EP4522925A1 - Empfängervorrichtung für solarstrahlung mit einem behälter zum aufheizen eines wärmeträgermediums in einem solarthermischen kraftwerk - Google Patents

Empfängervorrichtung für solarstrahlung mit einem behälter zum aufheizen eines wärmeträgermediums in einem solarthermischen kraftwerk

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Publication number
EP4522925A1
EP4522925A1 EP23726287.8A EP23726287A EP4522925A1 EP 4522925 A1 EP4522925 A1 EP 4522925A1 EP 23726287 A EP23726287 A EP 23726287A EP 4522925 A1 EP4522925 A1 EP 4522925A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
surface segments
receiver device
container
heat transfer
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP23726287.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes CLAR
Jens Rheinländer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4522925A1 publication Critical patent/EP4522925A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/80—Accommodating differential expansion of solar collector elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/20—Working fluids specially adapted for solar heat collectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/60—Thermal insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F24S2020/23—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants movable or adjustable
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S2080/01—Selection of particular materials
    • F24S2080/011—Ceramics

Definitions

  • Receiver device for solar radiation with a container for heating a heat transfer medium in a solar thermal power plant
  • the invention relates to a receiver device for solar radiation with a container for heating a heat transfer medium in a solar thermal power plant.
  • Prior art solar radiation receiver devices are known as solar particle receivers for solar tower power plants.
  • Such receiver devices use a rotating hollow cylindrical container in which a closed film of ceramic particles with a diameter of typically 1 mm or smaller forms as a heat transfer medium on the inner wall of the rotating cylinder.
  • This particle film is heated to over 1000°C using concentrated solar radiation and then removed from the cylinder.
  • the energy stored in the particles can be temporarily stored in an insulated container and used to generate electricity and/or in process heat applications.
  • a device with a solar radiation receiver is known, which comprises a container that includes an outer wall and an interior space surrounded by the outer wall.
  • the device comprises a supply device for supplying a heat transfer medium to the interior of the container.
  • the container is by means of a rotary drive device
  • Solar radiation receiver device rotatable about an axis of rotation in such a way that the heat transfer medium is guided along an inner wall of the container to form a heat transfer medium film.
  • the device comprises at least one overflow element to form a rotationally symmetrical inner surface of the heat transfer medium film.
  • a heat exchanger device in particular a solar radiation receiver, which comprises a heating chamber, which includes a wall and an interior space surrounded by the wall.
  • the heat exchanger device further comprises a rotary drive device and a supply device for supplying a heat transfer medium to the interior of the heating chamber.
  • the heating chamber can be rotated about an axis of rotation by means of the rotary drive device in such a way that the heat transfer medium can be guided along an inside of the wall of the heating chamber to form a heat transfer medium film.
  • JP H02-302 582 A discloses refractory materials, in particular stones, which are used for the inner lining of rotary kilns.
  • An interface between a refractory layer and an insulating layer of the materials has a wave shape, wherein the wave heads are connected in the circumferential direction of a shell of the rotary kiln and the rising and falling parts of the waves are perpendicular to the shell.
  • the adhesive force between the refractory layer and the insulating layer resists the frictional stress caused by the movement of the fired object during use.
  • a rotary drum furnace for incinerating waste is known from DE 12 70 728 A1.
  • the rotary drum furnace includes an outer jacket made of jet and an inner jacket, which is formed by a large number of surface elements in the form of firebricks. The front sides of the firebricks overlap with grooves and grooves.
  • the object of the invention is to create a cost-effective and maintenance-friendly receiver device for solar radiation with a container for heating a heat transfer medium in a solar thermal power plant.
  • a receiver device for solar radiation with a container for heating a heat transfer medium in a solar thermal power plant with an at least double-walled housing extending in a longitudinal direction, which surrounds an interior and which has an outer wall and an inner wall surrounded by it.
  • Thermal insulation is arranged between the inner wall and the outer wall.
  • the inner wall is formed from a plurality of surface segments which are joined together without gaps in the radial direction transversely to the longitudinal direction, with end faces of adjacent surface segments forming an overlap at least in one circumferential direction.
  • the inner wall is at least partially supported against the outer wall in the radial direction by means of first spring elements.
  • the thermal insulation forms the first spring elements.
  • the thermal insulation is designed to be at least partially resilient, at least in the radial direction.
  • insulation and/or thermal insulation and/or resilient insulation and/or elastic insulation are used for the insulation between the inner wall and the outer wall, since according to the invention the insulation between the inner wall and the outer wall has at least thermally insulating properties and resilient or .has elastic properties.
  • the container of the receiver device can, for example, be designed as a rotating drum in which a closed film of ceramic particles with a diameter typically of at most 1 mm is formed on the inner wall of the rotating cylinder. This particle film is heated to over 1000°C using concentrated solar radiation and then removed. Temperatures of, for example, 1100°C and more can occur. The energy stored in the particles can be temporarily stored in an insulated container and used to generate electricity and/or in process heat applications.
  • the receiver device has an input for supplying the heat transfer medium to the container and an output for discharging the heat transfer medium from the container.
  • the receiver device On the inner wall along which the particles are guided, the running surface, which is usually made of a high-temperature alloy, has a temperature of at least 900 ° C for the particles during operation.
  • the inner wall which is usually made of metal, experiences large thermal expansions in the axial and radial directions.
  • the thermal insulation is located between the hot running surface of the inner wall and the outer wall of the container, so that the energy flows to the outer wall are advantageously reduced and the outer wall is usually a maximum of 100 ° C hot. This means that there are lower thermal expansions on the outer wall.
  • thermal insulation Another advantage of thermal insulation is that when the inner wall is installed or removed, the inner wall can slide on the thermal insulation or can be guided elastically by the thermal insulation. Furthermore, when installing or removing the outer wall, the outer wall can slide on the thermal insulation or be guided elastically by the thermal insulation.
  • the differences in expansion are usually compensated for by a bearing structure between the inner wall and the outer wall. It must be ensured that the inner wall still has approximately the same axis of rotation as the outer wall and is not displaced against the outer wall. This is usually achieved with fixed bearings and floating bearings. Floating bearings block the relative movement in the direction of rotation. Fixed bearings block the relative movement in the direction of rotation and longitudinal direction.
  • the entire surface of the inner wall is composed of many individual, separate surface segments, for example ceramic elements, which are arranged at least partially overlapping.
  • the tongue and groove principle can be used in the circumferential direction to connect curved or flat surface segments, so that adjacent surface segments abut one another at least partially overlapping on their end faces.
  • other options for connecting the surface segments and also other options, for example a roof tile-like overlap are also possible to create the overlap. This means that movement of the surface segments in a radial inward direction is no longer possible.
  • the insulation or the first spring elements are compressed. During the cooling process, the insulation or the spring elements can relax again.
  • thermal bridges no longer have to be passed through the insulation to support the inner wall in the radial direction.
  • the thermal insulation with a resilient effect can be achieved, for example, using polycrystalline wool, such as that used in exhaust gas catalytic converters. Even at temperatures above 1000°C, this material achieves sufficient elasticity to have a specified spring force on the surface segments.
  • Commercially available products are available, for example, with wool compositions of 72% AI2O3 and 28% SiÜ2 or 80% AI2O3 and 20% SiÜ2 (determined by chemical analysis according to DIN EN 955-2; 4). A force of a few Newtons is sufficient as a preload force.
  • other materials with comparable properties can also be used as thermal insulation.
  • Thermal insulation can advantageously fulfill several tasks.
  • the thermal insulation can reduce energy flows to the outer wall, so that there are lower thermal expansions on the outer wall.
  • the thermal insulation can act as a sliding surface and/or as a guide, in particular as a resilient guide, when installing or removing the inner wall or the outer wall.
  • the thermal insulation can act as a sliding surface and/or as a guide, in particular as a resilient guide, of the surface segments when the surface segments expand in the longitudinal direction.
  • the thermal insulation can have an elastic effect or a supporting effect, which limits the radial movement of the inner wall outwards during operation.
  • Another advantage of using individual surface segments is the possible versatile shaping.
  • the production of a large number of surface segments as identical parts can be realized cost-effectively.
  • At least some of the surface segments can have a tongue-and-groove contour on their end faces, which interacts with a tongue-and-groove counter-contour of an adjacent surface segment.
  • the surface segments can at least partially mesh with one another, so that they can no longer move inwards in the radial direction of the inner wall perpendicular to the surface of the surface segments. If the end faces of adjacent surface segments are pressed against each other, the surface segments form a stable, hollow cylindrical inner wall. However, a movement of the surface segments in a radial direction outwards due to thermal expansion is possible.
  • part of the surface segments can be formed with grooves on two opposite end faces and another part can be formed with tongues on two opposite end faces.
  • part of the surface segments can then be joined together alternately.
  • some of the surface segments can be arranged to overlap like roof tiles on their end faces.
  • the surface segments can form an overlap so that they can at least partially slide over one another during thermal expansion.
  • the geometric dimensions of the inner wall can remain largely constant.
  • the surface segments can have a ceramic material, in particular the surface segments can be formed from a ceramic material.
  • the inner wall can advantageously be constructed from ceramic materials instead of a corresponding metal alloy. Due to the higher melting point of ceramics, higher application temperatures of over 1000°C can be achieved in order to be able to open up further process heat applications in this temperature range. Furthermore, when using ceramic materials, significant improvements in the service life of the inner wall are expected at temperatures up to 1000°C. Furthermore, ceramics have a lower coefficient of thermal expansion than metals, which means that the storage of the hot inner wall in the cold outer wall has to accommodate correspondingly less deformation path and can be spatially smaller.
  • the inner wall can be arranged prestressed against the outer wall in the radial direction by means of the first spring elements, in particular by means of the elastic insulation which at least partially forms the first spring elements.
  • the first spring elements or the elastic insulation are then compressed. During the cooling process, the first spring elements or the elastic insulation can relax again.
  • the surface segments can be flat or curved in the circumferential direction, in particular as part of a hollow cylinder jacket.
  • the inner wall can be designed as a hollow body with a polygonal cross section.
  • curved surface segments which correspond to a circular arc section, a hollow cylindrical shape of the inner wall can be achieved.
  • the inner wall can be supported in the circumferential direction against the outer wall by means of a fixed bearing.
  • the fixed bearing can conveniently block the relative movement of the inner wall in the direction of rotation and, at the location of the fixed bearing, in the longitudinal direction. In the radial direction, however, movement is possible due to thermal expansion.
