123 auf, in den Zufuhrleitungen 124 für Wärme transportierendes Fluid münden, s. die Pfeile 125, wo bei über den Ringraum 123 in den Receiver 120 eingeströmtes Fluid den Absorberraum 28 in einer zur Achse 127 parallelen Flauptstromrichtung durchquert, sich dabei erwärmt und schliesslich via Sammelraum 33 und Auslassstutzen 121 den Receiver 120 mit der Temperatur Tout wieder verlässt (Pfeile 126). Sonnenstrahlen 4 gelangen durch eine in der Figur vom Ring raum 123 verdeckte Öffnung bzw. durch ein Fenster 3 in den Absorptionsraum 28 bis hin zur Innenseite des Sammelraums 33, dessen Innenwand bei der dargestellten Ausführungsform als Absorber für die Sonnenstrahlung ausgebildet ist. Wie in der Beschreibung zu Figur 9 er wähnt, ist weiter bei der gezeigten Ausführungsform der Auslassstutzen 121 nach oben ver setzt angeordnet. FIG. 10 shows the receiver 120 with its absorption space 28, the collecting space 33 and the outlet connection 121 (see also the illustration in FIG. 2). A supply arrangement 122 for cold (T in ) heat-transporting fluid, which is a component of the transport arrangement 29 (FIG. 2), can also be seen. The feed arrangement 122 has an annular space 123, open into the supply lines 124 for heat-transporting fluid, see. the arrows 125, where, with the fluid flowing into the receiver 120 via the annular space 123, crosses the absorber space 28 in a main flow direction parallel to the axis 127, it heats up and finally leaves the receiver 120 again at the temperature T out via the collecting space 33 and outlet connection 121 ( Arrows 126). Sun rays 4 pass through an opening in the figure from the annular space 123 or through a window 3 into the absorption space 28 up to the inside of the collecting space 33, the inner wall of which in the illustrated embodiment is designed as an absorber for the solar radiation. As he mentions in the description of FIG. 9, in the embodiment shown the outlet connection 121 is arranged upwards.
Figur 11a zeigt den Ringraum 123 im Schnitt, wobei die Schnittebene wiederum durch eine längs durch den Absorptionsraum 28 verlaufende Achse 127 sowie die Zufuhrleitungen 124 geht (s. auch Figur 10). Dabei ist der Ringraum 123 massstäblich dargestellt, ebenso der an schliessende Bereich des Absorptionsraums 28 sowie die Lage der Öffnung 3 bzw. eines Fens ter 3 für die Strahlung der Sonne. Wie oben erwähnt sind jedoch die Isolation und die tragende Struktur weggelassen, hier insbesondere diejenige für das Fenster 3 und den Ringraum 123. Weiter gezeigt sind die stromaufwärts bzw. einlassseitig angeordneten Zufuhrleitungen 124 für das Wärme transportierende Fluid. Stromabwärts bzw. auslassseitig teilt sich der Ringraum 123 in einen äusseren Ringkanal 132 mit einem ringförmigen Auslassschlitz 130 und einen in neren Ringkanal 133 mit einem ringförmigen Auslassschlitz 131. Der äussere Kanal 132 verläuft koaxial zur Achse 127 des Absorptionsraums 28 und benachbart zu dessen Wand 138, der in nere Kanal 133 besitzt eine kegelstumpfartige Konfiguration und ist schräg gegen das Innere des Absorptionsraums 28 gerichtet. Dadurch bilden sich im Bereich der Wand 138 Zonen mit verminderter Strömung gegen den Absorber hin nur reduziert bzw. in einem nicht mehr rele vanten Ausmass aus, wobei trotz der etwas heisseren Wände (s. die Diagramme der Figuren 7 und 8) schliesslich vor dem Absorber über den Querschnitt des Absorptionsraums 28 eine ho mogene Temperaturschicht resultiert (s. dazu auch Fig. 12). Besonders bevorzugt verläuft des halb eine Strömungskomponente aus dem äusseren Kanal 132 parallel zur Wand 138, bevor zugt ist deren Winkel zur Wand 130 kleiner oder gleich 5 Grad. Eine positiver Effekt lässt sich immer noch bei einem Winkel kleiner gleicht 10 Grad bzw. 15 Grad erreichen. Die Ringkanäle 132,133 sind mit Leitblechen 134,135 versehen (s. Figur 11b), so dass in den Auslassschlitzen 130,131 Öffnungen für das Wärme transportierende Medium gebildet wer den und diesem zusätzlich eine zur Achse 127 tangentiale Strömungskomponente verleihen. Damit tritt es in einer gerichteten Strömung in den Absorptionsraum 28 ein und weist neben der zur Achse 127 parallelen Hauptstromrichtung eine zur Achse 127 tangentiale (Drall)Strö- mungsrichtung auf. Dadurch entstehen die in der Figur beispielhaft eingezeichneten, spiralför migen Strömungslinien 136 und 137. Im Ergebnis kann eine Störung der Temperaturschichtung im Receiver 120 durch beispielsweise temperaturbedingte Konvektionsströme insbesondere bei schräger oder horizontaler Ausrichtung unterdrückt werden. FIG. 11a shows the annular space 123 in section, the sectional plane again passing through an axis 127 running longitudinally through the absorption space 28 and the feed lines 124 (see also FIG. 10). The annular space 123 is shown to scale, as is the closing area of the absorption space 28 and the position of the opening 3 or a window 3 for the radiation from the sun. As mentioned above, however, the insulation and the supporting structure are omitted, here in particular that for the window 3 and the annular space 123. Also shown are the supply lines 124 for the heat-transporting fluid arranged upstream or on the inlet side. Downstream or on the outlet side, the annular space 123 is divided into an outer annular channel 132 with an annular outlet slot 130 and an inner ring channel 133 with an annular outlet slot 131. The outer channel 132 runs coaxially to the axis 127 of the absorption space 28 and adjacent to its wall 138, the inner channel 133 has a frustoconical configuration and is directed obliquely towards the interior of the absorption space 28. As a result, 138 zones with reduced flow towards the absorber are formed in the area of the wall only in a reduced manner or to an extent that is no longer relevant, although in spite of the somewhat hotter walls (see the diagrams in FIGS. 7 and 8), finally in front of the absorber A homogeneous temperature layer results over the cross section of the absorption space 28 (see also FIG. 12). For this reason, a flow component from the outer channel 132 runs particularly preferably parallel to the wall 138, before the angle of which to the wall 130 is less than or equal to 5 degrees. A positive effect can still be achieved at an angle less than or equal to 10 degrees or 15 degrees. The ring channels 132, 133 are provided with baffles 134, 135 (see FIG. 11b), so that openings for the heat-transporting medium are formed in the outlet slots 130, 131 and additionally impart a flow component tangential to the axis 127. It therefore enters the absorption space 28 in a directional flow and, in addition to the main flow direction parallel to the axis 127, has a (twist) flow direction tangential to the axis 127. This results in the spiral-shaped flow lines 136 and 137 shown as an example in the figure. As a result, a disturbance in the temperature stratification in the receiver 120 by, for example, temperature-related convection currents can be suppressed, in particular with an oblique or horizontal orientation.
