WO2011018331A2 - Absorbervorrichtung - Google Patents

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WO2011018331A2
WO2011018331A2 PCT/EP2010/060898 EP2010060898W WO2011018331A2 WO 2011018331 A2 WO2011018331 A2 WO 2011018331A2 EP 2010060898 W EP2010060898 W EP 2010060898W WO 2011018331 A2 WO2011018331 A2 WO 2011018331A2
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absorber device
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fiber
fiber fabric
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Jens Schmidt
Martin Friess
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • F24S70/10—Details of absorbing elements characterised by the absorbing material
    • F24S70/16—Details of absorbing elements characterised by the absorbing material made of ceramic; made of concrete; made of natural stone
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S10/80—Solar heat collectors using working fluids comprising porous material or permeable masses directly contacting the working fluids
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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
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    • F24S70/20—Details of absorbing elements characterised by absorbing coatings; characterised by surface treatment for increasing absorption
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to an absorber device.
  • a fluid such as air can be heated.
  • the heating can be done for example by fuel gases or radiation exposure such as solar radiation.
  • a highly porous burner mat for gas and / or oil burners which consists of permanently interconnected ceramic and / or metallic fibers and / or fiber sections. Distributed over the mat plane are locations with different gas permeability provided in the form of openings. The openings are formed as the burner mat penetrating perforation openings with different flow cross-sections.
  • a solar receiver with an air-permeable absorber body is known, which is covered on the incidence side of the solar radiation with a ceramic fiber mat of higher open porosity than the absorber body.
  • the fiber mat has a lower thickness than the absorber body and the volume-related exposed surface of the fibers of the fiber mat is at least a factor of 10 greater than the exposed surface of the pores of the absorber body.
  • WO 03/021160 A1 discloses a hybrid volumetric receiver for use in solar thermal systems, which comprises a volumetric receiver body with an inlet and an outlet and a fluid-permeable interior. A highly porous thin material is fixed on the inlet side and exposed directly to solar radiation.
  • the invention has for its object to provide an absorber device with high efficiency.
  • this object is achieved according to the invention in that at least one open-porous absorber element is provided, which forms a surface region of the absorber device, wherein the at least one absorber element is made of layers of fiber fabric and a matrix, wherein the fibers are of SiX, with X.
  • a mechanically stable absorber element can be realized. Due to the corresponding porous structure can achieve a high efficiency with high optical and high thermal absorption capacity. It is expected that an oxidation to stability and corrosion stability (especially regarding air dusts) can reach up to a surface temperature of about 1300 0 C.
  • a thermal conductivity of at least 50 W / mK at 1000 0 C can be achieved. It can be a high thermal shock resistance and damage tolerance, especially at heating rates up to about LOOK / min reach.
  • a volume-specific heat transfer area greater than 1500 m 2 / m 3 can be achieved in a simple manner. Wall thicknesses or fiber diameters smaller than 0.75 mm can be realized.
  • a high flow through can be achieved by forming an open porosity greater than 60% by volume. Furthermore, can be achieved by a suitable graded training by fiber choice, adjustment of porosity, etc., an optimized adaptation to a specific application. The fraying and breakage of fibers can be avoided by using the matrix.
  • the at least one absorber element is a one-piece block element. This results in a high mechanical stability and the absorber device can be produced in a simple manner.
  • the at least one layer is a fibrous web made of fiber bundles having a K-number greater than 0.3. This results in a mechanical stability improvement and also the oxidation stability can be increased (in comparison to the use of short cut fibers).
  • the layers of a fiber fabric have a two-dimensional structure with a fiber extension in a first direction and in a second direction transverse to the first direction.
  • the absorber device can be realized in a simple manner.
  • two-dimensional fiber layers are connected by fibers or fiber fabric, which or which has an extension in a third direction transverse to the first direction and transverse to the second direction.
  • the thermal conductivity can be improved in the third direction (depth direction).
  • trans laminar flow channels can be predefined. As a result, heated fluid can be discharged from a boundary layer at the surface area in the depth.
  • the fibers or fiber webs with the extension in the third direction are made of SiX. This makes it easy to achieve a high thermal conductivity.
  • the fiber fabrics are woven open-meshed and / or made of blended fabrics comprising C-fibers. The C-fibers can be burned out during the manufacturing process, in order to thereby produce pores and / or translaminar flow channels and thus in turn enable a high fluid throughput.
  • the SiX fibers have a thermal conductivity of at least 50 W / mK at 1000 0 C. This gives a high efficiency.
  • the open porosity is at least 60% by volume. This gives a high fluid flow rate and thus high efficiency.
  • the density of the fibers in the fiber web is at least 2.3 g / cm 3 . This results in advantageous properties, in particular high efficiency.
  • the at least one absorber element is produced from two-dimensional fiber fabric having an areal density of at least 200 g / m 2 .
  • the at least one absorber element is made of open-meshed fabric grids.
  • the fibers have an outer oxidation layer.
  • the fibers are passivated.
  • Such an outer oxidation layer can be achieved during an oxidation process during the production process of the at least one absorber element.
  • the at least one absorber element has a coating.
  • the oxidation resistance can be achieved.
  • inner surfaces of the at least one absorber element also have this coating. This can be produced, for example, by means of a CVI process.
  • Possible materials for the coating are boron carbide and / or SiC.
  • a corrosion protection coating may optionally be provided on the surface region in order to increase the corrosion resistance, in particular with regard to sand, salt, dusts, water vapor, etc., on the surface of the at least one absorber element.
  • a corrosion protection coating is produced, for example, by a plasma spraying process.
  • Possible materials for the anticorrosive coating are cordierite and / or mullite and / or aluminates.
  • the at least one absorber element has a graduated design with regard to porosity and / or thermal conductivity with respect to a transverse direction to the layers of fiber fabric. This makes a targeted adaptation to a specific application possible.
  • the layers of fiber webs are more open-meshed by reducing the fiber content. As a result, a better flow with fluid is possible.
  • a fibrous web has a surface anisotropy due to use of SiX fibers of different crystallinity. This also makes targeted adjustment and adaptation to applications possible. It can also be provided that tissue intersection points are bonded by means of a Si polymer. This, for example, reduces the delamination risk.
  • the rear structure is in particular made of a monolithic ceramic material, wherein channels are arranged in the rear structure.
  • the absorber device comprises at least one absorber element with a front structure comprising at least one fibrous tissue layer and a ceramic back structure and with a support for the front structure to which the front structure is fixed by mechanical fastening elements.
  • the front structure is subject to contamination and strong oxidation. This leads to a loss of efficiency.
  • mechanical fasteners such as screws, the front structure can be easily replaced without the entire absorber element must be replaced.
  • the fasteners releasable form-locking elements such as screws and / or traction elements such as terminals.
  • an exchange and also a fixation can be achieved in a simple manner.