  • the fixed bearing can be designed as a stop against the outer wall on the end face of the surface segments and/or as a fixation of the respective surface segments in the circumferential direction and in the longitudinal direction.
  • the movement of the surface segments on which the fixed bearing is arranged is blocked in the circumferential direction and in the longitudinal direction.
  • the fixed bearing can be arranged on surface segments on a lower end face of the lowest ring in the direction of gravity.
  • the surface segments can have a tongue-and-groove contour on their end faces in the longitudinal direction, which interacts with a tongue-and-groove counter-contour of an adjacent surface segment.
  • the tongue and groove principle can also be used between the connection of the surface segments in the longitudinal direction. In this way, a stable connection of adjacent surface segments in the radial direction can be achieved.
  • the inner wall can be elastically supported in the longitudinal direction against the outer jacket by means of second spring elements.
  • the second spring elements can be arranged on the end face of the lowest surface segments in the direction of gravity.
  • Second spring elements which are arranged opposite the fixed bearing, are tensioned. During cooling, the second spring elements push the surface segments back again.
  • the second spring elements can be formed from elastic insulation or from metallic spring elements.
  • elastic retraction elements can be arranged between at least some of the surface segments and the outer wall, by means of which the surface segments are prestressed or can be prestressed with spring force in the longitudinal direction against the outer wall.
  • the retraction elements which are arranged opposite the fixed bearing, are tensioned. During cooling, the retraction elements pull the surface segments back again.
  • the retraction elements can be made from elastic insulation or from ceramic or metallic spring elements.
  • the first and/or second spring elements and/or the retraction elements can be designed as a spring element made of metal or ceramic or as thermal insulation, which is at least partially resilient. As a result, a defined spring effect can advantageously be achieved.
  • first spring elements are designed as thermal insulation; further first spring elements can be made of metal or ceramic or a further thermal insulation.
  • the fixed bearing can be arranged in the longitudinal direction at an upper end of the inner casing in the direction of gravity or along a length of the inner wall.
  • the position of the fixed bearing in the longitudinal direction can be arranged at any point along the entire length of the inner wall.
  • the fixed bearing can also be arranged on surface segments on a lower end face of the lowest ring in the direction of gravity.
  • the surface segments can be arranged to overlap like a roof tile in the longitudinal direction.
  • the rings formed in the circumferential direction can be constructed from surface segments, which are connected in the circumferential direction according to the tongue and groove principle, in such a way that they overlap one another. This means that the thermal expansion of the individual surface segments does not add up, since the surface segments partially slide over one another during thermal expansion in the longitudinal direction. The thermal expansion has only low values.
  • the surface segments can be positively connected to the thermal insulation in the radial direction. In order to maintain the position in the longitudinal direction of the inner wall, the surface segments can have a positive connection to the insulation between the inner wall and the outer wall.
  • the surface segments can be connected to the outer wall by means of holding elements, in particular by means of metallic or ceramic holding elements.
  • each individual surface segment can also be supported on the outer jacket by metallic or ceramic holding elements in order to maintain the position in the longitudinal direction of the inner wall.
  • the end faces of the surface segments can have a triangular or a semicircular or a rectangular tongue-and-groove contour in the direction of a thickness expansion of the surface segments. In this way, a defined positive fit can be achieved for interlocking interlocking of adjacent surface segments.
  • the surface segments can have a surface structure for a predetermined setting of a frictional resistance and/or rolling resistance of the heat transfer medium.
  • the receiver device can comprise an aperture opening for the entry of solar radiation at one of the ends of the container, the container having a longitudinal axis which is oriented parallel or at an acute angle less than or equal to 90 ° to the direction of gravity.
  • the container can be rotated about an axis of rotation in the intended direction of rotation by means of a rotary drive device in such a way that the heat transfer medium can be guided along an inner wall of the container to form a heat transfer medium film.
  • a heat transfer medium film can be formed particularly favorably on the inner wall of the rotating container, so that the most uniform possible heat transfer from the solar radiation entering through the aperture opening to the heat transfer medium can be achieved.
  • a homogeneous distribution of the heat transfer medium which can in particular be designed as a particle stream, can be achieved at the beginning of the running surface of the heat transfer medium on the inner wall of the container.
  • FIG. 1 shows a receiver device for solar radiation with a container for heating a heat transfer medium in a solar thermal power plant in a transparent representation
  • FIG. 2 shows a housing of a container of the receiver device according to an embodiment of the invention in an isometric view
  • Fig. 3 shows a cross section through the housing according to Fig. 2 with an inner wall and first spring elements
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through an inner wall according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a container with an inner wall and an outer wall according to a further exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a longitudinal section through an inner wall according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a receiver device 110 for solar radiation with a container 200 for heating a heat transfer medium 210 in a solar thermal power plant in a transparent representation.
  • the known receiver device 110 shown in Figure 1 comprises a container 200, which can be rotated about an axis of rotation 216 by means of a rotary drive device (not shown), as well as an input 300 for supplying the heat transfer medium 210 to an interior 208 of the container 200 and an output 400 for discharging the Heat transfer medium 210 from the container 200, both of which are connected to this container 200.
  • the container 200 has a longitudinal axis 214, which is oriented parallel or at an acute angle of typically less than or equal to 90° to the direction of gravity g, which is symbolized in the figure by a vertical arrow.
  • the container 200 in particular comprises a hollow cylindrical base body, which includes the circular cylindrical interior 208 surrounded by an outer wall 206.
  • An inner wall 218 is arranged at a distance from the outer wall 206 and surrounds the interior 208.
  • the container 200 has a thermal insulation, not shown, between the external outer wall 206 and the inner wall 218, so that temperatures of approximately 100 ° C can be maintained on the outside 240 of the container 200, although a temperature of the inner wall 218 is caused by the heated heat transfer medium 210 can be at least 900 ° C or higher, for example 1100 ° C.
  • the receiver device 110 has an aperture opening 416 for the entry of solar radiation 112 at the lower end 204 of the container 200.
  • the container 200 can be rotated about an axis of rotation 216 in the intended direction of rotation 236 by means of a rotary drive device in such a way that the heat transfer medium 210 is guided along the inner wall 218 of the container 200 to form a heat transfer medium film 212.
  • the heat transfer medium 210 and the heat transfer medium film 212 are only indicated in FIG. 1 on the side of the inner wall 218 facing the interior 208.
  • the axis of rotation 216 encloses an angle 222 with the direction of gravity g, which can lie between 0° and 90° and can typically be approximately 45°, with the longitudinal axis 214 expediently being aligned coaxially with the axis of rotation 216.
  • the lower end 204 of the container 200 with respect to the direction of gravity g is designed to be open, so that the aperture opening 416 of the container 200 is formed, through which solar radiation 112 can enter the interior 208 of the container 200.
  • the inner wall 218 of the container 200 is provided with a heat transfer medium 210, which is supplied via the entrance 300 through the feed opening 304 at the upper end 202 of the container 200.
  • the heat transfer medium 210 spreads on the inner wall 218 and thereby forms a heat transfer medium film 212.
  • the heat transfer medium 210 is fed into the interior 208 of the container 200 via the entrance 300, which is arranged at the upper end 202 of the container 200.
  • the heat transfer medium 210 can be transported, in particular conveyed, along the inner wall 218 from the end 202 at which it is supplied to an end 204 of the container 200 opposite this end 202, on which the aperture opening 416 is arranged, along the inner wall 218, in order to ensure a continuous flow of heat transfer medium 210 to be exposed to solar radiation 112 and thus heated.
  • the entrance 300 is formed from a conical front wall 302 and a conical rear wall 308 directed towards the interior 208 of the container 200, which are arranged coaxially and one above the other in the axial direction.
  • a cone angle can be, for example, between 30° and 90°, preferably between 45° and 80°.
  • guide elements 310 are arranged aligned in the radial direction 238, which are connected to the rear wall 308.
  • the guide elements 310 can also be connected to the inner wall 206 or overlapping alternately with the rear wall 308 and the inner wall 206. In the prior art, these guide elements 310 are straight.
  • the heat transfer medium 210 is introduced into the entrance 300 via a feed opening 304 arranged in a tip of the conical front wall 302 and is guided outwards between guide elements 310 in the radial direction 238 to the inner wall 218 of the container 200.
  • the heat transfer medium 210 is distributed on the inner wall 218 and guided downwards towards the exit 400 by gravity g.
  • the inner wall 218 of the container 200 usually has a friction-promoting device 234 so that the heat transfer medium 210 adheres as well as possible to the inner wall 218 and thus has a sufficiently long residence time in the interior 208 to absorb enough heat from the solar radiation 112.
  • the heated heat transfer medium 210 is then available for further use, for example for generating electricity in the solar thermal power plant.
  • the heat transfer medium 210 can advantageously be flowable or free-flowing.
  • the heat transfer medium 210 can be formed by particles.
  • the heat transfer medium 210 comprises particles or particles of sintered bauxite or is formed from particles or particles of sintered bauxite.
  • the particles or particles may preferably have an average particle diameter of about 250 pm to about 1.8 mm.
  • powdered media with much smaller grain sizes, such as cement powder can also be used.
  • there is no agglomeration of particles or particles in the heat transfer medium up to at least approximately 800 ° C, in particular up to at least approximately 1,000 ° C.
  • the particles preferably have a high sphericity.
  • the sphericity i.e. the ratio of the surface of a sphere of the same volume to the surface of the particle, can be in particular greater than approximately 0.8, in particular greater than approximately 0.9.
  • the particles or particles can be thermal shock resistant.
  • the axis of rotation can advantageously be parallel or at an acute angle of less than or equal to 90°, preferably less than or equal to 80°, to the direction of gravity g.
  • the axis of rotation can be coaxial with the longitudinal axis of the container.
  • a heat transfer medium film 212 can be formed particularly favorably on the inner wall of the rotating container, so that the most uniform possible heat transfer to the heat transfer medium can be achieved.
  • the container 200 can advantageously be made of steel. Due to the high temperatures of the heat transfer medium 210, the inner wall 218 is expediently made of a high-temperature-resistant stainless steel or another high-temperature alloy such as Inconel. Dimensions of the container 200 can, for example, be up to 8 m long and 5 m in diameter.
  • the wall thickness of the inner wall 218 can be, for example, 6 mm, while the outer wall 206 can have a wall thickness of, for example, 12 mm. With such values, a weight of approximately 6 t up to 20 t can result for the container 200 with an associated thermal insulation between the inner wall 218 and the outer wall 206.