Figur 11b zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus Figur 11a zur Verdeutlichung der Verhält nisse. Ersichtlich sind insbesondere die Leitbleche 134' bis 134"' sowie die Komponenten der gerichteten Strömung 136, nämlich diejenige in Richtung der Hauptströmung 141 und die tan gentiale Komponente 142. Figure 11b shows an enlarged section of Figure 11a to clarify the conditions. In particular, the baffles 134 'to 134 "' and the components of the directional flow 136, namely those in the direction of the main flow 141 and the tan potential component 142, can be seen.
Es ergibt sich ein Receiver, bei welchem die Transportanordnung in den Absorberraum füh rende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die benachbart zu einer Wand 138 des Absorptionsraums 28 angeordnet sind und die in Hauptstromrichtung eine Strö mungskomponente des in den Absorptionsraum 28 einströmenden Fluids mit einer Neigung gegenüber der Wand 138 von weniger als 15 Grad bevorzugt gleich oder weniger als 5 Grad erzeugt. Nach den Erkenntnissen der Anmelderin sind solch kleine Winkel notwendig, um im Bereich der Wand 138 für die Effizienz des Absorbers relevante Zonen verminderter Strö mungsgeschwindigkeit gegen den Absorber hin zu vermeiden. The result is a receiver in which the transport arrangement has openings for the heat-transporting medium leading into the absorber space, which are arranged adjacent to a wall 138 of the absorption space 28 and which in the main flow direction contain a flow component of the fluid flowing into the absorption space 28 with a Inclination to wall 138 less than 15 degrees, preferably equal to or less than 5 degrees. According to the applicant's knowledge, such small angles are necessary in order to avoid, in the region of the wall 138, zones of reduced flow velocity toward the absorber which are relevant for the efficiency of the absorber.
Weiter ergibt sich ein Receiver, bei welchem die Transportanordnung in den Absorberraum führende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die eine zu einer Achse 127 des Absorptionsraums 28 tangentiale Strömungskomponente des in den Absorpti onsraum 28 einströmenden Fluids erzeugt. There is also a receiver in which the transport arrangement has openings for the heat-transporting medium which lead into the absorber space and which generates a flow component tangential to an axis 127 of the absorption space 28 of the fluid flowing into the absorption space 28.
Schliesslich ergibt sich ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers, bei welchem das infrarot absorbierende Gas in einem Absorptionsraum (28,53) des Erwärmungsbereichs (26) in eine Rotation versetzt wird, derart dass es im Absorptionsraum einen Drall um eine in Transport richtung bzw. der Hauptstromrichtung, verlaufende Achse (127) aufweist. Figur 12 zeigt die Temperaturverteilung gemäss einer CFD Simulation der Anmelderin im Ab sorptionsraum 28 des Receivers 120 mit den folgenden Randbedingungen: Finally, there is a method for operating a receiver, in which the infrared-absorbing gas is set into rotation in an absorption space (28, 53) of the heating region (26), such that there is a swirl in the absorption space by one in the transport direction or Main flow direction, extending axis (127). FIG. 12 shows the temperature distribution according to a CFD simulation by the applicant in the absorption space 28 of the receiver 120 with the following boundary conditions:
Durchmesser des Absorptionsraums 0,8 m, Druck im Absorptionsraum = 1 bar Diameter of the absorption space 0.8 m, pressure in the absorption space = 1 bar
Tin = 800 °K, Massenstrom des Wärme transportierenden Fluids = 0.045 kg/s T in = 800 ° K, mass flow of the heat-transporting fluid = 0.045 kg / s
Solare Strahlungsleistung durch die durchsichtige Öffnung 3 = 250 kW, Durchmesser der Öffnung: 0.6 m Solar radiation power through the transparent opening 3 = 250 kW, diameter of the opening: 0.6 m
Wärme transportierendes Fluid: Wasserdampf Heat-transporting fluid: water vapor
Spektrales Strahlungsverhalten von Wasserdampf modelliert mit weighted sum of gray gases (WSGG) Modell und Strahlung gelöst mit der discrete ordinates (DO) Methode Spectral radiation behavior of water vapor modeled with weighted sum of gray gases (WSGG) model and radiation solved with the discrete ordinates (DO) method
Schwarze Wände, ewaii = 1 Black walls, e waii = 1
Schwerkraft vertikal nach unten zeigend (horizontaler Receiver) Gravity pointing vertically downwards (horizontal receiver)
Winkel des in den Absorptionsraum einströmenden Fluids: 45 Grad Angle of the fluid flowing into the absorption space: 45 degrees
Der Winkel des einströmenden Fluids im Ringkanal 132 ist der Winkel zwischen der gerichteten Strömung 136 und der Richtung der Flauptströmung 141 von Figur 11b. Der Ringkanal 133 be sitzt, wie oben erwähnt, eine kegelstumpfartige Konfiguration, d.h. sein stromabwärts liegen des Ende ist kreisförmig. Der Winkel des aus ihm in den Absorptionsraum einströmenden Flu ids ist analog der Winkel seiner Strömungsrichtung zu einer Tangente an diesen Kreis. The angle of the inflowing fluid in the ring channel 132 is the angle between the directed flow 136 and the direction of the fluff flow 141 from FIG. 11b. The annular channel 133, as mentioned above, has a frustoconical configuration, i.e. its downstream end is circular. The angle of the fluid flowing into the absorption space from it is analogous to the angle of its direction of flow to a tangent to this circle.
Dabei ist für die Simulation eine im Bereich zwischen der optischen Öffnung 3 und den Wänden 138 des Absorptionsraums 28 vereinfachte Geometrie angenommen worden: der Zwischen raum zwischen den Auslassschlitzen 130 und 131 (Figuren 11a und b) ist durch einen kegel stumpfförmigen Wandbereich 150 ersetzt. A simplified geometry in the area between the optical opening 3 and the walls 138 of the absorption space 28 has been assumed for the simulation: the space between the outlet slots 130 and 131 (FIGS. 11a and b) has been replaced by a frustoconical wall area 150.
Die Simulation ergibt eine Auslasstemperatur Tout von 862 °K sowie die in der Figur darge stellte Temperaturschichtung, die durch die Temperaturkurven 140 bis 145 dargestellt ist. Der Temperaturkurve 140 entspricht die Temperatur 1420 °K, der Kurve 141 die Temperatur 1533 °K, der Kurve 142 1589 °K, der Kurve 143 1645 °K, der Kurve 144 1702 °K, und den Kurven 145 1870 °K. The simulation gives an outlet temperature T out of 862 ° K and the temperature stratification shown in the figure, which is represented by the temperature curves 140 to 145. The temperature curve 140 corresponds to the temperature 1420 ° K, the curve 141 the temperature 1533 ° K, the curve 142 1589 ° K, the curve 143 1645 ° K, the curve 144 1702 ° K, and the curves 145 1870 ° K.