  • the carrier is supported on the rear structure and thereby has direct contact with the rear structure. This results in a high efficiency. It is favorable if the carrier is a lattice structure and is in particular of a metallic material. This results in advantageous mechanical properties.
  • an absorber element which comprises at least one absorber mat of amorphous Si-based ceramic fibers, at least one mat of ceramic fibers, which is arranged below the at least one absorber mat, and a support structure, which has a pitch-fiber-reinforced matrix and provided with channels is, has.
  • the absorber mat has a high resistance to oxidation with a high degree of emission or absorption.
  • the underlying mat has a high thermal conductivity and oxidation resistance.
  • the pitch-fiber-reinforced matrix has a high thermal conductivity and is used for the actual generation of energy. It is protected by the absorber mat and the underlying mat. It is favorable if the at least one absorber element has a fluid-tight enclosure. As a result, a targeted supply of fluid to be heated and targeted removal of heated fluid can be achieved.
  • the enclosure is formed like a teal or funnel-like. As a result, an advantageous flow field can be formed.
  • At least one fluid discharge channel is arranged on a side remote from a loading side (for example for solar radiation).
  • heated fluid such as air can be discharged in a simple manner.
  • preheated fluid can be conducted to an admission side of the at least one absorber element. As a result, preheated fluid can be used.
  • the absorber devices according to the invention can be used in particular in a (volumetric) solar radiation receiver.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of an absorber device
  • FIG. 1 is a partial schematic representation of a second embodiment of an absorber device according to the invention
  • FIG. 3 shows a plan view of a third exemplary embodiment (in partial illustration) of an absorber device according to the invention.
  • a first exemplary embodiment of an absorber device according to the invention which is shown in FIG. 1 and denoted there by 10, comprises a plurality of absorber elements 12, which are each arranged in an enclosure 14.
  • the enclosure 14 is formed fluid-tight. It has, for example, a cup-like shape and is rotationally symmetrical about an axis 16.
  • the enclosure 14 comprises a first region 18, which accommodates the respective absorber element 12. It also has a second region 20. This is designed as a fluid discharge channel 22. Fluid heated by the absorber element 12 can be removed via the fluid discharge channel 22 for further use.
  • the fluid discharge channel 22 is in particular centrally and thereby arranged coaxially to the axis 16.
  • the first region 18 has at a rear side 24 an inclination to the axis 16.
  • the absorber element 12 and the enclosure 14 form an absorber element enclosure unit 26.
  • a plurality of such units 26 form cells of the absorber device 10.
  • a gap 28 is arranged.
  • This gap 28 forms a fluid channel.
  • fluid such as, for example, air through the gap 28 between adjacent units 26, can lead from a rear region 30 of the absorber device 10 to a front side 32.
  • the fluid can be preheated by this.
  • the absorber element 12 which is arranged in the enclosure 14, is formed as a one-piece block element 34. It has a surface area 36 which is directed outward to the front 32.
  • the absorber device 10 is part of a (volumetric) radiation receiver (radiation receiver)
  • the absorber element 12 is acted upon by solar radiation 38 at the surface region 36.
  • the absorber element 12 is open-pored so that it can be flowed through by the fluid 40 to be heated (such as, for example, air).
  • the heated fluid is discharged through the fluid discharge passage 22.
  • the absorber element 12 is formed by a plurality of fiber fabric layers 42 having a matrix.
  • the fiber fabric layers 42 extend in a first direction x and a transverse and in particular perpendicular thereto lying second direction y.
  • the fibers of the fiber fabric layers are embedded in the matrix.
  • This matrix is made of a corresponding precursor material (as described below).
  • the absorber element 12 it is fundamentally possible for the absorber element 12 to be produced as a block element 34 by, in particular, parallel arranged fiber fabric layers 42 to the rear side 24, if a sufficient open porosity is achieved.
  • the absorber element 12 has on the surface region 36 fiber fabric layers 42 which are in a third direction z, which is transverse and in particular perpendicular to the first direction x and the second direction y, have no fiber connection.
  • the absorber element 12 has a first region 44 for this purpose.
  • the first area 44 is followed by a second area 46.
  • the fibers are oriented exclusively in the first direction x and the second direction y.
  • fiber fabric layers 48 are provided with two-dimensional orientation (in the x-direction and y-direction), wherein fibers are also oriented in a z-direction transverse to the x-direction and transverse to the y-direction.
  • Fibers which are oriented in the z-direction (at least approximately parallel to the axis 16), for example, are sewn or otherwise connected to the two-dimensional fiber fabric layers 48.
  • Fiber fabric layers may also be provided which have fibers oriented in the z-direction.
  • As material for the matrix is selected one which has a good thermal conductivity and high oxidation resistance.
  • Fibers of the type “Tyranno LoxM” are partially crystalline amorphous; “Tyranno SA” fiber is crystalline. It is in principle possible to combine different ceramic fiber types for a fiber fabric layer 42 or 48 or also for fibers in the z direction. For example, different types of fibers in the warp direction and in the weft direction can be used in two-dimensional fiber fabric. As a result, surface anisotropy in the x-direction and y-direction can be achieved. When using different fiber types in the z-direction, anisotropy in the x-direction can be achieved in an x and z plane or y and z plane.
  • C fibers it is also possible in principle for C fibers to be introduced into a mixed fabric during the production process. By subsequent oxidation at a temperature above about 400 0 C in air, these C-fibers are removed and there are pores and / or translaminar channels for the fluid management.
  • anisotropy can be set in the block element 34.
  • Grading can also be achieved in terms of porosity and / or thermal conductivity.
  • SiC fibers with a thermal conductivity (at 100O 0 C) of at least 50 W / mK is used (such as fibers of the type "Tyranno SA").
  • fibers having an orientation in the z-direction that is, in the depth direction
  • high heat conductivity in the depth direction is obtained.
  • the oxidation stability of the overall structure is increased if fiber bundles with K numbers of at least 0.3 are used for the fibers of the fiber fabric layers and / or for the fibers with the orientation of the z direction.
  • the fibrous web layers 42 it is possible for the fibrous web layers 42 to use dense two-dimensional webs having, for example, a density of 260 g / m 2 . Alternatively, it is also the use of open-mesh fabric meshes with low basis weights such as 30 g / m 2 .
  • a low basis weight for a fibrous web layer is possible if the fabric is woven directly open-mesh or, as mentioned above, a mixed fabric is used in which C-fibers are then burned out during the manufacturing process.
  • the absorber element 12 is provided with an outer and inner coating in the porous region. This is produced in particular via a CVI process. Possible coating materials are boron carbide or SiC. In principle, it is also possible for a corrosion protection layer to be applied to the absorber element 12, in particular on the surface. This can be done for example by means of a plasma spraying process. Examples of materials for such anti-corrosion layers are mullite or cordierite or aluminates. These are applied to the surface region 36.
  • This surface area 36 is exposed, for example, to sand, salt, dusts, steam, etc.