  • Ceramic fiber mats can advantageously be used as thermal insulation between the inner wall 218 and the outer wall 206.
  • the outer wall 206 can additionally have thermal insulation made of microporous fibers, which can be pressed into plates, on an outer side 240.
  • expansion values between the inner wall 218, which is heated to approximately 900 ° C by the heat transfer medium 210, and the outer wall 206, which is at a temperature of approximately 100 ° C, can be up to 70 mm in the radial direction 238 and up to 150 mm occur in the longitudinal direction 215.
  • Figure 2 shows a housing 220 of a container 200 of the receiver device 110 according to an exemplary embodiment of the invention in an isometric view.
  • the housing 220 extends in the longitudinal direction 215 and surrounds an interior 208.
  • the housing 220 is double-walled and has an outer wall 206 and an inner wall 218 surrounded by it. Outer wall 206 and inner wall 218 are hollow cylindrical.
  • the inner wall 218 is formed from a large number of surface segments 10 which are joined together without gaps in the radial direction 238 transversely to the longitudinal direction 215. With an inner diameter of the housing 220 of approximately 5 m, the surface segments 10 can, for example, have dimensions of 0.25 mx 0.25 m.
  • the surface segments 10 can expediently be designed as ceramic elements in the form of tiles.
  • the dimensions can be, for example, 0.25 m x 0.25 m, with an inner diameter of the inner wall 218 of approximately 5 m.
  • a thermal insulation 20 is arranged between the inner wall 218 and the outer wall 206, which is designed to be at least partially resilient, at least in the radial direction.
  • polycrystalline wool can be used, such as that used in exhaust gas catalytic converters.
  • the radial outward movement can be limited by an elastic insulation 20 between the inner wall 218 and the outer wall 206.
  • This insulation 20 can generate a preload in the form of first spring elements 40, so that a surface-applied force from the outside permanently acts on the inner wall 218.
  • the elastic insulation 20 is then compressed. During the cooling process, the insulation 20 can relax again. It is therefore no longer necessary to provide an expansion gap to accommodate the radial expansion.
  • thermal bridges no longer have to be passed through the insulation 20 in order to support the inner wall 218 in the radial direction.
  • first spring elements 40 can be arranged between the inner wall and the outer wall in addition to the elastic insulation 20.
  • Figure 3 shows a cross section through the housing 220 according to Figure 2 with the inner wall 218 and the first spring elements 40. Insulation 20 and first spring elements 40 are shown schematically as spiral springs.
  • the surface segments 10 are arranged on the circumference of the inner wall 218 in such a way that end faces 12, 14 of adjacent surface segments 10 form an overlap 50 in the circumferential direction 242 and mesh with one another.
  • the surface segments 10 each have a tongue-and-groove contour 24, 26 on their end faces 12, 14, which interacts with a tongue-and-groove counter-contour 25, 27 of an adjacent surface segment 10.
  • the surface segments 10 are curved in the circumferential direction 242 in the form of a circular arc section, and thus form part of a hollow cylinder jacket.
  • the end faces 12, 14, 16, 18 of the surface segments 10 have a triangular tongue-and-groove contour 24, 26 in the direction of a thickness extension 22 of the surface segments 10.
  • the tongue and groove contour 24, 26 it is also possible for the tongue and groove contour 24, 26 to be semicircular or rectangular or in another favorable shape. In this way, a defined positive fit for interlocking interlocking of adjacent surface segments 10 can be achieved.
  • the inner wall 218 is supported against the outer wall 206 in the radial direction 238 by means of the first spring elements 40.
  • the thermal insulation 20 can form the first spring elements 40, which support the inner wall 218 against the outer wall 206.
  • the inner wall 218 can expediently be arranged prestressed against the outer wall 206 in the radial direction 238 by means of the first spring elements 40. In this way, a surface-applied force can permanently act on the inner wall 218 from the outside. In the event of radial thermal expansion, the first spring elements 40 are then compressed. During the cooling process, the first spring elements 40 can relax again.
  • FIG. 3 The movement of the inner wall 218 due to thermal expansion is shown in FIG. 3 with an arrow 46.
  • Figure 4 shows a longitudinal section through an inner wall 218 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the inner wall 218 is supported in the circumferential direction 242 by means of a fixed bearing 30 against the outer wall 206, not shown.
  • the fixed bearing 30 can be designed to fix the respective surface segments 10 in the circumferential direction 242.
  • the outer wall 206 is not shown.
  • the fixed bearing 30 blocks movement of the inner wall 218 against the outer wall 206 in the circumferential direction 242 and, at the location of the respective surface segments 10 on which the fixed bearing 30 is arranged, in the longitudinal direction 215.
  • the surface segments 10 also have a tongue-and-groove contour 26 on their end faces 16, 18 in the longitudinal direction 215, which interacts with a tongue-and-groove counter-contour 27 of an adjacent surface segment 10.
  • the tongue and groove principle can also be used between the connection of the surface segments 10 in the longitudinal direction 215. In this way, a stable connection of adjacent surface segments 10 in the radial direction 238 can be achieved.
  • the inner wall 218 is elastically supported in the longitudinal direction 215 against the outer jacket 206 by means of second spring elements 42.
  • the second spring elements 42 are arranged on the end face 26 of the lowest surface segments 10 in the direction of gravity g.
  • the second spring elements 42 which are arranged opposite the fixed bearing 30, are tensioned. During cooling, the second spring elements 42 press the surface segments 10 back again.
  • the second spring elements 42 can be formed from an elastic insulation 20 or from metallic spring elements.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a container 200 with an inner wall 218 and an outer wall 206 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the inner wall 218 also has surface segments 10, which are joined together according to the tongue and groove principle.
  • elastic retraction elements 44 are arranged between at least some of the surface segments 10 and the outer wall 206, by means of which the surface segments 10 are prestressed or can be prestressed in the longitudinal direction 215 against the outer wall 206.
  • the retraction elements 44 When heated, the surface segments 10 are pushed away in the longitudinal direction from the fixed bearing 30 of the inner wall 218 by sliding on the elastic insulation 20.
  • the retraction elements 44 which are arranged opposite the fixed bearing 30, are tensioned. During cooling, the retraction elements 44 pull the surface segments 10 back again.
  • the retraction elements 44 can be formed from an elastic insulation 20 or from ceramic or metallic spring elements.
  • the retraction elements 44 as well as the first and second spring elements 40, 42 of the previous exemplary embodiments can advantageously be designed as a spring element made of metal or ceramic or as a thermal insulation 20, which is at least partially resilient.
  • retraction elements 44 can be formed from the elastic, thermal insulation 20, not shown.
  • the retraction elements 44 may be arranged between the inner wall and the outer wall.
  • the retraction elements 44 can be partially formed from the elastic, thermal insulation 20; additional retraction elements 44 can also be arranged between the inner wall and the outer wall.
  • the inner wall 218 is mounted against the outer wall 206 with a fixed bearing 30, not shown in FIG.
  • the fixed bearing 30 can be arranged in the longitudinal direction 215 at an upper end 32 of the inner casing 218 in the direction of gravity g or along a length 28 of the inner wall 218.
  • the position of the fixed bearing 30 in the longitudinal direction 215 can be arranged at any point along the entire length 28 of the inner wall 218.
  • Figure 6 shows a longitudinal section through an inner wall 218 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the surface segments 10 are arranged to overlap like a roof tile in the longitudinal direction 215, with at least some of the surface segments 10 being arranged to overlap like a roof tile on their end faces 16, 18.
  • rings formed in the circumferential direction 242 from surface segments 10, which are connected in the circumferential direction 242 according to the tongue and groove principle, can be constructed in such a way that they overlap one another. This means that the thermal expansion of the individual surface segments 10 does not add up, since the surface segments 10 partially slide over one another during thermal expansion in the longitudinal direction 215. The thermal expansion has only low values.
  • the movement of the surface segments 10 in the longitudinal direction 215 due to the thermal expansion is shown in FIG. 6 with an arrow 48.
  • the overlap 50 is shown as an example on a surface segment 10 and can change due to the movement of the surface segments 10 in the longitudinal direction 215.
  • the surface segments 10 can expediently be positively connected to the thermal insulation 20 (not shown) in the radial direction 238. In order to maintain their position in the longitudinal direction 215 of the inner wall 218, the surface segments 10 can have a positive connection to the insulation 20 between the inner wall 218 and the outer wall 206.
  • the surface segments 10 can also be connected to the outer wall 206 by means of holding elements, in particular by means of metallic or ceramic holding elements.
  • each individual surface segment 10 can also be supported on the outer jacket 206 by metallic or ceramic holding elements.
  • Figure 7 shows a longitudinal section through an inner wall 218 according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the inner wall 218 is supported in the circumferential direction 242 and in the longitudinal direction 215 by means of a fixed bearing 30 against the outer wall 206, not shown.
  • the fixed bearing 30 is designed as a stop against the outer wall 206 on the lower end face 26 of the lowest ring of the surface segments 10.
  • the outer wall 206 as a counter bearing is not shown.
  • the fixed bearing 30 blocks movement of the inner wall 218 against the outer wall 206 in the circumferential direction 242 and, at the location of the lowest surface segments 10 on which the fixed bearing 30 is arranged, in the longitudinal direction 215.
  • the surface segments 10 have a tongue-and-groove contour 26 on their end faces 16, 18 in the longitudinal direction 215, which has a tongue-and-groove counter-contour 27 of an adjacent one Surface segment 10 interacts.
  • the inner wall 218 is elastically supported in the longitudinal direction 215 against the outer jacket 206 by means of second spring elements 42.
  • the second spring elements 42 are arranged on the end face 16 of the uppermost surface segments 10 in the direction of gravity g.
  • the second spring elements 42 which are arranged opposite the fixed bearing 30, are tensioned. During cooling, the second spring elements 42 press the surface segments 10 back again.
  • the second spring elements 42 can be formed from an elastic insulation 20 or from metallic spring elements.