Es zeigt sich, dass trotz der komplexen thermodynamischen Bedingungen unter anderem durch die heisse von der Strahlung des Absorbers 27 mit aufgeheizten Wand 138 und der kom- plexen strömungstechnischen Bedingungen unter anderem durch die von den Temperaturun terschieden und der Gravitation erzeugten Konvektionsströmung eine Temperaturschichtung vorliegt, bei welcher die Temperatur von der Öffnung 3 bis zum Auslassstutzen 121 ständig zunimmt, mit der Folge, dass die effizienzmindernde Rückstrahlung durch die Öffnung 3 mini miert werden kann. Es sei noch angemerkt, dass der Fachmann für den konkreten Fall die Rich tung der Einströmung bzw. den Drall oder die Rotation des Fluids im Absorptionsraum um eine durch diesen verlaufende Achse geeignet festsetzen kann, ebenso den Ort des Auslassstutzens (zentrisch gemäss Fig. 2 und 3 bis 6 oder versetzt gemäss den Figuren 9 und 10). Kann z. B. im Kontext mit den anderen Parametern (beispielsweise denjenigen der Simulation oben) ein op timaler Drall erzeugt werden, kann der Auslassstutzen auch bei horizontaler Ausrichtung zent risch angeordnet werden. Umgekehrt kann die Kombination eines vergleichsweise schwachen bzw. nicht optimalen Dralls mit einer versetzten Position des Auslassstutzens die gewünschte Temperaturschichtung erzeugen. It can be seen that, despite the complex thermodynamic conditions, inter alia due to the hot wall 138 heated by the radiation from the absorber 27 and the com- plex fluidic conditions, inter alia by the convection flow generated by the temperature differences and the gravitation, there is a temperature stratification in which the temperature from the opening 3 to the outlet port 121 increases continuously, with the result that the efficiency-reducing reflection through the opening 3 is minimized can. It should also be noted that, for the specific case, the person skilled in the art can appropriately determine the direction of the inflow or the swirl or the rotation of the fluid in the absorption space about an axis running through it, as well as the location of the outlet connection (centrally according to FIGS. 2 and 3 to 6 or offset according to Figures 9 and 10). Can z. B. in the context of the other parameters (for example those of the simulation above) an optimal swirl are generated, the outlet port can also be arranged centrally with a horizontal orientation. Conversely, the combination of a comparatively weak or non-optimal swirl with an offset position of the outlet connector can produce the desired temperature stratification.
Nach den Erkenntnissen der Anmelderin lassen sich deshalb die Abmessungen des Receivers 20 und aller erfindungsgemässen Ausführungsformen des absorptiven Receivers leicht skalie ren, wobei für einen vergleichbar grossen Wirkungsgrad bzw. vergleichbaren Temperaturver hältnissen bei einer Verkleinerung der Abmessungen der Druck im gleichen Verhältnis vergrös- sert werden muss, hier z.B. bei einer Verkleinerung um den Faktor 10 der Druck um den Faktor 10 wächst. Jedoch ist es so, dass mit höherem Druck im Wärme transportierenden Gas der Wirkungsgrad tendenziell leicht überproportional ansteigt. In Figur 7c sind die Verhältnisse für einen Druck von 10 bar dargestellt. Im konkreten Fall kann der Fachmann den Überdruck in einem Bereich zwischen 2 und 20 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar und ganz besonders bevorzugt, wie oben erwähnt, von 10 bar vorsehen. According to the knowledge of the applicant, the dimensions of the receiver 20 and all the embodiments of the absorptive receiver according to the invention can be easily scaled, the pressure having to be increased in the same ratio for a comparably high efficiency or comparable temperature ratio when the dimensions are reduced , here for example with a reduction by a factor of 10, the pressure increases by a factor of 10. However, the higher the pressure in the heat-transporting gas, the higher the efficiency tends to increase disproportionately. The conditions for a pressure of 10 bar are shown in FIG. 7c. In a specific case, the person skilled in the art can provide the excess pressure in a range between 2 and 20 bar, particularly preferably between 5 and 15 bar and very particularly preferably, as mentioned above, of 10 bar.
Bei den simulierten Ausführungsformen gemäss den Figuren 3 bis 10 liegt c in einem Bereich > 0,9, da die Konvektion an der ebenen und glatten absorbierenden Oberfläche sehr klein ist. Es sei angemerkt, dass Konvektion grundsätzlich den Absorber etwas kühlt, deshalb geeignet ist, die wirkungsgradvermindernden Verluste durch Rückstrahlung aus der Öffnung 3 hinaus zu senken, also den Wirkungsgrad des Receivers zu erhöhen. Allerdings führt erhöhte Konvek tion zu vermehrten Druckverlusten im strömenden Gas (was wiederum den Wirkungsgrad senkt), sowie zu erhöhtem Bauaufwand des Absorbers. Im konkreten Fall kann der Fachmann das optimale Verhältnis zwischen Absorption und Konvektion, d.h. einen bestimmten Wert für T3-T2 In the simulated embodiments according to FIGS. 3 to 10, c is in a range> 0.9, since the convection on the flat and smooth absorbing surface is very small. It should be noted that convection basically cools the absorber somewhat, and is therefore suitable for reducing the efficiency-reducing losses due to retroreflection from the opening 3, that is to say increasing the efficiency of the receiver. However, increased convection leads to increased pressure losses in the flowing gas (which in turn lowers the efficiency) and increases the construction costs of the absorber. In a specific case, the person skilled in the art can determine the optimal ratio between absorption and convection, ie a specific value for T 3 -T 2
(s. die Beschreibung zu Figur 4) in einem Bereich c > 0,3 festlegen. (see the description of FIG. 4) in a range c> 0.3.
-T2 -T 2
Nach den Erkenntnissen der Anmelderin führt, wie erwähnt, bereits ein Wert von c = 0,3 zu einer einfacheren Ausbildung des erfindungsgemässen Receivers, mit einem Wirkungsgrad, welcher demjenigen der bekannten, nach dem Prinzip der Konvektion ausgebildeten Receiver entspricht (oder höher liegt). According to the applicant's knowledge, as already mentioned, a value of c = 0.3 already leads to a simpler design of the receiver according to the invention, with an efficiency which corresponds to (or is higher than) that of the known receivers designed according to the convection principle.
Da für möglichst intensive Schwarzkörper-Strahlung in den Absorptionsraum hohe Tempera turen des Absorbers, aber auch der Seitenwände des Absorptionsraums vorteilhaft sind, ent fallen Kühlmittel aller Art, insbesondere Kühlkanäle, wie dies bei Receivern gemäss dem Stand der Technik vorgesehen ist - entweder Kühlkanäle in den Wänden, oder die Konvektion sicher stellende Kühlkanäle im Absorber. Es ergibt sich ein Receiver, bei welchem die Wände des Ab sorptionsraums und/oder des Absorbers frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanälen. Natürlich sind hier Kühlmittel für einen ausserordentlichen Betriebszustand des Receivers, wie Notkühlsysteme bei Fehlfunktionen, die der Natur der Sache nach nicht dem bestimmungsge- mässen Betrieb entsprechen, nicht eingeschlossen. Es ergibt sich deshalb ein Receiver, bei wel chem die Wände des Absorptionsraums und/oder des Absorbers frei sind von Kühlmitteln für für den bestimmungsgemässen Betrieb. Since high temperatures of the absorber as well as the side walls of the absorption space are advantageous for the most intense blackbody radiation in the absorption space, coolants of all kinds are eliminated, in particular cooling channels, as is provided for receivers according to the prior art - either cooling channels in the Walls, or cooling channels in the absorber that ensure convection. The result is a receiver in which the walls of the absorption space and / or the absorber are free of coolants, in particular cooling channels. Of course, coolants for an extraordinary operating state of the receiver, such as emergency cooling systems in the event of malfunctions that by their nature do not correspond to the intended operation, are not included here. This results in a receiver in which the walls of the absorption space and / or the absorber are free of coolants for the intended operation.