  • plasma spraying a coating of the first fiber fabric layer 42 with the coating material is essentially carried out, since the depth effect is limited.
  • Si polymer takes place. As a result, intersections of fibers can be glued together. The polymer must be able to wet the fibers and adhere to the fibers.
  • the absorber element 12 is produced by producing a preform block element from a mixed fabric of SiC fibers and C fibers.
  • Corresponding precursors for SiC and / or SiBNC and / or SiC and / or SiON and / or SiCN are used, for example polycarbosilanes and / or polysilazanes.
  • a vacuum infiltration process or other infiltration processes possibly using prepregs
  • the preform is produced. It then takes a pyrolysis in a protective gas atmosphere. For example, in a nitrogen atmosphere pyrolysis with temperatures up to 1200 0 C is performed.
  • the inventive solution gives an absorber element 12 as a block element 34, which is made of an open-porous silicon-based ceramic material.
  • a corresponding absorber device 10 has a high efficiency. This gives a high optical and high thermal absorption capacity. This results in oxidation stability and corrosion stability (in particular with respect to air dusts) up to a temperature of at least 1000 0 C (surface temperature).
  • An open porosity of more than 60% by volume can be achieved.
  • a front structure 52 which has one or more fiber fabric layers 54.
  • the fibers are silicon-based, meaning they are SiX fibers (see above).
  • the front structure 52 is seated on a rear structure 56.
  • the rear structure 56 is made of monolithic ceramic. For example, it is made of SiSiC.
  • channels 57 are arranged for fluid guidance. These channels extend in particular at least approximately parallel to the z-direction.
  • the fibrous web layers 54 of this front structure 52 are joined together and the front structure 52 is joined to the rear structure 56.
  • a matrix material SiY is used (see above).
  • the material of the front structure 52 and the material of the rear structure 46 is chosen so that the thermal expansion coefficient at the operating temperature differs by at most 10%.
  • SiC fabric between 4 x 10 "6 / K and 4.5 x 10 " 6 / K. If the backbone is made of monolithic SiSiC, then the coefficient of thermal expansion is 4.3 x 10 -6 / K. In this design, a "thermal mismatch" is avoided.
  • a front structure 60 is provided, which sits on a rear structure corresponding to the rear structure 56 according to the absorber device 50.
  • the fronstructure 60 has individual fabric mats 62 with Si-based fibers.
  • the front structure 60 is seated on a carrier 64, which in turn is supported on the rear structure 56 and is in particular in direct contact therewith. In particular, no or at most a very small air gap is provided between the carrier 64 and the monolithic ceramic backbone.
  • the carrier 64 is formed as a lattice structure and made of a metallic material.
  • the fabric mats of the front structure 60 are mechanically fixed to the lattice structure of the carrier 64 by fasteners 66.
  • the fastening elements 66 are in particular detachable. For example, it is interlocking elements such as screws and / or traction elements such as terminals.
  • the fabric mats 62 can then be easily replaced in the event of contamination or strong oxidation, since they are in particular not materially connected to the carrier 64 and the rear structure.
  • the corresponding absorber element 12 is constructed of (at least) an absorber mat of amorphous Si-based ceramic fibers. This gives a high oxidation resistance at high emissivity or absorption. In principle, it is advantageous if the at least one absorber mat is fixed exchangeably.
  • a mat of ceramic fibers is arranged below the absorber mat. These ceramic fibers, which in principle can also be oxidic, should have a high thermal conductivity and oxidation resistance. This entire structure in turn sits on a support structure made of a pitch-fiber reinforced matrix. This support structure has a very high thermal conductivity for the actual energy production.
  • the structure can be carried out, for example, via CVI methods or CVD methods or via LPI methods. It can be a graded structure, for example by selecting the fiber types, fiber orientation, adjustment of porosity, etc. achieve. In turn, a variety of desired properties can be specifically adapted via a graduated structure. It can also realize large structures with a good cost-benefit ratio. As a result, even complex structures such as curved structures can be realized. By a high fiber content and by a high porosity of the structure, a high thermal shock resistance and damage tolerance can be achieved, especially with regard to thermo-mechanical stresses.

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Abstract

Es wird eine Absorbervorrichtung mit mindestens einem offenporösen Absorberelement bereitgestellt, welches einen Oberflächenbereich der Absorbervorrichtung bildet, wobei das mindestens eine Absorberelement aus Lagen an Fasergewebe und einer Matrix hergestellt ist, wobei die Fasern aus SiX sind, mit X = C und/oder X = CN und/oder X = BCN, und die Matrix aus SiY ist, mit Y = C und/oder Y = BNC und/oder Y = OC und/oder Y = ON und/oder Y = CN.

Description

Absorbervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Absorbervorrichtung.
An einer Absorbervorrichtung kann ein Fluid wie beispielsweise Luft erhitzt werden. Die Erhitzung kann beispielsweise durch Brenngase erfolgen oder durch Strahlungsbeaufschlagung wie beispielsweise Solarstrahlung.
Aus der DE 198 47 042 Al ist eine hochporöse Brennermatte für Gas- und/oder Ölbrenner bekannt, die aus dauerhaft miteinander verbundenen keramischen und/oder metallischen Fasern und/oder Faserabschnitten besteht. Verteilt über die Mattenebene sind Stellen mit unterschiedlicher Gasdurchlässigkeit in Form von Öffnungen vorgesehen. Die Öffnungen sind ausgebildet als die Brennermatte durchdringende Perforationsöffnungen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten.
Aus der EP 1 291 591 A2 ist ein Solarempfänger mit einem luftdurchlässigen Absorberkörper bekannt, der auf der Einfallsseite der Solarstrahlung mit einer keramischen Fasermatte von höherer offener Porosität als der Absorberkörper bedeckt ist. Die Fasermatte hat eine geringere Stärke als der Absorberkörper und die volumenbezogene freiliegende Oberfläche der Fasern der Fasermatte ist um mindestens den Faktor 10 größer als die freiliegende Oberfläche der Poren der Absorberkörpers.