  • the surface segments 10 can advantageously have a surface structure for a predetermined setting of a frictional resistance and/or rolling resistance of the heat transfer medium 210. In this way, the speed at which heat transfer medium film 212 (see FIG. 1) slides downward on an inside of the inner wall 218 in the direction of gravity g can be influenced. As a result, a transfer of the heat from the solar radiation 112 to the heat transfer medium 210 can be varied and advantageously optimized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Empfängervorrichtung (110) für Solarstrahlung (112) mit einem Behälter (200) zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums (210) in einem solarthermischen Kraftwerk, mit einem sich in einer Längsrichtung (215) erstreckenden wenigstens doppelwandigen Gehäuse (220), das einen Innenraum (208) umgibt und das eine Außenwand (206) und eine davon umgebene Innenwand (218) aufweist, wobei die Innenwand (218) aus einer Vielzahl von in radialer Richtung (238) quer zur Längsrichtung (215) gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten (10) gebildet ist, wobei Stirnseiten (12, 14, 16, 18) jeweils benachbarter Flächensegmente (10) wenigstens in einer Umfangsrichtung (242) einen Überlapp (50) bilden.

Description

Beschreibung
Titel
Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk.
Empfängervorrichtungen für Solarstrahlung nach dem Stand der Technik sind bekannt als solare Partikelempfänger für Solarturmkraftwerke. Solche Empfängervorrichtungen verwenden einen rotierenden hohlzylinderförmigen Behälter, in dem sich an der Innenwand des rotierenden Zylinders ein geschlossener Film von keramischen Partikeln mit einem Durchmesser von typischerweise 1 mm oder kleiner als Wärmeträgermedium ausbildet. Dieser Partikelfilm wird mittels konzentrierter Solarstrahlung auf über 1000°C erhitzt und anschließend aus dem Zylinder abgeführt. Die in den Partikeln gespeicherte Energie kann in einem isolierten Behälter zwischengespeichert werden und zur Stromerzeugung und/oder in Prozesswärmeanwendungen verwendet werden. Aus der DE 102014106320 A1 ist eine Vorrichtung mit einem Solarstrahlungsempfänger bekannt, welche einen Behälter umfasst, der eine Außenwand und einen von der Außenwand umgebenen Innenraum umfasst.
Die Vorrichtung umfasst eine Zufuhrvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeträgermediums zu dem Innenraum des Behälters. Der Behälter ist mittels einer Drehantriebsvorrichtung der
Solarstrahlungsempfängervorrichtung derart um eine Drehachse drehbar, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenwand des Behälters entlanggeführt wird. Dabei umfasst die Vorrichtung mindestens ein Überlaufelement zur Ausbildung einer rotationssymmetrischen inneren Oberfläche des Wärmeträgermedium-Films.
Aus der WO 2021 233 526 A1 ist eine Wärmeübertragervorrichtung, insbesondere ein Solarstrahlungsempfänger bekannt, welche eine Heizkammer, welche eine Wandung und einen von der Wandung umgebenen Innenraum umfasst. Weiter umfasst die Wärmeübertragervorrichtung eine Drehantriebsvorrichtung und eine Zuführvorrichtung zur Zuführung eines Wärmeträgermediums zu dem Innenraum der Heizkammer. Die Heizkammer ist mittels der Drehantriebsvorrichtung derart um eine Drehachse drehbar, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung der Heizkammer entlangführbar ist. Aus der JP H02- 302 582 A sind feuerfeste Materialien, insbesondere Steine, welche für die Innenauskleidung von Drehrohröfen verwendet werden, bekannt. Eine Grenzfläche zwischen einer feuerfesten Schicht und einer Isolierschicht der Materialien weist eine Wellenform auf, wobei die Wellenköpfe in der Umfangsrichtung einer Schale des Drehofens verbunden sind und die ansteigenden und abfallenden Teile der Wellen senkrecht zur Schale verlaufen. Hierbei widersteht die Haftkraft zwischen der feuerfesten Schicht und der Isolierschicht der Reibungsspannung, welche durch die Bewegung des gebrannten Objekts im Gebrauch verursacht wird.
Aus der DE 12 70 728 A1 ist ein Drehtrommelofen zur Müllverbrennung bekannt. Der Drehtrommelofen umfasst einen Außenmantel aus Strahl und einen Innenmantel, welcher von einer Vielzahl von Flächenelementen in Form von Schamottesteinen ausgebildet ist. Hierbei Überlappen die Stirnseiten der Schamottesteine durch Nuten und Federn.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige und wartungsfreundliche Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk vorgeschlagen, mit einem sich in einer Längsrichtung erstreckenden wenigstens doppelwandigen Gehäuse, das einen Innenraum umgibt und das eine Außenwand und eine davon umgebene Innenwand aufweist. Zwischen der Innenwand und der Außenwand ist eine thermische Isolierung angeordnet. Die Innenwand ist aus einer Vielzahl von in radialer Richtung quer zur Längsrichtung gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten gebildet, wobei Stirnseiten jeweils benachbarter Flächensegmente wenigstens in einer Umfangsrichtung einen Überlapp bilden. Die Innenwand ist gegen die Außenwand in radialer Richtung wenigstens teilweise mittels ersten Federelementen abgestützt. Die thermische Isolierung bildet die ersten Federelemente.
Die thermische Isolierung ist hierbei wenigstens in radialer Richtung wenigstens teilweise federnd ausgebildet. Im Folgenden werden die Begriffe Isolierung und/oder thermische Isolierung und/oder federnde Isolierung und/oder elastische Isolierung, für die Isolierung zwischen der Innenwand und der Außenwand verwendet, da die Isolierung zwischen der Innenwand und der Außenwand erfindungsgemäß zumindest thermisch isolierende Eigenschaften und federnde bzw. elastische Eigenschaften aufweist.
Der Behälter der Empfängervorrichtung kann beispielsweise als rotierende Trommel ausgebildet sein, in der sich an der Innenwand des rotierenden Zylinders ein geschlossener Film keramischer Partikel mit einem Durchmesser typischerweise von höchstens 1 mm ausbildet. Dieser Partikelfilm wird mittels konzentrierter Solarstrahlung auf über 1000°C erhitzt und anschließend abgeführt. Es können Temperaturen von beispielsweise 1100°C und mehr auftreten. Die in den Partikeln gespeicherte Energie kann in einem isolierten Behälter zwischengespeichert werden und zur Stromerzeugung und/oder in Prozesswärmeanwendungen verwendet werden. Die Empfängervorrichtung weist einen Eingang zum Zuführen des Wärmeträgermediums zu dem Behälter und einen Ausgang zum Ableiten des Wärmeträgermediums aus dem Behälter auf.
Vorteilhaft können die besonderen Anforderungen an den Aufbau und die Lagerung der Bauteile der rotierenden Trommel durch die erfindungsgemäße Empfängervorrichtung erfüllt werden. An der Innenwand, an der die Partikel entlanggeführt sind, weist die üblicherweise mit einer Hochtemperaturlegierung ausgeführte Lauffläche im Betrieb für die Partikel eine Temperatur von mindestens 900°C auf.
Dies hat zur Folge, dass die üblicherweise aus Metall gefertigte Innenwand große thermische Dehnungen in axialer und radialer Richtung erfährt. Zwischen der heißen Lauffläche der Innenwand und der Außenwand des Behälters befindet sich die thermische Isolierung, damit die Energieflüsse zu der Außenwand in vorteilhafter Weise reduziert werden und die Außenwand in der Regel maximal 100°C heiß wird. Somit liegen an der Außenwand geringere thermische Dehnungen vor.
Ein weiterer Vorteil der thermischen Isolierung ist, dass bei einem Einbau oder Ausbau der Innenwand, die Innenwand auf der thermischen Isolierung gleiten kann oder von der thermischen Isolierung elastisch geführt werden kann. Des Weiteren kann beim Einbau oder Ausbau der Außenwand, die Außenwand auf der thermischen Isolierung gleiten oder von der thermischen Isolierung elastisch geführt werden. Die Dehnungsunterschiede werden üblicherweise durch eine Lagerungskonstruktion zwischen Innenwand und Außenwand kompensiert. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Innenwand trotzdem annähernd die gleiche Rotationsachse aufweist wie die Außenwand und nicht gegen die Außenwand verschoben wird. Dieses wird üblicherweise mit Festlagern und Loslagern erreicht. Loslager sperren die Relativbewegung in Rotationsrichtung. Festlager sperren die Relativbewegung in Rotationsrichtung und Längsrichtung.
Bei der vorgeschlagenen Empfängervorrichtung wird dagegen die gesamte Fläche der Innenwand aus vielen einzelnen, voneinander getrennten Flächensegmenten, beispielsweise Keramikelementen, zusammengesetzt, welche wenigstens teilweise überlappend angeordnet werden. Dazu kann in Umfangsrichtung das Nut-Feder-Prinzip zur Verbindung von gekrümmten oder planen Flächensegmente angewandt werden, sodass benachbarte Flächensegmente an ihren Stirnseiten wenigstens teilweise überlappend aneinander stoßen. Außer dem Nut- Feder-Prinzip sind auch andere Möglichkeiten der Verbindung der Flächensegmente und auch andere Möglichkeiten, beispielsweise eine dachziegelartige Überlappung, zum Erzeugen der Überlappung möglich. Damit ist eine Bewegung der Flächensegmente in radialer Richtung nach innen nicht mehr möglich.
Zudem ist die Innenwand gegen die Außenwand in radialer Richtung wenigstens teilweise mittels der ersten Federelemente abgestützt. Hierbei kann dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand wirken. Auf diese Weise kann eine radiale Bewegung der Flächensegmente nach außen begrenzt werden. In vorteilhafter Weise bildet die elastische Isolierung zwischen der Innenwand und der Außenwand zumindest einen Teil der Federelemente aus und kann vorgespannt sein, sodass die elastische Isolierung dauerhaft die flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand ausübt oder eine Fläche aufweist, auf welcher sich die Innenwand abstützt, wodurch die radiale Bewegung der Flächensegmente nach außen begrenzt werden kann.
Bei einer radialen Wärmedehnung wird die Isolierung bzw. die werden die ersten Federelemente komprimiert. Während des Abkühlvorgangs kann die Isolierung bzw. können sich die Federelemente wieder entspannen.
Zusätzlich zur Isolierung können weitere geeignete Elemente erste Federelemente bilden. Beispielsweise sind zusätzliche Federelemente aus Metall oder Keramik vorstellbar.
Es muss somit zur Aufnahme der radialen Dehnung kein Dehnungsspalt mehr vorgesehen werden. Darüber hinaus müssen keine Wärmebrücken mehr durch die Isolierung geführt werden, um die Innenwand in radialer Richtung zu lagern.