Bei einer weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist der Absorber gleich wie im Receiver 25 (Figur 2) gegenüber der optischen Öffnung 3 angeordnet und bildet einen Wandbereich des Absorptionsraums 28 (Figur 2). Im Unterschied zum Receiver 25 ist der Ab sorber jedoch nicht mit Durchströmöffnungen für das Wärme transportierende Medium ver sehen, sondern für dieses wenigstens teilweise gasdicht ausgebildet, so dass erwärmtes Gas auf der Flöhe des Absorbers radial aus dem Absorptionsraum ausströmt. Dadurch vereinfacht sich die Konstruktion des Absorbers noch einmal, das Verhältnis c kann auf einen höheren Wert als 0,3 gesteigert werden. In a further embodiment, not shown in the figures, the absorber is arranged in the same way as in the receiver 25 (FIG. 2) opposite the optical opening 3 and forms a wall area of the absorption space 28 (FIG. 2). In contrast to the receiver 25, however, the absorber is not seen with throughflow openings for the heat-transporting medium, but is at least partially gas-tight for this, so that heated gas on the fleas of the absorber flows radially out of the absorption space. This simplifies the construction of the absorber even further, the ratio c can be increased to a value higher than 0.3.
Der Fachmann kann durch Optimierung der Ausführungsform gemäss Figur 2, oder durch Kom bination dieser Ausführungsform mit weiteren beschriebenen Merkmalen (zusätzlicher Ab schnitt 54 des Absorbers 51 nach Figur 4, Glasplatte gemäss der in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform etc.) den Wert des Verhältnisses c von > 0,3 auf > 0,4 bzw. > 0,5 oder > 0,6 oder > 0,7 oder sogar auf > 0,8 steigern. Figur 13 zeigt die Schritte eines Verfahrens für den Betrieb eines bevorzugt räumlichen Recei vers gemäss der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 80 wird ein geeigneter Recei ver ausgewählt, beispielsweise mit einer Struktur gemäss Figur 2, der einen durch Sonnenlicht erwärmbaren Absorber aufweist, gegen den durch eine Transporteinrichtung gasförmiges, Wärme transportierendes Medium geführt wird, um es für den Wärmetransport durch den Absorber zu erwärmen. The person skilled in the art can, by optimizing the embodiment according to FIG. 2, or by combining this embodiment with further described features (additional section 54 of the absorber 51 according to FIG. 4, glass plate according to the embodiment not shown in the figures, etc.), the value of the ratio c Increase from> 0.3 to> 0.4 or> 0.5 or> 0.6 or> 0.7 or even to> 0.8. FIG. 13 shows the steps of a method for the operation of a preferably spatial receiver according to the present invention. In a first step 80, a suitable receiver is selected, for example with a structure according to FIG. 2, which has an absorber that can be heated by sunlight, against which gaseous, heat-transporting medium is guided by a transport device, in order to transport it through the absorber heat.
In einem zweiten Schritt 81 wird als Wärme transportierendes Gas ein im Infrarotbereich ab sorbierendes Gas ausgewählt, insbesondere ein heteropolares Gas oder eines der Gase CO2, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, SO2, S03, FICI, NO, und NO2 (oder auch ein Gemisch dieser Gase), um Schwarzkörperstrahlung des Absorbers durch Absorption des gegen den Absorber trans portierten Gases schon vor dem Absorber zu absorbieren und so das Wärme transportierende Medium zu erwärmen. In a second step 81, a gas that absorbs in the infrared range is selected as the heat-transporting gas, in particular a heteropolar gas or one of the gases CO2, water vapor, CH4, NH3, CO, SO2, S03, FICI, NO, and NO2 (or also a Mixture of these gases) in order to absorb black body radiation from the absorber by absorption of the gas transported against the absorber even before the absorber and thus to heat the heat-transporting medium.
In einem dritten Schritt 82 werden die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt, dass im Betrieb des Receivers das Verhältnis c der Temperatursteigerung des Wärme transportie renden Mediums durch Absorption vor dem Absorber gegenüber der Temperatursteigerung durch Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist. In a third step 82, the operating parameters of the receiver are set such that during operation of the receiver the ratio c of the temperature increase in the heat-transporting medium due to absorption in front of the absorber compared to the temperature increase due to absorption and convection at the absorber is> 0.3.
Im vierten Schritt 83 wird der Receiver in Betrieb gesetzt und mit dem Parameter c > 0,3 ge fahren. In the fourth step 83, the receiver is put into operation and moved with the parameter c> 0.3.
Es ergibt sich ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungs bereich eine Öffnung für die Strahlung der Sonne und ein im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne angeordneter, diese absorbierender Absorber vorgesehen ist, und wobei als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, das dem Erwärmungsbereich an seinem die Öffnung aufweisenden einen Ende, zugeführt, in einer mit der durch die Öffnung einfallenden Strahlung der Sonne gemein samen Richtung durch diesen gegen das den Absorber aufweisende andere Ende des Erwär mungsbereichs geführt und erst dort aus diesem abgeführt wird, und die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungsbereich (zum Absorber) durch Absorption von Strahlung derart zunimmt, dass das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Ab sorption von Strahlung gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Ab sorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist. The result is a method for operating a receiver with a heating area for heating a heat-transporting medium, and a transport arrangement for transporting the medium through the heating area, with an opening for the radiation of the sun and a path in the heating area in the heating area Incident radiation of the sun arranged, this absorbing absorber is provided, and wherein the heat-transporting medium is a gas absorbing in frequency bands of the infrared range, which is fed to the heating region at its one end having the opening, in one with the radiation incident through the opening the common direction of the sun through this against the other end of the heating region having the absorber and is only discharged from there, and the operating parameters of the receiver are set and the gas is selected such that its temperature during transport through the heating area (to the absorber) due to absorption of radiation increases in such a way that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T2) due to absorption of radiation compared to the total temperature increase (T 4 - T2) due to absorption and convection on the absorber is> 0.3.
In einer Ausführungsform wird das Verhältnis c > 0,3 auf die Absorption nur der Absorbers trahlung bezogen, so dass die Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungsbe reich durch Absorption der Strahlung des Absorbers derart zunimmt, dass das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption der Strahlung des Absorbers und Konvektion am Absorber > 0,3 ist. In one embodiment, the ratio c> 0.3 is based on the absorption of only the absorber radiation, so that the temperature increases during transport through the heating region by absorption of the radiation from the absorber in such a way that the ratio c of the temperature increase (T3-T2 ) by absorption of the radiation from the absorber compared to the total temperature increase (T4 - T2) by absorption of the radiation from the absorber and convection at the absorber> 0.3.
Der Fachmann kann im konkreten Fall das Verhältnis c > 0,3 auf die Absorption nur der Absor berstrahlung 32,55 oder auf die Absorption der Absorberstrahlung einschliesslich der Absorp tion des Infrarot-Anteils der durch den Absorptionsraum 28, 57 (Figuren 2 und 4) laufenden Sonnenstrahlung 4 beziehen. In a specific case, the person skilled in the art can apply the ratio c> 0.3 to the absorption of only the absorber radiation 32.55 or to the absorption of the absorber radiation, including the absorption of the infrared portion of the radiation through the absorption space 28, 57 (FIGS. 2 and 4). refer to ongoing solar radiation 4.