Aus der WO 03/021160 Al ist ein hybrider volumetrischer Receiver zur Ver- wendung in solarthermischen Anlagen bekannt, welcher einen volumetrischen Receiverkörper umfasst mit einem Einlass und einem Auslass und einem fluid- durchlässigen Inneren. Ein hochporöses dünnes Material ist an der Einlassseite fixiert und direkt Solarstrahlung ausgesetzt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Absorbervorrichtung mit hohem Wirkungsgrad bereitzustellen. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein offenporöses Absorberelement vorgesehen ist, welches einen Oberflächenbereich der Absorbervorrichtung bildet, wobei das mindestens eine Absorberelement aus Lagen an Fasergewebe und einer Matrix hergestellt ist, wobei die Fasern aus SiX sind, mit X = C und/oder X = CN und/oder X = BCN, und die Matrix aus SiY ist, mit Y = C und/oder Y = BNC und/oder Y = OC und/oder Y = ON und/oder Y = CN.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich ein mechanisch stabiles Absorberelement realisieren. Durch die entsprechende poröse Struktur lässt sich eine hoher Wirkungsgrad erreichen mit hohem optischen und hohem thermischen Absorptionsvermögen. Es wird erwartet, dass sich eine Oxidations- stabilität und Korrosionsstabilität (insbesondere bezüglich Luftstäuben) bis zu einer Oberflächentemperatur von ca. 13000C erreichen lässt. Durch Verwendung entsprechender Fasern und insbesondere SiC-Fasern lässt sich eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK bei 10000C erreichen. Es lässt sich eine hohe Thermoschockbeständigkeit und Schadenstoleranz insbesondere bei Aufheizraten bis ca. lOOK/min erreichen. Ferner lässt sich auf einfache Weise eine volumenspezifische Wärmeübertragungsfläche größer 1500 m2/m3 erreichen. Es lassen sich Wandstärken bzw. Faserdurchmesser kleiner 0,75 mm realisieren.
Ferner lässt sich eine hohe Durchströmbarkeit durch Ausbildung einer offenen Porosität größer 60 Volumen-% erreichen. Weiterhin lässt sich durch eine entsprechende gradierte Ausbildung durch Faserwahl, Einstellung der Porosität usw. eine optimierte Anpassung an eine spezielle Anwendung erreichen. Das Zerfasern und der Bruch von Fasern lässt sich durch Verwendung der Matrix vermeiden. Insbesondere ist das mindestens eine Absorberelement ein einteiliges Blockelement. Dadurch ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität und der Absorbervorrichtung lässt sich auf einfache Weise herstellen.
Bei einer Ausführungsform ist die mindestens eine Lage ein Fasergewebe aus Faserbündeln mit einer K-Zahl größer 0,3 hergestellt. Dadurch ergibt sich eine mechanische Stabilitätsverbesserung und auch die Oxidationsstabilität lässt sich erhöhen (im Vergleich zur Verwendung von Kurzschnittfasern).
Insbesondere weisen die Lagen ein Fasergewebe eine zweidimensionale Struk- tur mit einer Fasererstreckung in einer ersten Richtung und in einer zur ersten Richtung quer liegenden zweiten Richtung auf. Dadurch lässt sich die Absorbervorrichtung auf einfache Weise realisieren.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass zweidimensionale Faserlagen durch Fasern oder Fasergewebe verbunden sind, welche oder welches eine Erstreckung in einer dritten Richtung quer zur ersten Richtung und quer zur zweiten Richtung aufweist. Dadurch lässt sich in der dritten Richtung (Tiefenrichtung) die thermische Wärmeleitfähigkeit verbessern. Ferner lassen sich dadurch parallel zu den Faserorientierungen in der dritten Richtung trans- laminare Strömungskanäle vorgeben. Dadurch lässt sich erhitztes Fluid aus einer Grenzschicht am Oberflächenbereich in die Tiefe abführen.
Insbesondere sind die Fasern oder Fasergewebe mit der Erstreckung in der dritten Richtung aus SiX hergestellt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine hohe Wärmeleitfähigkeit erreichen. Um eine Fluiddurchströmbarkeit zu erreichen, sind die Fasergewebe offen- maschig gewebt und/oder aus Mischgewebe hergestellt, welche C-Fasern aufweisen. Die C-Fasern lassen sich während des Herstellungsprozesses ausbrennen, um dadurch Poren und/oder translaminare Strömungskanäle her- zustellen und so wiederum einen hohen Fluiddurchsatz zu ermöglichen.
Günstig ist es, wenn die SiX-Fasern eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK bei 10000C aufweisen. Dadurch erhält man einen hohen Wirkungsgrad.
Es ist ferner günstig, wenn die offene Porosität mindestens 60 Volumen-% beträgt. Dadurch erhält man einen hohen Fluiddurchsatz und damit einen hohen Wirkungsgrad. Bei einer Ausführungsform liegt die Dichte der Fasern im Fasergewebe bei mindestens 2,3 g/cm3. Dadurch ergeben sich vorteilhafte Eigenschaften wie insbesondere ein hoher Wirkungsgrad.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn das mindestens eine Absorber- element aus zweidimensionalem Fasergewebe mit einer Flächendichte von mindestens 200 g/m2 hergestellt ist.
Es ist auch möglich, dass das mindestens eine Absorberelement aus offen- maschigen Gewebegittern hergestellt ist.
Günstig ist es, wenn die Fasern eine äußere Oxidationsschicht aufweisen. Dadurch sind die Fasern passiviert. Eine solche äußere Oxidationsschicht lässt sich bei einem Oxidationsvorgang während des Herstellungsprozesses des mindestens einen Absorberelements erreichen. Ferner ist es günstig, wenn das mindestens eine Absorberelement eine Be- schichtung aufweist. Dadurch lässt sich beispielsweise die Oxidationsbestän- digkeit erreichen. Insbesondere weisen auch innere Oberflächen des mindestens einen Absorberelements diese Beschichtung auf. Diese lässt sich bei- spielsweise über ein CVI-Verfahren herstellen.
Mögliche Materialien für die Beschichtung sind Borcarbid und/oder SiC.
Es kann ferner optional an dem Oberflächenbereich eine Korrosionsschutz- beschichtung vorgesehen sein, um die Korrosionsbeständigkeit insbesondere bezüglich Sand, Salz, Stäuben, Wasserdampf usw. an der Oberfläche des mindestens einen Absorberelements zu erhöhen. Eine solche Korrosionsschutz- beschichtung wird beispielsweise durch ein Plasmaspritzverfahren hergestellt. Mögliche Materialien für die Korrosionsschutzbeschichtung sind Cordierit und/oder Mullit und/oder Aluminate.
Es kann günstig sein, wenn das mindestens eine Absorberelement eine gradierte Ausbildung bezüglich Porosität und/oder Wärmeleitfähigkeit bezogen auf eine Querrichtung zu den Lagen an Fasergewebe aufweist. Dadurch ist eine gezielte Anpassung an eine spezielle Anwendung möglich.
Beispielsweise sind von einer äußeren Oberfläche weg die Lagen an Fasergewebe durch Verringerung des Faseranteils offenmaschiger. Dadurch ist eine bessere Durchströmung mit Fluid möglich.