Die thermische Isolierung mit federnder Wirkung kann beispielsweise durch polykristalline Wolle realisiert werden, wie sie beispielsweise in Abgaskatalysatoren eingesetzt ist. Dieses Material erreicht auch bei Temperaturen über 1000°C eine ausreichende Elastizität, um eine vorgegebene Federkraft auf die Flächensegmente aufzuweisen. Handelsübliche Produkte sind beispielsweise mit Zusammensetzungen der Wolle von 72% AI2O3 und 28% SiÜ2 oder 80% AI2O3 und 20% SiÜ2 (bestimmt durch chemische Analyse nach DIN EN 955-2; 4) erhältlich. Als Vorspannkraft genügt eine Kraft von wenigen Newton. Es sind jedoch auch andere Materialien mit vergleichbaren Eigenschaften als thermische Isolierung einsetzbar.
Die thermische Isolierung kann in vorteilhafter Weise mehrere Aufgaben erfüllen. Beispielsweise kann die thermische Isolierung Energieflüsse zu der Außenwand reduzieren, so dass an der Außenwand geringere thermische Dehnungen vorliegen. Weiter kann die thermische Isolierung als Gleitfläche und/oder als Führung, insbesondere als federnde Führung, beim Einbau oder Ausbau der Innenwand oder der Außenwand wirken. Weiter kann die thermische Isolierung als Gleitfläche und/oder als Führung, insbesondere als federnde Führung, der Flächensegmente bei einer Ausdehnung der Flächensegmente in Längsrichtung wirken. Des Weiteren kann die thermische Isolierung eine elastische Wirkung oder eine stützende Wirkung aufweisen, welche im Betrieb die radiale Bewegung der Innenwand nach außen begrenzt.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung einzelner Flächensegmente stellt die mögliche vielseitige Formgebung dar. Außerdem kann die Fertigung einer hohen Stückzahl von Flächensegmenten als Gleichteilen kostengünstig realisiert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann zumindest ein Teil der Flächensegmente an ihren Stirnseiten eine Nut- Feder-Kontur aufweisen, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur eines benachbarten Flächensegments zusammenwirkt. Auf diese Weise können die Flächensegmente wenigstens teilweise ineinander greifen, sodass sie sich sowohl senkrecht zur Fläche der Flächensegmente nicht mehr in radialer Richtung der Innenwand nach innen bewegen können. Wenn die Stirnseiten benachbarter Flächensegmente gegeneinander verpresst sind, bilden die Flächensegmente eine stabile hohlzylinderförmige Innenwand. Eine Bewegung der Flächensegmente in radialer Richtung nach außen auf Grund der thermischen Ausdehnung ist dagegen möglich.
In alternativen Ausführungsformen können ein Teil der Flächensegmente mit Nuten an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten ausgebildet sein und ein weiterer Teil mit Federn an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten ausgebildet sein. Für eine geschlossene Innenwand können dann die beiden Ausführungsformen jeweils abwechselnd aneinander gefügt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann ein Teil der Flächensegmente an ihren Stirnseiten dachziegelartig überlappend angeordnet sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Flächensegmente einen Überlapp bilden, sodass sie sich bei thermischer Ausdehnung wenigstens teilweise übereinander schieben können. Dabei können günstiger Weise die geometrischen Dimensionen der Innenwand weitestgehend konstant bleiben.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente einen keramischen Werkstoff aufweisen, insbesondere können die Flächensegmente aus einem keramischen Werkstoff gebildet sein. Die Innenwand kann vorteilhaft aus keramischen Materialien aufgebaut werden statt aus einer entsprechenden Metalllegierung. Aufgrund des höheren Schmelzpunktes von Keramiken sind entsprechend auch höhere Einsatztemperaturen über 1000°C erreichbar, um weitere Prozesswärmeanwendungen in diesem Temperaturbereich erschließen zu können. Weiterhin werden bei dem Einsatz von keramischen Werkstoffen auch deutliche Lebensdauerverbesserungen der Innenwand bei Temperaturen bis 1000°C erwartet. Weiterhin weisen Keramiken einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Metalle auf, wodurch die Lagerung der heißen Innenwand in der kalten Außenwand entsprechend weniger Verformungsweg aufnehmen muss und räumlich kleiner ausfallen kann.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand gegen die Außenwand in radialer Richtung mittels der ersten Federelemente, insbesondere mittels der die ersten Federelemente zumindest teilweise ausbildenden elastischen Isolierung vorgespannt angeordnet sein. Auf diese Weise kann dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand wirken. Bei einer radialen Wärmedehnung werden die ersten Federelemente bzw. die elastische Isolierung dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs können die ersten Federelemente bzw. kann die elastische Isolierung wieder entspannen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente eben oder in Umfangsrichtung gekrümmt, insbesondere als Teil eines Hohlzylindermantels, ausgebildet sein. Mit ebenen Flächensegmenten kann die Innenwand als Hohlkörper mit polygonförmigem Querschnitt ausgebildet sein. Mit gekrümmten Flächensegmenten, welche einem Kreisbogenausschnitt entsprechen, kann eine hohlzylinderförmige Gestalt der Innenwand realisiert werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand in Umfangsrichtung mittels eines Festlagers gegen die Außenwand abgestützt sein. Das Festlager kann günstigerweise die Relativbewegung der Innenwand in Rotationsrichtung und, an der Stelle des Festlagers, in Längsrichtung sperren. In radialer Richtung ist dagegen eine Bewegung auf Grund der thermischen Ausdehnung möglich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann das Festlager als Anschlag gegen die Außenwand auf der Stirnseite der Flächensegmente und/oder als Fixierung der jeweiligen Flächensegmente in Umfangsrichtung und in Längsrichtung ausgebildet sein. Dabei ist die Bewegung der Flächensegmente, an denen das Festlager angeordnet ist, in Umfangsrichtung und in Längsrichtung gesperrt. Auf diese Weise kann günstigerweise die Relativbewegung der Innenwand in Rotationsrichtung und, an der Stelle der fixierten Flächensegmente, in Längsrichtung gesperrt werden. Beispielsweise kann das Festlager an einer in Schwerkraftrichtung unteren Stirnseite des untersten Rings an Flächensegmenten angeordnet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente an ihren Stirnseiten in Längsrichtung eine Nut- Feder-Kontur aufweisen, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur eines benachbarten Flächensegments zusammenwirkt. Das Nut-Feder-Prinzip kann auch zwischen der Verbindung der Flächensegmente in Längsrichtung angewandt werden. Auf diese Weise kann eine stabile Verbindung benachbarter Flächensegmente in radialer Richtung erreicht werden. Bei Erwärmung werden die Flächensegmente vom Festlager der Innenwand weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung gleiten. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann die Innenwand in Längsrichtung gegen den Außenmantel mittels zweiter Federelemente elastisch abgestützt sein. Insbesondere können die zweiten Federelemente an der Stirnseite der in Schwerkraftrichtung untersten Flächensegmente angeordnet sein. Bei Erwärmung werden die Flächensegmente in Längsrichtung vom Festlager der Innenwand weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung gleiten. Dabei werden zweite Federelemente gespannt, die dem Festlager gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens drücken die zweiten Federelemente die Flächensegmente wieder zurück. Die zweiten Federelemente können aus einer elastischen Isolierung oder aus metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können zwischen wenigstens einem Teil der Flächensegmente und der Außenwand elastische Rückziehelemente angeordnet sein, mittels welcher die Flächensegmente mit Federkraft in Längsrichtung gegen die Außenwand vorgespannt oder vorspannbar sind. Bei Erwärmung werden die Flächensegmente in Längsrichtung vom Festlager der Innenwand weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung gleiten. Dabei werden die Rückziehelemente gespannt, die dem Festlager gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens ziehen die Rückziehelemente die Flächensegmente wieder zurück. Die Rückziehelemente können aus einer elastischen Isolierung oder aus keramischen oder metallischen Federelementen ausgebildet sein. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die ersten und/oder zweiten Federelemente und/oder die Rückziehelemente als Federelement aus Metall oder Keramik oder als thermische Isolierung ausgebildet sein, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine definierte Federwirkung erreicht werden.
Hierbei ist zumindest ein Teil der ersten Federelemente als thermische Isolierung ausgebildet, weitere erste Federelemente können aus Metall oder Keramik oder einer weiteren thermischen Isolierung ausgebildet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung kann das Festlager in Längsrichtung an einem in Schwerkraftrichtung oberen Ende des Innenmantels oder entlang einer Länge der Innenwand angeordnet sein. Günstigerweise kann die Position des Festlagers in Längsrichtung an einer beliebigen Stelle entlang der ganzen Länge der Innenwand angeordnet sein. Beispielsweise kann das Festlager auch an einer in Schwerkraftrichtung unteren Stirnseite des untersten Rings an Flächensegmenten angeordnet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente in Längsrichtung dachziegelartig überlappend angeordnet sein. In Längsrichtung können die in Umfangsrichtung ausgebildeten Ringe aus Flächensegmenten, welche in Umfangsrichtung nach dem Nut-Feder-Prinzip verbunden sind, so aufgebaut sein, dass sie sich überlappen. Damit addiert sich die Wärmedehnung der einzelnen Flächensegmente nicht auf, da sich die Flächensegmente bei thermischer Ausdehnung in Längsrichtung teilweise übereinander schieben. Dabei weist die Wärmedehnung nur geringe Werte auf. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente mit der thermischen Isolierung in radialer Richtung formschlüssig verbunden sein. Um die Position in der Längsrichtung der Innenwand beizubehalten, können die Flächensegmente eine formschlüssige Verbindung zu der Isolierung zwischen Innenwand und Außenwand aufweisen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente mit der Außenwand mittels Halteelementen, insbesondere mittels metallischer oder keramischer Halteelemente, verbunden sein. In einer alternativen Ausführungsform kann jedes einzelne Flächensegment, um die Position in der Längsrichtung der Innenwand beizubehalten, auch durch metallische oder keramische Halteelemente am Außenmantel gelagert sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Stirnseiten der Flächensegmente in Richtung einer Dickenausdehnung der Flächensegmente eine dreieckförmige oder eine halbrunde oder eine rechteckige Nut-Feder-Kontur aufweisen. Auf diese Weise kann ein definierter Formschluss für eine ineinander greifende Verzahnung benachbarter Flächensegmente erreicht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Empfängervorrichtung können die Flächensegmente eine Oberflächenstruktur für eine vorgegebene Einstellung eines Reibwiderstands und/oder Rollwiderstands des Wärmeträgermediums aufweisen. Dadurch kann ein Übertrag der Wärme der Sonnenstrahlung auf das Wärmeträgermedium variiert und vorteilhaft optimiert eingestellt werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung kann die Empfängervorrichtung eine Aperturöffnung für den Eintritt von Sonnenstrahlung an einem der Enden des Behälters umfassen, wobei der Behälter eine Längsachse aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 90° zur Schwerkraftrichtung orientiert ist. Dabei ist der Behälter in einer bestimmungsgemäßen Drehrichtung mittels einer Drehantriebsvorrichtung derart um eine Drehachse drehbar, dass das Wärmeträgermedium unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenwand des Behälters entlangführbar ist.