Bevorzugt wird dabei als absorbierendes Gas ein heteropolares Gas ausgewählt, weiter bevor zugt C02, Wasserdampf, CH4 oder ein Gemisch dieser Gase. A heteropolar gas is preferably selected as the absorbing gas, further before CO 2 , water vapor, CH 4 or a mixture of these gases.
Der Fachmann kann dann das erfindungsgemässe Verfahren derart modifizieren, dass das Ver hältnis c gleich oder grösser ist als 0,4, oder 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,8. The person skilled in the art can then modify the method according to the invention such that the ratio c is equal to or greater than 0.4, or 0.5 or preferably equal to or greater than 0.7, particularly preferably equal to or greater than 0.8.
In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemässe Verfahren derart ausgebildet werden, dass das Gas durch den Absorber hindurch geführt wird. Alternativ kann vorgesehen werden, dass das Gas am Absorber vorbei geführt wird. In one embodiment, the method according to the invention can be designed in such a way that the gas is passed through the absorber. Alternatively, it can be provided that the gas is led past the absorber.
Figur 14 zeigt die Schritte eines erfindungsgemässen Fierstellverfahrens für einen Receiver, beispielsweise nach den Figuren 2 bis 4, wobei im Schritt 87 der Absorber als als Schwarzkörper - Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet und entsprechend ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, um die Wärme auf das Wärme transportierende Gas übertragen zu können. Danach wird im Schritt 88 ein ein in Frequenz- bändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas als Wärme transportierendes Gas so zusam men mit den Abmessungen des Absorberraums vorgesehen, dass ein vorbestimmter Betriebs zustand des Receivers definiert werden kann, in welchem die Temperaturzunahme des Wärme transportierenden Gases durch Absorption (der Schwarzkörper-(lnfrarot)Strahlung des Absor bers und der Infrarot-Anteile der Sonne gegenüber der Temperaturzunahme durch Absorption und Konvektion am Absorber in einem Verhältnis c > 0,3 liegt. FIG. 14 shows the steps of a positioning method according to the invention for a receiver, for example according to FIGS. 2 to 4, wherein in step 87 the absorber is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection and, accordingly, an absorber space cooperating with the absorber is provided in order to heat up to be able to transfer the heat-transporting gas. Then in step 88 an in frequency Bands of the infrared range absorbing gas as heat-transporting gas together with the dimensions of the absorber space are provided so that a predetermined operating state of the receiver can be defined in which the temperature increase of the heat-transporting gas by absorption (the blackbody (infrared) radiation of the absorber bers and the infrared portions of the sun compared to the temperature increase due to absorption and convection at the absorber in a ratio c> 0.3.
Es ergibt sich ein Herstellverfahren für einen Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungs bereich eine optische Öffnung für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber vorgesehen ist, dadurch gekenn zeichnet, dass der Absorber als Schwarzkörper - Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvek tion ausgebildet und ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs ab sorbierendes Gas derart vorgesehen und der Absorberraum derart bemessen wird, dass in ei nem vorbestimmten Betriebszustand des Receivers die Temperatur des den Absorptionsraum betriebsfähig durchströmenden, Wärme transportierenden Mediums durch Absorption der Infrarotstrahlung des Absorbers (und der Infrarot-Anteile der Sonnenstrahlung) zunimmt, der art, dass das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption im Absorberraum gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist. The result is a manufacturing method for a receiver with a heating area for heating a heat-transporting medium, and a transport arrangement for transporting the medium through the heating area, with an optical opening for sunlight and a path arranged in the path of the incident sunlight being arranged in the heating area , The sunlight-absorbing absorber is provided, characterized in that the absorber is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection and an absorber space cooperating with the absorber is provided, as a heat-transporting medium, a gas that sorbs in frequency bands of the infrared range is provided and the Absorber space is dimensioned such that in a predetermined operating state of the receiver, the temperature of the heat-transporting medium flowing through the absorption space in an operational manner by absorption of the infrared radiation of the A bsorbers (and the infrared portion of solar radiation) increases, such that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) due to absorption in the absorber space compared to the total temperature increase (T 4 - T 2 ) due to absorption and convection at the absorber > 0.3.
Bevorzugt wird dabei als Gas ein heteropolares Gas vorgesehen, besonders bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02 oder ein Gemisch dieser Gase. A heteropolar gas is preferably provided as the gas, particularly preferably CO 2 , water vapor, CH 4 , NH 3 , CO, SO 2 , SO 3 , HCl, NO, and NO 2 or a mixture of these gases.
Dabei wird weiter in einer Ausführungsform der Erfindung das Verhältnis c gleich oder grösser als 0,4 eingestellt, bevorzugt 0,5, besonders bevorzugt 0,6, ganz bevorzugt 0,7 und am meisten bevorzugt 0,8 ist. In one embodiment of the invention, the ratio c is set equal to or greater than 0.4, preferably 0.5, particularly preferably 0.6, very preferably 0.7 and most preferably 0.8.
Schliesslich kann in einer weiteren Ausführungsform im Absorberraum ein als Schwarzkörper - Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeter Sekundärabsorber vorgese hen werden und weiter bevorzugt der Receiver als räumlicher Receiver konzipiert werden. Finally, in a further embodiment, a secondary absorber designed as a blackbody radiation arrangement with reduced convection can be provided in the absorber space, and the receiver can furthermore preferably be designed as a spatial receiver.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Betrieb eines Receivers (25,50,100,120) mit einem Erwärmungsbereich (26) für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Trans portanordnung (29) für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich (26) hindurch, wobei im Erwärmungsbereich (26) eine Öffnung (3) für die Strahlung (4) der Sonne und ein im Pfad der einfallenden Strahlung (4) der Sonne angeordneter, diese ab sorbierender Absorber (27) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, das dem Erwärmungsbereich (26) in Strömungsrichtung hinter der Öffnung (3) zugeführt, und in diesem in einer der Richtung mit der durch die Öffnung (3) einfallenden und direkt auf den Absorber (27,51) fallenden Sonnenstrahlung (4) gemein samen Transportrichtung von seinem einen, die Öffnung (3) aufweisenden Ende gegen sein anderes, der Öffnung (3) gegenüberliegenden und den Absorber (27,51) aufweisen des Ende, geführt und erst dort aus dem Erwärmungsbereich (26) abgeführt wird, und dass die Betriebsparameter des Receivers (25,50,100,120) derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während dem Transport durch den Erwär mungsbereich (26) durch Absorption von Strahlung (4) derart zunimmt, dass das Verhält nis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption von Strahlung (4) gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absor ber (27,51) > 0,3 ist. 1. A