Es ist auch möglich, dass ein Fasergewebe eine Flächenanisotropie aufweist aufgrund Verwendung von SiX-Fasern unterschiedlicher Kristallinität. Auch dadurch ist eine gezielte Einstellung und Anpassung an Anwendungen möglich. Es kann auch vorgesehen sein, dass Gewebekreuzungspunkte mittels eines Si-Polymers verklebt sind. Dadurch lässt sich beispielsweise die Delamina- tionsgefahr verringern. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die eingangs genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Absorberelement mit einer Frontstruktur aus einer oder mehreren Fasergewebe-Lagen und mit einer keramischen Hinterstruktur vorgesehen ist, wobei die Frontstruktur mit der Hinterstruktur durch Fügung mittels SiY verbunden ist, wobei die mindestens eine Fasergewebe-Lage aus SiX-Fasern mit X = C und/oder X = CN und/oder X = BCN hergestellt ist und Y = C und/oder Y = BNC und/oder Y = OC und/oder Y = ON und/oder Y = CN ist, und wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient über das Fasergewebe der mindestens einen Fasergewebe-Lage und der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Hinterstruktur sich mindestens bei der Einsatztemperatur der Absorbervorrichtung um höchstens 10 % unterscheidet.
Bei dieser Lösung ist eine stoffschlüssige Verbindung von Fasergewebe-Lagen vorgesehen. Bei der Verbindung mit der Hinterstruktur wird ein "thermal mismatch" vermieden.
Die Hinterstruktur ist insbesondere aus einem monolithischen keramischen Material hergestellt, wobei in der Hinterstruktur Kanäle angeordnet sind. Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Absorbervorrichtung mindestens ein Absorberelement mit einer Frontstruktur aus mindestens einer Fasergewebe-Lage und mit einer keramischen Hinterstruktur und mit einem Träger für die Frontstruktur, an welchem die Frontstruktur durch mechanische Befestigungselemente fixiert ist, umfasst. Grundsätzlich unterliegt die Frontstruktur Verschmutzungen und starker Oxi- dation. Dies führt zu einem Wirkungsgradverlust. Durch lösbare mechanische Befestigungselemente wie Schrauben lässt sich die Frontstruktur auf einfache Weise austauschen, ohne dass das gesamte Absorberelement ausgetauscht werden muss.
Insbesondere sind die Befestigungselemente lösbare Formschlusselemente wie Schrauben und/oder Kraftschlusselemente wie Klemmen. Dadurch lässt sich ein Austausch und auch eine Fixierung auf einfache Weise erreichen.
Günstig ist es, wenn der Träger an der Hinterstruktur abgestützt ist und dabei direkten Kontakt mit der Hinterstruktur hat. Dadurch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad. Günstig ist es, wenn der Träger eine Gitterstruktur ist und insbesondere aus einem metallischen Material ist. Dadurch ergeben sich vorteilhafte mechanische Eigenschaften.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Absorberelement vorgesehen, welches mindestens eine Absorbermatte aus amorphen Si-basierten keramischen Fasern, mindestens eine Matte aus keramischen Fasern, welche unterhalb der mindestens einen Absorbermatte angeordnet ist, und eine Tragstruktur, welche eine pechfaserverstärkte Matrix aufweist und mit Kanälen versehen ist, aufweist.
Die Absorbermatte weist insbesondere eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohem Emissionsgrad bzw. Absorptionsgrad auf. Die darunter liegende Matte weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit auf. Die pechfaserverstärkte Matrix weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und dient zur eigentlichen Energiegewinnung. Sie wird durch die Absorbermatte und die darunter liegende Matte geschützt. Günstig ist es, wenn das mindestens eine Absorberelement eine fluiddichte Einfassung aufweist. Dadurch lässt sich eine gezielte Zuführung von zu erhitzendem Fluid und gezielte Abführung von erhitztem Fluid erreichen.
Insbesondere ist die Einfassung kelchartig bzw. trichterartig ausgebildet. Dadurch lässt sich ein vorteilhaftes Strömungsfeld ausbilden.
Günstig ist mindestens ein Fluidabführungskanal an einer einer Beaufschla- gungsseite (beispielsweise für Solarstrahlung) abgewandten Seite angeordnet. Dadurch lässt sich auf einfache Weise erhitztes Fluid wie Luft abführen.
Es ist ferner günstig, wenn zwischen benachbarten Absorberelementen ein Spalt liegt. Durch diesen Spalt lässt sich vorgewärmtes Fluid durchführen zu einer Beaufschlagungsseite des mindestens einen Absorberelements. Dadurch kann vorgewärmtes Fluid verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Absorbervorrichtungen lassen sich insbesondere in einem (volumetrischen) Solarstrahlungsempfänger verwenden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung. Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Aus- führungsbeispiels einer Absorbervorrichtung;
Figur 2 eine schematische Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Absorbervorrichtung; und Figur 3 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel (in Teildarstellung) einer erfindungsgemäßen Absorbervorrichtung. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Absorbervorrichtung, welches in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Mehrzahl von Absorberelementen 12, welche jeweils in einer Einfassung 14 ange- ordnet sind. Die Einfassung 14 ist fluiddicht ausgebildet. Sie weist beispielsweise eine kelchartige Gestalt auf und ist rotationssymmetrisch zu einer Achse 16. Die Einfassung 14 umfasst einen ersten Bereich 18, welcher das jeweilige Absorberelement 12 aufnimmt. Sie weist ferner einen zweiten Bereich 20 auf. Dieser ist als Fluidabführungskanal 22 ausgebildet. Durch das Absorber- element 12 erhitztes Fluid lässt sich über den Fluidabführungskanal 22 zur weiteren Verwendung abführen. Der Fluidabführungskanal 22 ist insbesondere zentral und dabei koaxial zur Achse 16 angeordnet.
Der erste Bereich 18 weist an einer Hinterseite 24 eine Neigung zu der Achse 16 auf.
Das Absorberelement 12 und die Einfassung 14 bilden eine Absorberelement- Einfassung-Einheit 26. Eine Mehrzahl solcher Einheiten 26 bilden Zellen der Absorbervorrichtung 10.
Vorzugsweise berühren sich benachbarte Einheiten 26 nicht, sondern zwischen diesen ist ein Spalt 28 angeordnet. Dieser Spalt 28 bildet einen Fluidkanal aus. Dadurch lässt sich von einem hinteren Bereich 30 der Absorbervorrichtung 10 Fluid wie beispielsweise Luft durch den Spalt 28 zwischen benachbarten Ein- heiten 26 hindurch zu einer Vorderseite 32 führen. Das Fluid lässt sich dadurch vorwärmen.
Das Absorberelement 12, welches in der Einfassung 14 angeordnet ist, ist als einteiliges Blockelement 34 ausgebildet. Es weist einen Oberflächenbereich 36 auf, welcher nach außen zu der Vorderseite 32 gerichtet ist. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem die Absorbervorrichtung 10 Teil eines (volumetrischen) Strahlungsempfängers (Strahlungsreceivers) ist, wird das Absorberelement 12 an dem Oberflächenbereich 36 durch Solarstrahlung 38 beaufschlagt.