Mittels einer solchen Anordnung kann sich ein Wärmeträgermedium-Film auf der Innenwand des rotierenden Behälters besonders günstig ausbilden, sodass ein möglichst gleichmäßiger Wärmeübertrag von der durch die Aperturöffnung eintretenden Sonnenstrahlung auf das Wärmeträgermedium erreicht werden kann.
Vorteilhaft kann so eine homogene Verteilung des Wärmeträgermediums, welches insbesondere als Partikelstrom ausgebildet sein kann, zu Beginn der Lauffläche des Wärmeträgermediums auf der Innenwand des Behälters erreicht werden. Je homogener der Partikelfilm über die komplette Höhe der Innenwand ist, desto effizienter und gleichmäßiger werden die Partikel durch die solare Einstrahlung erhitzt.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 eine Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk in einer transparenten Darstellung;
Fig. 2 ein Gehäuse eines Behälters der Empfängervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung;
Fig. 3 einen Querschnitt durch das Gehäuse nach Fig. 2 mit einer Innenwand und ersten Federelementen;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Innenwand nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Behälter mit Innenwand und Außenwand nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine Innenwand nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine Innenwand nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
Figur 1 zeigt eine Empfängervorrichtung 110 für Solarstrahlung mit einem Behälter 200 zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums 210 in einem solarthermischen Kraftwerk in einer transparenten Darstellung.
Die in Figur 1 dargestellte, bekannte Empfängervorrichtung 110 umfasst einen Behälter 200, welcher mittels einer nicht dargestellten Drehantriebsvorrichtung um eine Drehachse 216 drehbar ist, sowie einen Eingang 300 zum Zuführen des Wärmeträgermediums 210 zu einem Innenraum 208 des Behälters 200 und einen Ausgang 400 zum Ableiten des Wärmeträgermediums 210 aus dem Behälter 200, welche beide mit diesem Behälter 200 verbunden sind.
Der Behälter 200 weist eine Längsachse 214 auf, welche parallel oder in einem spitzen Winkel von typischerweise kleiner oder gleich 90° zur Schwerkraftrichtung g, die in der Figur durch einen senkrechten Pfeil symbolisiert ist, orientiert ist.
Der Behälter 200 umfasst insbesondere einen hohlzylindrischen Grundkörper, welcher den von einer Außenwand 206 umgebenen kreiszylinderförmigen Innenraum 208 umfasst. Beabstandet zur Außenwand 206 ist eine Innenwand 218 angeordnet, die den Innenraum 208 umgibt. Der Behälter 200 weist zwischen der außen liegenden Außenwand 206 und der Innenwand 218 eine nicht dargestellte thermische Isolation auf, damit auf der Außenseite 240 des Behälters 200 Temperaturen von ca. 100° C eingehalten werden können, obwohl eine Temperatur der Innenwand 218 durch das aufgeheizte Wärmeträgermedium 210 bei mindestens 900° C oder höher, beispielsweise 1100°C liegen kann.
Die Empfängervorrichtung 110 weist eine Aperturöffnung 416 für den Eintritt von Sonnenstrahlung 112 am unteren Ende 204 des Behälters 200 auf.
Der Behälter 200 ist in einer bestimmungsgemäßen Drehrichtung 236 mittels einer Drehantriebsvorrichtung derart um eine Drehachse 216 drehbar, dass das Wärmeträgermedium 210 unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films 212 an der Innenwand 218 des Behälters 200 entlanggeführt wird. Das Wärmeträgermedium 210 und der Wärmeträgermedium-Film 212 sind in Figur 1 auf der dem Innenraum 208 zugewandten Seite der Innenwand 218 nur angedeutet.
Die Drehachse 216 schließt mit der Schwerkraftrichtung g einen Winkel 222 ein, der zwischen 0° und 90° liegen kann und typischerweise ungefähr 45° betragen kann, wobei die Längsachse 214 zweckmäßigerweise koaxial zu der Drehachse 216 ausgerichtet ist.
Das bezüglich der Schwerkraftrichtung g untere Ende 204 des Behälters 200 ist offen ausgebildet, so dass die Aperturöffnung 416 des Behälters 200 gebildet ist, durch welche Solarstrahlung 112 in den Innenraum 208 des Behälters 200 eintreten kann. Zur Aufnahme der mittels der Solarstrahlung 112 übertragenen Wärme wird die Innenwand 218 des Behälters 200 mit einem Wärmeträgermedium 210 versehen, welches über den Eingang 300 durch die Zuführungsöffnung 304 am oberen Ende 202 des Behälters 200 zugeführt wird.
Aufgrund der Rotation des Behälters 200 um die Drehachse 216 breitet sich das Wärmeträgermedium 210 auf der Innenwand 218 aus und bildet hierdurch einen Wärmeträgermedium-Film 212.
Das Wärmeträgermedium 210 wird über den Eingang 300, welcher am oberen Ende 202 des Behälters 200 angeordnet ist, in den Innenraum 208 des Behälters 200 zugeführt.
Das Wärmeträgermedium 210 ist von dem Ende 202, an dem es zugeführt wird, zu einem diesem Ende 202 gegenüberliegenden Ende 204 des Behälters 200, an welchem die Aperturöffnung 416 angeordnet ist, entlang der Innenwand 218 transportierbar, insbesondere förderbar, um einen kontinuierlichen Strom von Wärmeträgermedium 210 mit Solarstrahlung 112 zu beaufschlagen und somit zu erhitzen.
Der Eingang 300 ist aus einer konusförmigen Vorderwand 302 und einer konusförmigen, zum Innenraum 208 des Behälters 200 gerichteten Rückwand 308 gebildet, welche koaxial und in axialer Richtung übereinander angeordnet sind. Ein Konuswinkel kann beispielsweise zwischen 30° und 90°, bevorzugt zwischen 45° und 80° liegen. Zwischen der Vorderwand 302 und der Rückwand 308 sind Leitelemente 310 in radialer Richtung 238 ausgerichtet angeordnet, welche mit der Rückwand 308 verbunden sind. Die Leitelemente 310 können in anderen Ausführungsbeispielen auch mit der Innenwand 206 oder überlappend abwechselnd mit der Rückwand 308 und der Innenwand 206 verbunden sein. Im Stand der Technik sind diese Leitelemente 310 gerade ausgebildet.
Das Wärmeträgermedium 210 wird dabei über eine in einer Spitze der konusförmigen Vorderwand 302 angeordnete Zufuhröffnung 304 in den Eingang 300 eingeführt und zwischen Leitelementen 310 in radialer Richtung 238 nach außen an die Innenwand 218 der des Behälters 200 geleitet.
Das Wärmeträgermedium 210 wird bei der Rotation des Behälters 200 in Drehrichtung 236 auf der Innenwand 218 verteilt und durch die Schwerkraft g nach unten in Richtung Ausgang 400 geleitet.
Die Innenwand 218 des Behälters 200 weist üblicherweise eine reibungsfördernde Einrichtung 234 auf, damit das Wärmeträgermedium 210 möglichst gut an der Innenwand 218 haftet und so eine genügend lange Verweildauer im Innenraum 208 aufweist, um genügend Wärme von der Solarstrahlung 112 aufzunehmen.
Das erhitzte Wärmeträgermedium 210 steht dann zur weiteren Verwendung, beispielsweise zur Stromerzeugung in dem solarthermischen Kraftwerk zur Verfügung.
Vorteilhaft kann das Wärmeträgermedium 210 fließfähig oder rieselfähig sein. Insbesondere kann das Wärmeträgermedium 210 durch Partikel gebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium 210 Partikel oder Teilchen aus gesintertem Bauxit umfasst oder aus Partikeln oder Teilchen aus gesintertem Bauxit gebildet ist. Die Partikel oder Teilchen können vorzugsweise einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von ungefähr 250 pm bis ungefähr 1 ,8 mm aufweisen. Jedoch können auch pulverförmige Medien mit sehr viel kleineren Korngrößen, wie beispielsweise Zementmehl, eingesetzt werden. Vorzugsweise ergibt sich bei dem Wärmeträgermedium bis mindestens ungefähr 800°C, insbesondere bis mindestens ungefähr 1.000°C, keine Agglomeration von Partikeln oder Teilchen. Die Partikel weisen vorzugsweise eine hohe Sphärizität auf. Die Sphärizität, also das Verhältnis der Oberfläche einer Kugel gleichen Volumens zur Oberfläche des Partikels kann dabei insbesondere größer als ungefähr 0,8, insbesondere größer als ungefähr 0,9 sein. Vorzugsweise können die Partikel oder Teilchen thermoschockbeständig sein.
Vorteilhaft kann die Drehachse parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 90°, vorzugsweise kleiner oder gleich 80°, zur Schwerkraftrichtung g liegen. Insbesondere kann die Drehachse koaxial zur Längsachse des Behälters sein.
Dabei kann sich ein Wärmeträgermedium-Film 212 auf der Innenwand des rotierenden Behälters besonders günstig ausbilden, sodass ein möglichst gleichmäßiger Wärmeübertrag auf das Wärmeträgermedium erreicht werden kann.
Der Behälter 200 kann vorteilhaft aus Stahl gefertigt sein. Die Innenwand 218 ist dabei zweckmäßigerweise auf Grund der hohen Temperaturen des Wärmeträgermediums 210 aus einem hochtemperaturbeständigen Edelstahl oder einer anderen Hochtemperaturlegierung wie beispielsweise Inconel ausgebildet. Dimensionen des Behälters 200 können beispielsweise bis zu 8 m Länge und 5 m Durchmesser betragen. Die Wandstärke der Innenwand 218 kann beispielsweise 6 mm betragen, während die Außenwand 206 beispielsweise 12 mm Wandstärke aufweisen kann. Mit solchen Werten kann ein Gewicht von ca. 6 t bis zu 20 t für den Behälter 200 mit einer zugehörigen thermischen Isolierung zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 resultieren.