method for operating a receiver (25, 50, 100, 120) with a heating area (26) for heating a heat-transporting medium, and a trans port arrangement (29) for transporting the medium through the heating area (26), wherein in the heating area (26) an opening (3) for the radiation (4) of the sun and an arranged in the path of the incident radiation (4) of the sun, which is provided from sorbing absorber (27), characterized in that an in Frequency bands of the infrared region absorbing gas is provided, which is supplied to the heating region (26) in the flow direction behind the opening (3), and in this in one of the directions with the incident through the opening (3) and directly onto the absorber (27, 51) falling solar radiation (4) common transport direction from its one, the opening (3) having end against its other, the opening (3) opposite and de n Absorbers (27, 51) have the end, guided and only there from the heating area (26), and that the operating parameters of the receiver (25, 50, 100, 120) are set and the gas is selected such that its temperature during transport by the heating area (26) by absorption of radiation (4) increases such that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) by absorption of radiation (4) compared to the total temperature increase (T4 - T 2 ) by the Absorption and convection at the absorber ber (27.51)> 0.3.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungsbereich (26) durch Absorption der Strahlung des Absorbers (27) derart zu nimmt, dass das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers (27) gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption der Strahlung des Absorbers und Konvektion am Absorber (27,51) > 0,3 ist. 2. The method according to claim 1, wherein the temperature increases during the transport through the heating region (26) by absorption of the radiation from the absorber (27) such that the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) by absorption of the radiation from the Absorber (27) compared to the total temperature increase (T 4 - T 2 ) due to the absorption of the radiation from the absorber and convection at the absorber (27.51)> 0.3.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsbereich einen im Pfad der einfallen den Strahlung (4) der Sonne angeordneten, zwischen der Öffnung (3) und dem Absorber (27,51) vorgesehenen Absorberraum (28) aufweist, und wobei das Verhältnis c das Ver hältnis ist von der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Ab sorbers (27) in diesem Absorberraum zu der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber (27), nachdem das Gas diesen passiert hat. 3. The method according to claim 1, wherein the heating region is arranged in the path of the incident radiation (4) of the sun, between the opening (3) and the absorber (27,51) provided absorber space (28), and wherein the ratio c is the ratio of the temperature increase (T3 - T2) by absorption of the radiation from the absorber (27) in this absorber space to the total temperature increase (T4 - T2 ) by absorption and convection at the absorber (27) after the gas has passed through it.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsbereich (26) zwei Absorberräume (28) mit einem gemeinsamen Absorber (27,51) aufweist, und wobei das Verhältnis c für einen oder für beide der Absorberräume vorgesehen wird. 4. The method according to claim 1, wherein the heating region (26) has two absorber spaces (28) with a common absorber (27, 51), and wherein the ratio c is provided for one or both of the absorber spaces.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas ein heteropolares Gas ist, bevorzugt eines oder ein Gemisch der Gase CO2, Wasserdampf, CH4, N H3, CO, SO2, SO3, HCl, NO, und NO2, be sonders bevorzugt ein Gemisch mit Wasserdampf und CO2. 5. The method of claim 1, wherein the gas is a heteropolar gas, preferably one or a mixture of the gases CO2, water vapor, CH4, N H3, CO, SO2, SO3, HCl, NO, and NO2, be particularly preferably a mixture with Water vapor and CO2.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis c gleich oder grösser ist als 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser als 0,8. 6. The method according to claim 1, wherein the ratio c is equal to or greater than 0.5 or preferably equal to or greater than 0.7, particularly preferably equal to or greater than 0.8.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas durch den Absorber (27,51) hindurch geführt wird. 7. The method according to claim 1, wherein gas is passed through the absorber (27, 51).
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas an dem Absorber (27,51) vorbei geführt wird. 8. The method according to claim 1, wherein gas is guided past the absorber (27, 51).
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas im Erwärmungsbereich (26) unter Überdruck gesetzt wird, bevorzugt in einem Bereich zwischen 2 und 20 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar, ganz besonders bevorzugt 10 bar. 9. The method according to claim 1, wherein the gas in the heating region (26) is pressurized, preferably in a range between 2 and 20 bar, particularly preferably between 5 and 15 bar, very particularly preferably 10 bar.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas um den Absorber (27,51) herum zu einer Rückseite des Absorbers (27,51) und dann von diesem weg geführt wird. 10. The method of claim 1, wherein gas is passed around the absorber (27, 51) to a rear of the absorber (27, 51) and then away from it.
11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sich durch Absorption der Strahlung des Absorbers (27m51) erwärmende Gas aus einem Absorberraum (28,53) entnommen wird, sobald es teilerwärmt ist und/oder ein teilerwärmtes Gas einem Absorberraum (28,53) zugeführt wird, und wobei die Zufuhr im Absorberraum (28,53) am jeweiligen Ort stattfindet, wo im Wesentlichen die Temperatur im Absorberraum (28,53) der Temperatur des teilerwärm ten Gases entspricht. 11. The method according to claim 1, wherein the gas which is heated by absorption of the radiation from the absorber (27m51) is removed from an absorber chamber (28, 53) as soon as it is partially heated and / or a partially heated gas is supplied to an absorber chamber (28, 53) is, and wherein the supply takes place in the absorber space (28,53) at the respective location, where the temperature in the absorber space (28,53) essentially corresponds to the temperature of the partially warmed gas.
12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das infrarot absorbierende Gas dem Erwärmungsbe reich (26) tangential zur Transportrichtung zugeführt wird, derart, dass im Transportbe reich in Transportrichtung gegen den Absorber (27,51) geführtes Gas zusätzlich um eine zur Transportrichtung parallele Achse (127) rotiert. 12. The method according to claim 1, wherein the infrared absorbing gas is supplied to the heating region (26) tangentially to the transport direction, such that in the transport region in the transport direction against the absorber (27, 51) gas is additionally guided around an axis parallel to the transport direction ( 127) rotates.
13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das infrarot absorbierende Gas in einem Absorptions raum (28,53) des Erwärmungsbereichs (26) in eine Rotation versetzt wird, derart, dass es im Absorptionsraum einen Drall um eine zur Transportrichtung parallele Achse (127) auf weist. 13. The method according to claim 1, wherein the infrared absorbing gas in an absorption space (28, 53) of the heating region (26) is set in rotation such that it has a swirl in the absorption space about an axis parallel to the transport direction (127) points.