Das Absorberelement 12 ist offenporös, sodass es durch zur erhitzendes Fluid 40 (wie beispielsweise Luft) durchströmbar ist. Das erhitzte Fluid wird durch den Fluidabführungskanal 22 abgeführt. An dem Oberflächenbereich ist das Absorberelement 12 durch eine Mehrzahl von Fasergewebe-Lagen 42 mit einer Matrix gebildet. Die Fasern der Fasergewebe-Lage sind aus SiX mit X = C und/oder X = CN und/oder X = BCN hergestellt. Die Matrix ist aus SiY, wobei Y = C und/oder Y = BNC und/oder Y = OC und/oder Y = ON und/oder Y = CN ist.
Die Fasergewebe-Lagen 42 erstrecken sich in einer ersten Richtung x und einer quer und insbesondere senkrecht dazu liegenden zweiten Richtung y. Die Fasern der Fasergewebe-Lagen sind eingebettet in die Matrix. Diese Matrix ist aus einem entsprechenden Precursormaterial (wie unten noch beschrieben) hergestellt.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass das Absorberelement 12 als Blockelement 34 durch insbesondere parallel angeordnete Fasergewebe-Lagen 42 bis zur Hinterseite 24 hergestellt ist, wenn eine genügende Offenporosität er- reicht ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform, welche in Figur 1 dargestellt ist, weist das Absorberelement 12 an dem Oberflächenbereich 36 Fasergewebe-Lagen 42 auf, welche in einer dritten Richtung z, welche quer und insbesondere senkrecht zu der ersten Richtung x und der zweiten Richtung y ist, keine Faserverbindung haben. Das Absorberelement 12 weist dazu einen ersten Bereich 44 auf. Auf den ersten Bereich 44 folgt ein zweiter Bereich 46. In dem ersten Bereich 44 sind die Fasern ausschließlich in der ersten Richtung x und der zweiten Richtung y orientiert. In dem zweiten Bereich 46 sind Fasergewebe-Lagen 48 mit zweidimensionaler Orientierung (in der x-Richtung und y-Richtung) vorgesehen, wobei Fasern auch in einer z-Richtung quer zur x-Richtung und quer zur y-Richtung orientiert sind. Diese Fasern, welche in der z-Richtung (mindestens näherungsweise parallel zur Achse 16) orientiert sind, sind beispielsweise mit den zweidimensionalen Fasergewebe-Lagen 48 vernäht oder auf andere Weise verbunden. Es können auch Fasergewebe- Lagen vorgesehen sein, welche Fasern mit Orientierung in der z-Richtung haben.
Als Material für die Matrix wird ein solches gewählt, welches eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist und eine hohe Oxidationsbeständigkeit.
Durch Wahl der Fasern lassen sich die Eigenschaften des Absorberelements 12 einstellen. Beigefügt ist eine Tabelle für zwei Fasertypen aus SiC, welche von UBE Industries hergestellt werden :
Figure imgf000013_0001
Die Unterschiede sind auf unterschiedliche Kristallinität der Fasern zurückzuführen. Fasern vom Typ "Tyranno LoxM" sind teilkristallin-amorph; Faser vom Typ "Tyranno SA" sind kristallin. Es ist grundsätzlich möglich, für eine Fasergewebe-Lage 42 oder 48 oder auch für Fasern in der z-Richtung unterschiedliche Keramikfasertypen zu kombinieren. Beispielsweise können bei zweidimensionalem Fasergewebe unterschied- liehe Fasertypen in Kettrichtung und in Schussrichtung verwendet werden. Dadurch lässt sich eine Flächenanisotropie in der x-Richtung und y-Richtung erreichen. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Fasertypen in der z-Richtung lässt sich eine Anisotropie in der x-Richtung in einer x- und z-Ebene bzw. y- und z-Ebene erreichen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass während des Herstellungsprozesses C-Fasern in ein Mischgewebe eingebracht werden. Durch spätere Oxidation bei einer Temperatur oberhalb von ca. 4000C an Luft werden diese C-Fasern entfernt und es bilden sich Poren und/oder translaminare Kanäle für die Fluid- führung.
Vorteilhaft ist es, wenn für die dreidimensionale Struktur mit Fasern, welche in der z-Richtung orientiert sind, hochleitfähige Fasern (bezüglich der Wärmeleitfähigkeit) verwendet werden. Dadurch erhält man eine gute Wärmeabfuhr und einen guten Wärmeübergang in der z-Richtung.
Wenn eine hohe Schadenstoleranz (Bruchdehnung) für ein Absorberelement 12 gefordert ist, ist es sinnvoll, wenn ein hoher Anteil von Fasern mit hoher Bruchdehnung (siebe obige Tabelle) erwähnt wird.
Durch Verwendung von unterschiedlichen Fasertypen lässt sich in dem Blockelement 34 eine Anisotropie einstellen.
Eine Gradierung kann ferner in der Porosität und/oder Wärmeleitfähigkeit er- reicht werden. Beispielsweise werden SiC-Fasern mit einer Wärmeleitfähigkeit (bei 100O0C) von mindestens 50 W/mK verwendet (wie beispielsweise Fasern vom Typ "Tyranno SA"). Wenn solche Fasern mit einer Orientierung in der z-Richtung (das heißt in der Tiefenrichtung) verwendet werden, erhält man hohe Wärme- leitfähigkeit in der Tiefenrichtung.
Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die Oxidationsstabilität der Gesamtstruktur gesteigert wird, wenn für die Fasern der Fasergewebe-Lagen und/oder für die Fasern mit der Orientierung der z-Richtung Faserbündel mit K-Zahlen von mindestens 0,3 verwendet werden. Die K-Zahl gibt die Anzahl der Filamente in einem Faserbündel an; K = I bedeutet, dass ein Faserbündel 1000 Filamente aufweist.
Es ist möglich, dass für die Fasergewebe-Lagen 42 dichte zweidimensionale Gewebe verwendet werden, die beispielsweise eine Dichte von 260 g/m2 aufweisen. Alternativ hierzu ist auch die Verwendung von offenmaschigen Gewebegittern mit geringen Flächengewichten wie beispielsweise 30 g/m2.
Ein geringes Flächengewicht für eine Fasergewebe-Lage ist möglich, wenn das Gewebe direkt offenmaschig gewebt wird oder, wie oben erwähnt, ein Mischgewebe verwendet wird, bei dem dann während des Herstellungsprozesses C-Fasern heraus gebrannt werden.
Günstig ist es auch, wenn eine oberflächliche Oxidation der Fasern in den Fasergewebe-Lagen 42 und 48 stattfindet. Es bildet sich dadurch eine Oxida- tionsschicht aus SiO2, welche die Fasern passiviert.
Es ist möglich, dass das Absorberelement 12 in dem porösen Bereich mit einer äußeren und inneren Beschichtung versehen wird. Diese wird insbesondere über ein CVI-Verfahren hergestellt. Mögliche Beschichtmaterialien sind Bor- carbid oder SiC. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass insbesondere oberflächlich eine Korrosionsschutzschicht auf das Absorberelement 12 aufgetragen wird. Dies kann beispielsweise mittels eines Plasmaspritzverfahrens erfolgen. Beispiele für Materialien für solche Korrosionsschutzschichten sind Mullit oder Cordierit oder Aluminate. Diese werden an dem Oberflächenbereich 36 aufgetragen.