Als thermische Isolierung zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 können vorteilhaft Keramikfasermatten eingesetzt werden. Die Außenwand 206 kann an einer Außenseite 240 zusätzlich eine thermische Isolierung aus mikroporösen Fasern, die in Platten gepresst sein können, aufweisen.
Bei den angegebenen Dimensionen können Dehnungswerte zwischen der durch das Wärmeträgermedium 210 auf ca. 900° C aufgeheizten Innenwand 218 und der auf einer Temperatur von ca. 100° C befindlichen Außenwand 206 von bis zu 70 mm in radialer Richtung 238 und von bis zu 150 mm in Längsrichtung 215 auftreten.
Figur 2 zeigt ein Gehäuse 220 eines Behälters 200 der Empfängervorrichtung 110 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer isometrischen Darstellung.
Das Gehäuse 220 erstreckt sich in Längsrichtung 215 und umgibt einen Innenraum 208. Das Gehäuse 220 ist doppelwandig ausgebildet und weist eine Außenwand 206 und eine davon umgebene Innenwand 218 auf. Außenwand 206 und Innenwand 218 sind hohlzylinderförmig ausgebildet. Die Innenwand 218 ist aus einer Vielzahl von in radialer Richtung 238 quer zur Längsrichtung 215 gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten 10 gebildet. Bei einem Innendurchmesser des Gehäuses 220 von ca. 5 m können die Flächensegmente 10 beispielsweise Abmessungen von 0,25 m x 0,25 m aufweisen.
Die Flächensegmente 10 können zweckmäßigerweise als Keramikelemente in Form von Kacheln ausgebildet sein. Die Dimensionen können beispielsweise 0,25 m x 0,25 m betragen, bei einem Innendurchmesser der Innenwand 218 von ca. 5 m.
Zwischen der Innenwand 218 und der Außenwand 206 ist eine thermische Isolierung 20 angeordnet, welche wenigstens in radialer Richtung wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist. Dazu kann beispielsweise polykristalline Wolle verwendet werden, wie sie beispielsweise in Abgaskatalysatoren eingesetzt ist.
Die radiale Bewegung nach außen kann begrenzt werden durch eine elastische Isolierung 20 zwischen der Innenwand 218 und der Außenwand 206. Diese Isolierung 20 kann eine Vorspannung in Form von ersten Federelementen 40 erzeugen, sodass dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand 218 wirkt. Bei einer radialen Wärmedehnung wird die elastische Isolierung 20 dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs kann sich die Isolierung 20 wieder entspannen. Es muss somit zur Aufnahme der radialen Dehnung kein Dehnungsspalt mehr vorgesehen werden. Darüber hinaus müssen keine Wärmebrücken mehr durch die Isolierung 20 geführt werden, um die Innenwand 218 in radialer Richtung zu lagern.
In einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können zwischen der zwischen der Innenwand und der Außenwand zusätzlich zur elastischen Isolierung 20 weitere erste Federelemente 40 angeordnet sein. Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch das Gehäuse 220 nach Figur 2 mit der Innenwand 218 und den ersten Federelementen 40. Isolierung 20 und erste Federelemente 40 sind schematisch als Spiralfedern dargestellt.
Der Übersichtlichkeit halber sind Bezugszeichen, wie in den folgenden Figuren, jeweils nur an einzelnen Bauteilen angebracht.
Wie in Figur 3 erkennbar, sind die Flächensegmente 10 auf dem Umfang der Innenwand 218 so angeordnet, dass Stirnseiten 12, 14 jeweils benachbarter Flächensegmente 10 in der Umfangsrichtung 242 einen Überlapp 50 bilden und ineinander greifen. Dabei weisen die Flächensegmente 10 jeweils an ihren Stirnseiten 12, 14 eine Nut-Feder- Kontur 24, 26 auf, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur 25, 27 eines benachbarten Flächensegments 10 zusammenwirkt.
Die Flächensegmente 10 sind bei dem Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung 242 in Form eines Kreisbogenausschnitts gekrümmt, und bilden so einen Teil eines Hohlzylindermantels.
Die Stirnseiten 12, 14, 16, 18 der Flächensegmente 10 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel in Richtung einer Dickenausdehnung 22 der Flächensegmente 10 eine dreieckförmige Nut-Feder-Kontur 24, 26 auf. Alternativ ist auch möglich, dass die Nut-Feder-Kontur 24, 26 halbrund oder rechteckig oder in einer anderen günstigen Form ausgeführt ist. Auf diese Weise kann ein definierter Formschluss für eine ineinander greifende Verzahnung benachbarter Flächensegmente 10 erreicht werden.
Die Innenwand 218 wird gegen die Außenwand 206 in radialer Richtung 238 mittels der ersten Federelemente 40 abgestützt. Insbesondere kann die thermische Isolierung 20 die ersten Federelemente 40 bilden, welche die Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 abstützen.
Dabei kann die Innenwand 218 zweckmäßigerweise gegen die Außenwand 206 in radialer Richtung 238 mittels der ersten Federelemente 40 vorgespannt angeordnet sein. Auf diese Weise kann dauerhaft eine flächenhaft aufgetragene Kraft von außen auf die Innenwand 218 wirken. Bei einer radialen Wärmedehnung werden die ersten Federelemente 40 dann komprimiert. Während des Abkühlvorgangs können die ersten Federelemente 40 wieder entspannen.
Die Bewegung der Innenwand 218 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in Figur 3 mit einem Pfeil 46 dargestellt.
Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine Innenwand 218 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Innenwand 218 ist in Umfangsrichtung 242 mittels eines Festlagers 30 gegen die, nicht dargestellte, Außenwand 206 abgestützt. Das Festlager 30 kann dabei als Fixierung der jeweiligen Flächensegmente 10 in Umfangsrichtung 242 ausgebildet sein. Die Außenwand 206 ist dabei nicht dargestellt. Das Festlager 30 sperrt eine Bewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Umfangsrichtung 242 und, an der Stelle der jeweiligen Flächensegmente 10, an denen das Festlager 30 angeordnet ist, in Längsrichtung 215. Eine Bewegung der Innenwand 218 in radialer Richtung 238 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist jedoch möglich und kann durch die nicht dargestellte elastische Isolierung 20 bzw. durch die nicht dargestellten ersten Federelemente 40 erschwert werden. Die Flächensegmente 10 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel an ihren Stirnseiten 16, 18 in Längsrichtung 215 ebenfalls eine Nut-Feder-Kontur 26 auf, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur 27 eines benachbarten Flächensegments 10 zusammenwirkt.
Das Nut-Feder-Prinzip kann auch zwischen der Verbindung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 angewandt werden. Auf diese Weise kann eine stabile Verbindung benachbarter Flächensegmente 10 in radialer Richtung 238 erreicht werden.
Die Innenwand 218 ist in Längsrichtung 215 gegen den Außenmantel 206 mittels zweiter Federelemente 42 elastisch abgestützt. Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die zweiten Federelemente 42 an der Stirnseite 26 der in Schwerkraftrichtung g untersten Flächensegmente 10 angeordnet.
Bei Erwärmung werden die Flächensegmente 10 vom Festlager 30 der Innenwand 218 weggedrückt, indem sie auf der nicht dargestellten elastischen Isolierung 20 gleiten. Dabei werden die zweiten Federelemente 42 gespannt, die dem Festlager 30 gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens drücken die zweiten Federelemente 42 die Flächensegmente 10 wieder zurück. Die zweiten Federelemente 42 können aus einer elastischen Isolierung 20 oder aus metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in Figur 4 mit einem Pfeil 48 dargestellt.
In Figur 5 ist ein Längsschnitt durch einen Behälter 200 mit Innenwand 218 und Außenwand 206 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Innenwand 218 weist auch bei diesem Ausführungsbeispiel Flächensegmente 10 auf, welche nach dem Nut-Feder-Prinzip zusammengefügt sind. Dabei sind jedoch zwischen wenigstens einem Teil der Flächensegmente 10 und der Außenwand 206 elastische Rückziehelemente 44 angeordnet, mittels welcher die Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 gegen die Außenwand 206 vorgespannt oder vorspannbar sind.
Bei Erwärmung werden die Flächensegmente 10 in Längsrichtung vom Festlager 30 der Innenwand 218 weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung 20 gleiten. Dabei werden die Rückziehelemente 44 gespannt, die dem Festlager 30 gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens ziehen die Rückziehelemente 44 die Flächensegmente 10 wieder zurück. Die Rückziehelemente 44 können aus einer elastischen Isolierung 20 oder aus keramischen oder metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Die Rückziehelemente 44 wie auch die ersten und zweiten Federelemente 40, 42 der vorigen Ausführungsbeispiele können vorteilhaft als Federelement aus Metall oder Keramik oder als thermische Isolierung 20 ausgebildet sein, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist.
Hierbei können Rückziehelemente 44 aus der nicht dargestellten elastischen, thermischen Isolierung 20 ausgebildet sein.
Alternativ können zusätzlich zur thermischen Isolierung 20 die Rückziehelemente 44 zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordnet sein. Alternativ können die Rückziehelemente 44 teilweise aus der elastischen, thermischen Isolierung 20 ausgebildet sein, zusätzlich können weitere Rückziehelemente 44 zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordnet sein.
Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in Figur 5 mit einem Pfeil 48 dargestellt.
Die Innenwand 218 ist mit einem, in Figur 5 nicht dargestellten, Festlager 30 gegen die Außenwand 206 gelagert. Das Festlager 30 kann dabei in Längsrichtung 215 an einem in Schwerkraftrichtung g oberen Ende 32 des Innenmantels 218 oder entlang einer Länge 28 der Innenwand 218 angeordnet sein. Günstigerweise kann die Position des Festlagers 30 in Längsrichtung 215 an einer beliebigen Stelle entlang der ganzen Länge 28 der Innenwand 218 angeordnet sein.
Figur 6 zeigt einen Längsschnitt durch eine Innenwand 218 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dabei sind die Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 dachziegelartig überlappend angeordnet, wobei zumindest ein Teil der Flächensegmente 10 an ihren Stirnseiten 16, 18 dachziegelartig überlappend angeordnet sind.