14. Receiver (25,50,100,120) zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 29, mit einem Erwärmungsbereich (26) für die Erwär mung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine Öffnung (3) für die Strah lung (4) der Sonne, und einen im Pfad der einfallenden Strahlung (4) der Sonne angeord neten, diese absorbierenden Absorber (27,51) aufweist, mit einer Transportanordnung (29) für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich (26) hindurch, dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein Absorberraum (28,57) für die Erwärmung des Wärme transportierenden Mediums vorgesehen ist, dessen eines Ende durch die Öffnung14. Receiver (25, 50, 100, 120) for carrying out the method according to claim 1 or produced by the method according to claim 29, with a heating region (26) for the heating of a heat-transporting medium, which has an opening (3) for the radiation (4) the sun, and having an absorber (27, 51) arranged in the path of the incident radiation (4) of the sun, with a transport arrangement (29) for transporting the medium through the heating region (26), characterized in that an absorber space (28, 57) is also provided for heating the heat-transporting medium, one end of which passes through the opening
(3) für die Strahlung der Sonne und dessen anderes Ende durch den der Öffnung (3) ge genüber liegenden Absorber (27,51) gebildet wird, derart, dass durch die Öffnung (3) ein tretende Strahlung (4) der Sonne direkt und im Wesentlichen vollständig auf den Absor ber (27,51) fällt, und der Absorber (27,51) als in den Absorberraum (28,57) wirkende Strahlungsanordnung und die Transportanordnung (29) für den Transport eines Gases als Wärme transportierendes Medium ausgebildet ist, und dieses im Bereich der Öffnung (3), jedoch in Richtung der einfallenden Strahlung (4) hinter der Öffnung (3) für die Strahlung(3) for the radiation of the sun and the other end thereof is formed by the absorber (27, 51) lying opposite the opening (3), in such a way that radiation (4) entering the sun directly and through the opening (3) essentially falls completely on the absorber (27, 51), and the absorber (27, 51) is designed as a radiation arrangement acting in the absorber space (28, 57) and the transport arrangement (29) for the transport of a gas as a heat-transporting medium , and this in the region of the opening (3), but in the direction of the incident radiation (4) behind the opening (3) for the radiation
(4) der Sonne dem Absorberraum (28,57) zuführt und im Bereich des Absorbers (27,51) aus dem Absorberraum (28,57) wieder abführt, derart, dass im Betrieb das Wärme trans portierende Medium den Absorberraum (28,57) in einer einfallender Sonnenstrahlung (4) entsprechenden Richtung vom einen Ende mit der Öffnung (3) zum anderen Ende mit dem Absorber (27,51) vollständig durchquert, und wobei das Wärme transportierende Me dium im Wesentlichen ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas ist, und der mit dem Absorber (27,51) zusammenwirkende Absorberraum (28,57) derart bemessen ist, dass im Betrieb das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) des in Frequenzbändern des Infrarotbereiches absorbierenden, Wärme transportierenden Ga ses durch Absorption im Absorberraum (28,57) gegenüber der Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und die Konvektion am Absorber (27,51), > 0,3 ist. (4) feeds the sun to the absorber chamber (28,57) and removes it from the absorber chamber (28,57) in the area of the absorber (27,51), such that the heat-transporting medium transports the absorber chamber (28,57 ) in an incident direction corresponding to solar radiation (4) from one end with the opening (3) to the other end with the absorber (27, 51), and wherein the heat-transporting medium is essentially a gas that absorbs in frequency bands of the infrared range , and the absorber space (28, 57) interacting with the absorber (27, 51) is dimensioned such that during operation the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) of the in Frequency bands of the infrared range absorbing, heat transporting Ga ses by absorption in the absorber space (28.57) compared to the temperature increase (T4 - T2) by absorption and convection at the absorber (27.51),> 0.3.
15. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei der Absorberraum (28,57) derart be messen ist, dass im Betrieb das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) des in Fre quenzbändern des Infrarotbereiches absorbierenden, Wärme transportierenden Gases durch Absorption der Strahlung des Absorbers (27,51) im Absorberraum (28,57) gegen über der Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption der Strahlung des Absorbers (27,51) und die Konvektion am Absorber (27,51), > 0,3 ist. 15. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the absorber space (28, 57) is measured in such a way that, in operation, the ratio c of the temperature increase (T 3 - T 2 ) of the heat-absorbing in frequency bands of the infrared range absorbs Gas by absorption of the radiation from the absorber (27.51) in the absorber chamber (28.57) compared to the temperature increase (T4 - T 2 ) by absorption of the radiation from the absorber (27.51) and convection at the absorber (27.51 ),> 0.3.
16. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei ein Absorberraum (28,57) zwischen der Öffnung (3) für die Strahlung (4) der Sonne und dem Absorber (27,51) angeordnet ist, und wobei c das Verhältnis ist von der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers in diesem Absorberraum (28,57) zu der gesamten Temperaturzu nahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber (27,51), nach dem das Gas diesen passiert hat. 16. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein an absorber space (28, 57) is arranged between the opening (3) for the radiation (4) from the sun and the absorber (27, 51), and wherein c is the ratio is from the temperature increase (T3 - T 2 ) by absorption of the radiation of the absorber in this absorber space (28,57) to the total temperature increase (T4 - T 2 ) by absorption and convection at the absorber (27,51), according to the gas has passed this
17 Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei der Erwärmungsbereich zwei Absor berräume (28,57) aufweist, denen der Absorber (27,51) gemeinsam ist und wobei das Verhältnis c für einen oder für beide der Absorberräume (28,57) vorgesehen wird, wobei bevorzugt um den Absorber (27,51) herum führende Verbindungskanäle die beiden Ab sorberräume (28,57) miteinander verbinden. 17 receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the heating region has two absorber spaces (28, 57) which the absorber (27, 51) has in common and wherein the ratio c for one or both of the absorber spaces (28, 57 ) is provided, preferably around the absorber (27, 51) leading connecting channels connecting the two absorber spaces (28, 57) together.
18. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei der Absorber (27,51) wenigstens teil weise eine gasdichte Oberfläche (27') aufweist und bevorzugt plattenförmig, ausgebildet ist. 18. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the absorber (27, 51) at least partially has a gas-tight surface (27 ') and is preferably plate-shaped.
19. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei die Wände des Absorptionsraums (28,57) und/oder der Absorber (27,51) frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanä len. 19. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the walls of the absorption space (28, 57) and / or the absorbers (27, 51) are free of coolants, in particular cooling channels.
20. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei die Wände des Absorptionsraums (28,57) und/oder der Absorber (27,51) frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanä len, für den bestimmungsgemässen Betrieb des Receivers (25,50,100,120). 20. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the walls of the absorption space (28, 57) and / or the absorbers (27, 51) are free of coolants, in particular cooling channels, for the intended operation of the receiver (25, 50,100,120).
21. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei im Betrieb das Wärme transportie rende Gas ein heteropolares Gas enthält, bevorzugt eines oder mehrere der Gase C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02, und besonders bevorzugt ein Gemisch mit Wasserdampf und C02. 21. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein in operation the heat-transporting gas contains a heteropolar gas, preferably one or more of the gases C0 2 , water vapor, CH4, NH 3 , CO, S0 2 , S03, HCl, NO, and N0 2 , and particularly preferably a mixture with steam and C0 2 .
22. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei ein Sekundärabsorber (54) in einem Absorptionsraum (28,57) vorgesehen und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Infrarotstrahlung des Absorbers (27,51) erwärmbar ist und im Betrieb über seine Strahlung seinerseits in den Absorberraum (28,57) wirkt, wobei er bevorzugt plat tenförmig ausgebildet ist und besonders bevorzugt den Absorber im Wesentlichen nicht beschattet. 22. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein a secondary absorber (54) is provided in an absorption space (28, 57) and is arranged and designed such that it can be heated by the infrared radiation of the absorber (27, 51) and in Operation via its radiation in turn acts in the absorber space (28, 57), it preferably being plate-shaped and particularly preferably essentially not shading the absorber.
23. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei die Transportanordnung eine oder mehrere mit einem Absorberraum (28,57) verbundene Leitungen (91 bis 91"', 92 bis 92"') für Wärme transportierendes Gas aufweist, die derart angeordnet sind, dass dem Absor berraum (28,57) teilerwärmtes Gas entnommen und/oder teilerwärmtes Gas an einem Ort zugeführt werden kann, an welchem im Wesentlichen die Temperatur des Gases im Absorberraum (28,57) der Temperatur des teilerwärmten, zugeführten Gases entspricht. 23. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the transport arrangement has one or more lines (91 to 91 "', 92 to 92"') connected to an absorber space (28, 57) for heat-transporting gas, which are arranged in this way are that partially heated gas can be removed from the absorber chamber (28, 57) and / or partially heated gas can be supplied at a location at which the temperature of the gas in the absorber chamber (28, 57) essentially corresponds to the temperature of the partially heated, supplied gas.
24. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei ein Absorberraum (28,57) für einen Druck des Gases in einem Bereich zwischen 2 und 20 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar, ganz besonders bevorzugt 10 bar ausgelegt ist. 24. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein an absorber space (28, 57) is designed for a pressure of the gas in a range between 2 and 20 bar, particularly preferably between 5 and 15 bar, very particularly preferably 10 bar.
25. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei das Verhältnis^ gleich oder grösser ist als 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser als 0,8. 25. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the ratio ^ is equal to or greater than 0.5 or preferably equal to or greater than 0.7, particularly preferably equal to or greater than 0.8.
26. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei die Transportanordnung (29) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb das Wärme transportierende Medium während der in Transportrichtung erfolgenden Durchquerung des Absorberraums (28,57) wenigstens teilweise einen Drall um eine zur Transportrichtung parallele Achse (127) des Absorber raums (28,57) aufweist, wobei die T ransportanordnung (29) bevorzugt am Absorberraum (28,57) vorgesehene Einlassöffnungen für das Medium aufweist, die gegenüber der Achse (103) des Absorberraums (28,57) in gleicher Drallrichtung tangential ausgerichtet sind. 26. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the transport arrangement (29) is designed such that, during operation, the heat-transporting medium at least during the crossing of the absorber space (28, 57) in the transport direction partially has a twist around an axis (127) of the absorber chamber (28, 57) parallel to the transport direction, the transport arrangement (29) preferably having inlet openings for the medium provided on the absorber chamber (28, 57), which are opposite the axis (103 ) of the absorber chamber (28, 57) are oriented tangentially in the same swirl direction.
27. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14, wobei die Transportanordnung in den Absor berraum (28,57) führende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die benachbart zu einer Wand 138 des Absorptionsraums (28,57) angeordnet sind und die in Hauptstromrichtung eine Strömungskomponente des in den Absprotionsraum (28,57) einströmenden Fluids mit einer Neigung gegenüber der Wand 138 von weniger als 15 Grad bevorzugt gleich oder weniger als 10 Grad, besonders bevorzugt gleich oder weniger als 5 Grad erzeugt. 27. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the transport arrangement in the absorber space (28, 57) has openings for the heat-transporting medium which are arranged adjacent to a wall 138 of the absorption space (28, 57) and which In the main flow direction, a flow component of the fluid flowing into the spray chamber (28, 57) is generated with an inclination to the wall 138 of less than 15 degrees, preferably equal to or less than 10 degrees, particularly preferably equal to or less than 5 degrees.
28. Receiver (25,50,100,120) nach Anspruch 14 wobei die Transportanordnung in den Absor berraum (28,57) führende Öffnungen für das Wärme transportierende Medium aufweist, die eine zu einer Achse 127 des Absorptionsraums (28,57) tangentiale Strömungskompo nente des in den Absorptionsraum (28,57) einströmenden Fluids erzeugt. 28. Receiver (25, 50, 100, 120) according to claim 14, wherein the transport arrangement in the absorber space (28, 57) has openings for the heat-transporting medium, which are tangential to an axis 127 of the absorption space (28, 57) fluid flowing into the absorption space (28, 57).
29. Herstellverfahren für einen Receiver (25,50,100,120) mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportan ordnung (29) für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine optische Öffnung (3) für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber (27,51) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (27,51) als Strahlungs anordnung ausgebildet und ein mit dem Absorber (27,51) zusammenwirkender Absorber raum (28,57) vorgesehen wird, in welchem die Öffnung (3) und der Absorber (4) einander gegenüber liegen und den Absorberraum (28,57) begrenzen, und als Wärme transportie rendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas in der Richtung des durch die Öffnung direkt auf den Absorber (27,51) fallenden Sonnenlichts bis zum Absorber (27,51) geführt wird und derart vorgesehen und der Absorberraum (28,57) derart bemessen wird, dass in einem vorbestimmten Betriebszustand des Recei vers die Temperatur des den Absorptionsraum (28,57) betriebsfähig durchströmenden, Wärme transportierenden Mediums durch Absorption der Infrarotstrahlung des Absor- bers zunimmt, derart, dass das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Ab sorption im Absorberraum (28,57) gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber (27,51) > 0,3 ist. 29. Manufacturing method for a receiver (25, 50, 100, 120) with a heating area for heating a heat-transporting medium, and a transport arrangement (29) for transporting the medium through the heating area, an optical opening (3) for Sunlight and an arranged in the path of the incident sunlight, the sunlight absorbing absorber (27, 51) is provided, characterized in that the absorber (27, 51) is designed as a radiation arrangement and an absorber space interacting with the absorber (27, 51) (28,57) is provided, in which the opening (3) and the absorber (4) lie opposite each other and delimit the absorber space (28,57), and as a heat-transporting medium a gas absorbing in frequency bands of the infrared range in the direction of the sunlight falling through the opening directly onto the absorber (27, 51) is guided to the absorber (27, 51) and is read in this way hen and the absorber space (28, 57) is dimensioned such that, in a predetermined operating state of the receiver, the temperature of the heat-transporting medium flowing operationally through the absorption space (28, 57) by absorption of the infrared radiation of the absorber also increases, such that the ratio c of the temperature increase (T3 - T2) due to absorption in the absorber space (28.57) compared to the total temperature increase (T4 - T2) due to absorption and convection at the absorber (27.51)> 0, 3 is.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei ein Absorberraum (28,57) im Pfad der einfallenden30. The method of claim 29, wherein an absorber space (28,57) in the path of the incident
Strahlung der Sonne zwischen der Öffnung und dem Absorber (27,51) angeordnet wird, und das Verhältnis c als Verhältnis der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers (27,51) in diesem Absorberraum (28,57) zu der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion an diesem Absorber, nach dem das Gas diesen passiert hat, vorgesehen wird. Sun radiation between the opening and the absorber (27.51) is arranged, and the ratio c as the ratio of the temperature increase (T 3 - T 2 ) by absorption of the radiation of the absorber (27.51) in this absorber space (28.57 ) to the total temperature increase (T 4 - T 2 ) by absorption and convection at this absorber, after which the gas has passed through it.
31. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Gas ein heteropolares Gas aufweist, bevorzugt eines oder mehrere der Gase C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, SO2, SO3, HCl, NO, und NO2 und besonders bevorzugt ein Gemisch mit Wasserdampf und CO2.. 31. The method according to claim 29, wherein the gas comprises a heteropolar gas, preferably one or more of the gases C0 2 , steam, CH 4 , NH 3 , CO, SO 2 , SO 3 , HCl, NO, and NO 2 and particularly preferably a mixture with water vapor and CO 2 ..
32. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Verhältnis c gleich oder grösser ist als 0,4, bevor zugt 0,5, besonders bevorzugt 0,6, ganz bevorzugt 0,7 und am meisten bevorzugt 0,8. 32. The method according to claim 29, wherein the ratio c is equal to or greater than 0.4, preferably 0.5, particularly preferably 0.6, very preferably 0.7 and most preferably 0.8.
33. Verfahren nach Anspruch 29, wobei im Absorberraum (28,57) ein als Strahlungsanord nung ausgebildeter Sekundärabsorber (54) vorgesehen wird. 33. The method according to claim 29, wherein a secondary absorber (54) designed as a radiation arrangement is provided in the absorber space (28, 57).
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