An dem Oberflächenbereich 36 erfolgt die primäre Strahlungsabsorption.
Dieser Oberflächenbereich 36 ist beispielsweise Sand, Salz, Stäuben, Wasser- dampf usw. ausgesetzt. Durch Plasmaspritzen wird im Wesentlichen eine Be- schichtung der ersten Fasergewebe-Lage 42 mit dem Beschichtungsmaterial durchgeführt, da die Tiefenwirkung begrenzt ist.
Es ist auch möglich, dass eine Infiltration oder Beschichtung mit einem
Si-Polymer erfolgt. Dadurch können Kreuzungspunkte an Fasern miteinander verklebt werden. Das Polymer muss dabei die Fasern benetzen können und auf den Fasern haften können.
Beispielsweise wird das Absorberelement 12 dadurch hergestellt, dass aus- gehend von einem Mischgewebe aus SiC Fasern und C-Fasern ein Vorkörper- Blockelement hergestellt wird. Es werden dazu entsprechende Precursoren für SiC und/oder SiBNC und/oder SiC und/oder SiON und/oder SiCN verwendet wie beispielsweise Polycarbosilane und/oder Polysilazane. Mittels Pressung, in einem Autoklav, einem Vakuuminfiltrationsprozess oder anderen Infiltrations- prozessen (eventuell unter Verwendung von Prepregs) wird der Vorkörper hergestellt. Es erfolgt dann eine Pyrolyse in einer Schutzgasatmosphäre. Beispielsweise wird in einer Stickstoffatmosphäre eine Pyrolyse mit Temperaturen bis zu 12000C durchgeführt. Es erfolgt dann eine Oxidation an Luft beispielsweise bei Temperaturen von ca. 10000C zum Entfernen des Kohlenstoff-Anteils im Mischgewebe. Ferner erfolgt dadurch eine oberflächliche Oxidation der Fasern zu SiO2. Es kann dann die CVI-Beschichtung der porösen Matrix erfolgen. Anschließend kann der optionale Korrosionsschutz aufgetragen werden. Durch die erfindungsgemäße Lösung erhält man ein Absorberelement 12 als Blockelement 34, welches aus einem offenporösen Silicium-basierten Keramikmaterial hergestellt ist. Eine entsprechende Absorbervorrichtung 10 weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Man erhält ein hohes optisches und hohes thermisches Absorptionsvermögen. Es ergibt sich eine Oxidationsstabilität und Korrosionsstabilität (insbesondere bezüglich Luftstäuben) bis zu einer Temperatur von mindestens 10000C (Oberflächentemperatur). Es lässt sich eine Wärmeleitfähigkeit bei der Verwendung von entsprechenden Fasern von 50 W/mK bei 10000C oder mehr erreichen. Man erhält eine hohe Thermo- schockbeständigkeit und Schadenstoleranz bei Aufheizraten bis ca. 100 K/min. Es wird erwartet, dass sich eine volumenspezifische Wärmeübertragungsfläche von größer 1500 m2/m3 erreichen lässt. Es lassen sich Wandstärken bzw.
Faserdurchmesser von kleiner 0,75 mm erreichen. Es lässt sich eine offene Porosität von größer 60 Volumen-% erreichen. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in einer Teildarstellung schematisch in Figur 2 gezeigt und dort mit 50 bezeichnet ist, ist eine Frontstruktur 52 vorgesehen, welche eine oder mehrere Fasergewebe-Lagen 54 aufweist. Die Fasern sind silicium-basiert, das heißt es handelt sich um SiX-Fasern (siehe oben).
Die Frontstruktur 52 sitzt an einer Hinterstruktur 56. Die Hinterstruktur 56 ist aus monolithischer Keramik hergestellt. Beispielsweise ist sie aus SiSiC hergestellt. In der Hinterstruktur 56 sind Kanäle 57 zur Fluidführung angeordnet. Diese Kanäle erstrecken sich insbesondere mindestens näherungsweise parallel zur z-Richtung. Die Fasergewebe-Lagen 54 dieser Fronstruktur 52 sind gefügt miteinander verbunden und die Frontstruktur 52 ist gefügt mit der Hinterstruktur 56 verbunden. Dazu wird ein Matrixmaterial SiY verwendet (siehe oben).
Das Material der Frontstruktur 52 und das Material der Hinterstruktur 46 wird dabei so gewählt, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient sich bei der Einsatztemperatur um höchstens 10 % unterscheidet. Beispielsweise liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient für ein
SiC-Gewebe zwischen 4 x 10"6/K und 4,5 x 10"6/K. Wenn die Hinterstruktur aus monolithischem SiSiC hergestellt wird, dann liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient bei 4,3 x 10"6/K. Bei dieser Ausgestaltung wird ein "thermal mismatch" vermieden.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, welches in Figur 3 schematisch dargestellt ist und dort mit 58 bezeichnet ist, ist eine Fronstruktur 60 vorgesehen, welche an einer Hinterstruktur entsprechend der Hinterstruktur 56 gemäß der Absorbervorrichtung 50 sitzt. Die Fronstruktur 60 weist dabei einzelne Gewebematten 62 mit Si-basierten Fasern auf.
Die Frontstruktur 60 sitzt an einem Träger 64, welcher sich wiederum an der Hinterstruktur 56 abstützt und insbesondere in direktem Kontakt mit dieser ist. Insbesondere ist keiner oder höchstens ein sehr geringer Luftspalt zwischen dem Träger 64 und der Hinterstruktur aus monolithischer Keramik vorgesehen.
Der Träger 64 ist als Gitterstruktur ausgebildet und aus einem metallischen Material hergestellt. Die Gewebematten der Frontstruktur 60 sind an der Gitterstruktur des Trägers 64 durch Befestigungselemente 66 mechanisch fixiert. Die Befestigungselemente 66 sind insbesondere lösbar. Beispielsweise handelt es sich um Formschlusselemente wie Schrauben und/oder Kraftschlusselemente wie Klemmen. Die Gewebematten 62 können dann bei Verschmutzung oder starker Oxidation einfach ausgetauscht werden, da diese insbesondere nicht stoffschlüssig mit dem Träger 64 und der Hinterstruktur verbunden sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (in den Zeichnungen nicht gezeigt) ist das entsprechende Absorberelement 12 aus (mindestens) einer Absorbermatte aus amorphen Si-basierten keramischen Fasern aufgebaut. Dadurch erhält man eine hohe Oxidationsbeständigkeit bei hohem Emissionsgrad bzw. Absorptionsgrad. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Absorbermatte austauschbar fixiert ist.