In Längsrichtung 215 können in Umfangsrichtung 242 ausgebildete Ringe aus Flächensegmenten 10, welche in Umfangsrichtung 242 nach dem Nut-Feder-Prinzip verbunden sind, so aufgebaut sein, dass sie sich überlappen. Damit addiert sich die Wärmedehnung der einzelnen Flächensegmente 10 nicht auf, da sich die Flächensegmente 10 bei thermischer Ausdehnung in Längsrichtung 215 teilweise übereinander schieben. Die Wärmedehnung weist dabei nur geringe Werte auf. Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in Figur 6 mit einem Pfeil 48 dargestellt. Der Überlapp 50 ist beispielhaft an einem Flächensegment 10 dargestellt und kann sich dabei durch die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 verändern.
Die Flächensegmente 10 können zweckmäßigerweise mit der nicht dargestellten thermischen Isolierung 20 in radialer Richtung 238 formschlüssig verbunden sein. Um ihre Position in der Längsrichtung 215 der Innenwand 218 beizubehalten, können die Flächensegmente 10 eine formschlüssige Verbindung zu der Isolierung 20 zwischen Innenwand 218 und Außenwand 206 aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform können die Flächensegmente 10 mit der Außenwand 206 auch mittels Halteelementen, insbesondere mittels metallischer oder keramischer Halteelemente, verbunden sein. So kann jedes einzelne Flächensegment 10, um die Position in der Längsrichtung der Innenwand 218 beizubehalten, auch durch metallische oder keramische Halteelemente am Außenmantel 206 gelagert sein.
Figur 7 zeigt einen Längsschnitt durch eine Innenwand 218 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Innenwand 218 ist in Umfangsrichtung 242 und in Längsrichtung 215 mittels eines Festlagers 30 gegen die, nicht dargestellte, Außenwand 206 abgestützt. Das Festlager 30 ist dabei als Anschlag gegen die Außenwand 206 auf der unteren Stirnseite 26 des untersten Rings der Flächensegmente 10 ausgebildet. Die Außenwand 206 als Gegenlager ist nicht dargestellt. Das Festlager 30 sperrt eine Bewegung der Innenwand 218 gegen die Außenwand 206 in Umfangsrichtung 242 und, an der Stelle der untersten Flächensegmente 10, an denen das Festlager 30 angeordnet ist, in Längsrichtung 215. Eine Bewegung der Innenwand 218 in radialer Richtung 238 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist jedoch möglich.
Die Flächensegmente 10 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel, wie auch bei den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen, an ihren Stirnseiten 16, 18 in Längsrichtung 215 eine Nut-Feder-Kontur 26 auf, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur 27 eines benachbarten Flächensegments 10 zusammenwirkt.
Die Innenwand 218 ist in Längsrichtung 215 gegen den Außenmantel 206 mittels zweiter Federelemente 42 elastisch abgestützt. Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die zweiten Federelemente 42 an der Stirnseite 16 der in Schwerkraftrichtung g obersten Flächensegmente 10 angeordnet.
Bei Erwärmung werden die Flächensegmente 10 vom Festlager 30 der Innenwand 218 weggedrückt, indem sie auf der elastischen Isolierung 20 gleiten. Dabei werden die zweiten Federelemente 42 gespannt, die dem Festlager 30 gegenüber liegend angeordnet sind. Während des Abkühlens drücken die zweiten Federelemente 42 die Flächensegmente 10 wieder zurück. Die zweiten Federelemente 42 können aus einer elastischen Isolierung 20 oder aus metallischen Federelementen ausgebildet sein.
Die Bewegung der Flächensegmente 10 in Längsrichtung 215 auf Grund der thermischen Ausdehnung ist in Figur 7 mit einem Pfeil 48 dargestellt. Bei allen Ausführungsbeispielen können die Flächensegmente 10 vorteilhaft eine Oberflächenstruktur für eine vorgegebene Einstellung eines Reibwiderstands und/oder Rollwiderstands des Wärmeträgermediums 210 aufweisen. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit, mit der Wärmeträgermedium-Film 212 (siehe Figur 1) an einer Innenseite der Innenwand 218 in Schwerkraftrichtung g nach unten gleitet, beeinflusst werden. Dadurch kann ein Übertrag der Wärme der Sonnenstrahlung 112 auf das Wärmeträgermedium 210 variiert und vorteilhaft optimiert eingestellt werden.
Bezugszeichen
10 Flächensegment
12 Stirnseite
14 Stirnseite
16 Stirnseite
18 Stirnseite
20 thermische Isolierung
22 Dickenausdehnung
24 Kontur
25 Gegenkontur
26 Kontur
27 Gegenkontur
28 Länge
30 Festlager
32 Ende
34 Stirnseite
40 erstes Federelement
42 zweites Federelement
44 Rückziehelement
46 thermische Ausdehnung
48 thermische Ausdehnung
50 Überlapp
110 Empfängervorrichtung
112 Solarstrahlung
200 Behälter
202 erstes Ende
204 zweites Ende
206 Außenwand
208 Innenraum
210 Wärmeträgermedium
212 Wärmeträgermedium-Film 214 Längsachse
215 Längsrichtung
216 Drehachse
218 Innenwand
220 Gehäuse
222 Winkel
236 Drehrichtung
238 radiale Richtung
240 Außenseite
242 Umfangsrichtung
300 Eingang
302 Vorderwand
304 Zuführungsöffnung
308 Rückwand
310 Leitelement
400 Ausgang
416 Aperturöffnung

Claims

Ansprüche
1. Empfängervorrichtung (110) für Solarstrahlung (112) mit einem Behälter (200) zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums (210) in einem solarthermischen Kraftwerk, mit einem sich in einer Längsrichtung (215) erstreckenden wenigstens doppelwandigen Gehäuse (220), das einen Innenraum (208) umgibt und das eine Außenwand (206) und eine davon umgebene Innenwand (218) aufweist, wobei zwischen der Innenwand (218) und der Außenwand (206) eine thermische Isolierung (20) angeordnet ist, wobei die Innenwand (218) aus einer Vielzahl von in radialer Richtung (238) quer zur Längsrichtung (215) gesehen lückenlos aneinandergefügten Flächensegmenten (10) gebildet ist, wobei Stirnseiten (12, 14, 16, 18) jeweils benachbarter Flächensegmente (10) wenigstens in einer Umfangsrichtung (242) einen Überlapp (50) bilden, wobei die Innenwand (218) gegen die Außenwand (206) in radialer Richtung (238) wenigstens teilweise mittels ersten Federelementen (40) abgestützt ist, und wobei die thermische Isolierung (20) die ersten Federelemente (40) bildet.
2. Empfängervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei zumindest ein Teil der Flächensegmente (10) an ihren Stirnseiten (12, 14, 16, 18) eine Nut- Feder-Kontur (24, 26) aufweisen, welche mit einer Nut-Feder- Gegenkontur (25, 27) eines benachbarten Flächensegments (10) zusammenwirkt.
3. Empfängervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, zumindest ein Teil der Flächensegmente (10) an ihren Stirnseiten (12, 14, 16, 18) dachziegelartig überlappend angeordnet sind. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) einen keramischen Werkstoff aufweisen, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff gebildet sind. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) gegen die Außenwand (206) in radialer Richtung (238) mittels der ersten Federelemente (40) vorgespannt angeordnet ist. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) eben oder in Umfangsrichtung (242) gekrümmt, insbesondere als Teil eines Hohlzylindermantels, ausgebildet sind. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) in Umfangsrichtung (242) mittels eines Festlagers (30) gegen die Außenwand (206) abgestützt ist. Empfängervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Festlager (30) als Anschlag gegen die Außenwand (206) auf der Stirnseite (18) der Flächensegmente (10) und/oder als Fixierung der jeweiligen Flächensegmente (10) in Umfangsrichtung (242) und in Längsrichtung (215) ausgebildet ist. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) an ihren Stirnseiten (16, 18) in Längsrichtung (215) eine Nut-Feder-Kontur (26) aufweisen, welche mit einer Nut-Feder-Gegenkontur (27) eines benachbarten Flächensegments (10) zusammenwirkt. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Innenwand (218) in Längsrichtung (215) gegen den Außenmantel (206) mittels zweiter Federelemente (42) elastisch abgestützt ist, insbesondere wobei die zweiten Federelemente (42) an den Stirnseiten (16, 18) der in Schwerkraftrichtung (g) obersten oder untersten Flächensegmente (10) angeordnet sind. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen wenigstens einem Teil der Flächensegmente (10) und der Außenwand (206) elastische Rückziehelemente (44) angeordnet sind, mittels welcher die Flächensegmente (10) mit Federkraft in Längsrichtung (215) gegen die Außenwand (206) vorgespannt oder vorspannbar sind. Empfängervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die ersten und/oder die zweiten Federelemente (40, 42) und/oder die Rückziehelemente (44) als Federelement aus Metall oder Keramik oder als thermische Isolierung (20) ausgebildet sind, welche wenigstens teilweise federnd ausgebildet ist. Empfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei das Festlager (30) in Längsrichtung (215) an einem in Schwerkraftrichtung (g) oberen Ende (32) des Innenmantels (218) oder entlang einer Länge (28) der Innenwand (218) angeordnet ist. Empfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Flächensegmente (10) in Längsrichtung (215) dachziegelartig überlappend angeordnet sind. Empfängervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Flächensegmente (10) mit der thermischen Isolierung (20) in radialer Richtung (238) formschlüssig verbunden sind. Empfängervorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Flächensegmente (10) mit der Außenwand (206) mittels Halteelementen, insbesondere mittels metallischer oder keramischer Halteelemente, verbunden sind. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stirnseiten (12, 14, 16, 18) der Flächensegmente (10) in Richtung einer Dickenausdehnung (22) der Flächensegmente (10) eine dreieckförmige oder eine halbrunde oder eine rechteckige Nut-Feder- Kontur (24, 26) aufweisen. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flächensegmente (10) eine Oberflächenstruktur für eine vorgegebene Einstellung eines Reibwiderstands und/oder Rollwiderstands des Wärmeträgermediums (210) aufweisen. Empfängervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Aperturöffnung (416) für den Eintritt von Sonnenstrahlung (112) an einem der Enden (202, 204) des Behälters (200); wobei der Behälter (200) eine Längsachse (214) aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 90° zur Schwerkraftrichtung (g) orientiert ist, wobei der Behälter (200) in einer bestimmungsgemäßen Drehrichtung (236) mittels einer Drehantriebsvorrichtung derart um eine Drehachse (216) drehbar ist, dass das Wärmeträgermedium (210) unter Ausbildung eines Wärmeträgermedium-Films (212) an einer Innenwand (218) des Behälters (200) entlangführbar ist.
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