Unterhalb der Absorbermatte ist (mindestens) eine Matte aus keramischen Fasern angeordnet. Diese keramischen Fasern, die grundsätzlich auch oxidisch sein können, sollen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Diese gesamte Struktur wiederum sitzt auf einer Tragstruktur aus einer pechfaserverstärkten Matrix. Diese Tragstruktur weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit zur eigentlichen Energiegewinnung auf.
Der Aufbau kann beispielsweise über CVI-Verfahren oder CVD-Verfahren oder über LPI-Verfahren erfolgen. Es lässt sich ein gradierter Aufbau beispielsweise durch Wahl der Fasertypen, Faserorientierung, Einstellung der Porosität usw. erreichen. Über einen gradierten Aufbau können wiederum eine Vielzahl von gewünschten Eigenschaften gezielt angepasst werden. Es lassen sich dadurch auch große Strukturen mit einem guten Kosten-Nutzen-Verhältnis realisieren. Es lassen sich dadurch auch komplexe, wie beispielsweise gekrümmte Struk- turen realisieren. Durch einen hohen Faseranteil und durch eine hohe Porosität der Struktur kann eine hohe Thermoschockbeständigkeit und Schadenstoleranz erreicht werden, insbesondere im Hinblick auf thermomechanische Spannungen.

Claims

Patentansprüche
1. Absorbervorrichtung mit mindestens einem offenporösen Absorberelement (12), welches einen Oberflächenbereich (36) der Absorbervorrichtung bildet, wobei das mindestens eine Absorberelement (12) aus Lagen an Fasergewebe (42; 48) und einer Matrix hergestellt ist, wobei die Fasern aus SiX sind, mit X = C und/oder X = CN und/oder X = BCN, und die Matrix aus SiY ist, mit Y = C und/oder Y = BNC und/oder Y = OC und/oder Y = ON und/oder Y = CN.
2. Absorbervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absorberelement (12) ein einteiliges Blockelement (34) ist.
3. Absorbervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Lage (42) an Fasergewebe aus Faserbündeln mit einer K-Zahl größer 0,3 hergestellt ist.
4. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (42) an Fasergewebe eine zweidimensionale Struktur mit einer Fasererstreckung in einer ersten Richtung (x) und in einer zur ersten Richtung quer liegenden zweiten Richtung (y) aufweisen.
5. Absorbervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zweidimensionale Faserlagen (42) durch Fasern oder Fasergewebe verbunden sind, welche oder welches eine Erstreckung in einer dritten Richtung (z) quer zur ersten Richtung (x) und quer zur zweiten Richtung (y) aufweist.
6. Absorbervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern oder Fasergewebe mit der Erstreckung in der dritten Richtung (z) aus SiX hergestellt sind.
7. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasergewebe (42; 48) offenmaschig gewebt sind und/oder aus Mischgewebe hergestellt sind, welche C-Fasern aufweisen.
8. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SiX-Fasern eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK bei 10000C aufweisen.
9. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Porosität mindestens 60 Volumen-% beträgt.
10. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Fasern im Fasergewebe bei mindestens 2,3 g/cm3 liegt.
11. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absorberelement (12) aus zweidimensionalem Fasergewebe mit einer Flächendichte von mindestens 200 g/m2 hergestellt ist.
12. Absorbervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absorberelement (12) aus offenmaschigen Gewebegittern hergestellt ist.
13. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eine äußere Oxidationsschicht aufweisen.
14. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beschichtung.
15. Absorbervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus Borcarbid und/oder SiC ist.
16. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Korrosionsschutzbeschichtung.
17. Absorbervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung aus Cordierit und/oder Mullit und/oder Aluminate ist.
18. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine gradierte Ausbildung des mindestens einen Absorberelements (12) bezüglich Porosität und/oder Wärmeleitfähigkeit bezogen auf eine Querrichtung zu den Lagen an Fasergewebe.
19. Absorbervorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass von einer äußeren Oberfläche weg die Lagen an Fasergewebe durch Verringerung des Faseranteils offenmaschiger sind.
20. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fasergewebe eine Flächenanisotropie aufweist aufgrund Verwendung von SiX-Fasern unterschiedlicher Kristallinität.
21. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verklebung von Gewebekreuzungspunkten mittels eines Si-Polymers.
22. Absorbervorrichtung, umfassend mindestens ein Absorberelement (12) mit einer Frontstruktur (52) aus einer oder mehreren Faserngewebe- Lagen (54) und mit einer keramischen Hinterstruktur (56), wobei die Frontstruktur (52) mit der Hinterstruktur (56) durch Fügung mittels SiY verbunden ist, wobei die mindestens eine Fasergewebe-Lage (54) aus SiX-Fasern mit X = C und/oder X = CN und/oder X = BCN hergestellt ist und Y = C und/oder Y = BNC und/oder Y = OC und/oder Y = ON und/oder Y = CN ist, und wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient für das Fasergewebe der mindestens einen Fasergewebe-Lage (54) und der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials der Hinterstruktur sich mindestens bei der Einsatztemperatur der Absorbervorrichtung (56) um höchstens 10 % unterscheidet.
23. Absorbervorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterstruktur (56) aus einem monolithischen keramischen Material hergestellt ist.
24. Absorbervorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hinterstruktur (56) Kanäle (57) angeordnet sind.
25. Absorbervorrichtung, umfassend mindestens ein Absorberelement (12) mit einer Frontstruktur (60) aus mindestens einer Fasergewebe-Lage (62), mit einer keramischen Hinterstruktur und mit einem Träger (64) für die Frontstruktur (60), an welchem die Frontstruktur (60) durch mechanische Befestigungselemente (66) fixiert ist.
26. Absorbervorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (66) lösbare Formschlusselemente und/oder Kraftschlusselemente sind.
27. Absorbervorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (64) an der Hinterstruktur abgestützt ist.
28. Absorbervorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (64) eine Gitterstruktur ist.
29. Absorbervorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (64) aus einem metallischen Material ist.
30. Absorbervorrichtung, umfassend mindestens eine Absorbermatte aus amorphen Si-basierten keramischen Fasern, mindestens eine Matte aus keramischen Fasern, welche unterhalb der mindestens einen Absorber- matte angeordnet ist, und eine Tragstruktur, welche eine pechfaserverstärkte Matrix aufweist und mit Kanälen versehen ist.
31. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absorberelement (12) eine fluiddichte Einfassung (14) aufweist.
32. Absorbervorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (14) kelchartig ausgebildet ist.
33. Absorbervorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, gekennzeichnet durch mindestens einen Fluidabführungskanal (22), welcher an einer einer Beaufschlagungsseite abgewandten Seite (24) angeordnet ist.
34. Absorbervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Absorberelementen ein Spalt (28) liegt.
35. Verwendung der Absorbervorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche für einen Solarstrahlungsempfänger.
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