WO2012072677A2 - Solarstrahlungsempfängervorrichtung und verfahren zur solaren erhitzung von wärmeträgermedium - Google Patents

Solarstrahlungsempfängervorrichtung und verfahren zur solaren erhitzung von wärmeträgermedium Download PDF

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WO2012072677A2
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container
heat transfer
transfer medium
solar radiation
radiation receiver
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Reiner Buck
Lars Amsbeck
Marc Röger
Birgit Gobereit
Wei Wu
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a solar radiation receiver device.
  • the invention relates to a method for solar heating of heat transfer medium, are guided in the heat transfer medium through a solar radiation irradiated container, wherein a heat transfer medium film is formed on a wall of the container.
  • a solar radiation receiver device can be heated by solar radiation heat transfer medium such as (solid) particles and in particular ceramic particles to high temperatures, for example up to 1000 ° C.
  • solar radiation heat transfer medium such as (solid) particles and in particular ceramic particles to high temperatures, for example up to 1000 ° C.
  • a radiation receiver for transmitting the energy of incident solar radiation to solid particles which comprises an inclined plane having at the upper end of an inlet device for cold particles and at the bottom of a drain for hot particles.
  • a solar-heated industrial furnace with a reaction space which has a window for the entry of focused solar radiation, which is directed by a Strayo concentrator through the window in the reaction space, wherein a non-solar heat source is provided, the so is designed so that they can take their energy input in the absence or insufficient performance of the solar radiation.
  • the invention has for its object to provide a solar radiation receiver device, which has an optimized receiver efficiency.
  • a container having a wall, an inner space surrounded by the wall and a rotary drive means, through which the container is rotatable about a rotation axis, is provided, wherein the container has an axis which is parallel or in an acute Angle is oriented to the direction of gravity, wherein through the container heat transfer medium to form a heat transfer medium film on an inner side of the wall is feasible.
  • centrifugal forces caused by rotation of the container can form a heat transfer medium film and preferably coherent heat transfer medium film on the wall.
  • the container is acted upon by solar radiation and there is the heating of the heat transfer medium.
  • the speed is chosen so high that results in an optically dense or nearly dense heat transfer medium film over the entire circumference of the wall.
  • Temperature gradients in the heat transfer medium film can be compensated and a more homogeneous temperature distribution can thus be achieved.
  • control of the rotation and / or the angle to the direction of gravity can also be a controlled adjustment of the solar radiation receiver device, for example, in partial load operation or full load operation.
  • a solar radiation receiver device can be used, for example, for the exclusive solar operation of high temperature processes such as microturbines for solar power generation. Heated heat transfer medium can be stored easily. It can then be an on-demand service provision.
  • the angular position relative to the direction of gravity and the rotational speed of the container are preferably adapted to each other.
  • the adaptation can also include properties of the heat transfer medium and the wall and in particular the friction properties. If, for example, a solar radiation receiver device according to the invention is used in conjunction with a heliostat field, then usually the angle to the direction of gravity is predetermined. If the heat transfer medium type and the wall are then specified, then by appropriate selection or adjustment and, if appropriate, also variable input Position of the rotational speed (or speed) of the heat transfer medium film are generated.
  • the (geometrical) axis of the container basically has no preferred direction and the term "acute angle” refers to the fact that there is no such preferential direction.
  • the acute angle is the smallest angle of the angle between the axis of the container and the direction of gravity. (If the vessel is assigned a directional axis, for example, oriented between an entrance for particles and exit for particles, then "parallel” also includes antiparallel and "at an acute angle” also includes an obtuse angle.)
  • the heat transfer medium is formed by particles and / or a fluid (in particular a liquid).
  • the particles are in particular solid particles and in particular ceramic particles. It is also possible that a liquid such as a liquid salt or a salt mixture (such as a mixture of NaN0 3 and KN0 3 ) is used as the heat transfer medium.
  • a rotational speed of the container is greater than 80% of the root from the ratio of gravitation constant to an inner radius of the container, wherein the inner radius of the container, if it has different inner radii, in particular the smallest inner radius is used.
  • an optically dense or approximately dense heat transfer medium film can be achieved over the entire circumference of the wall of the container. It is particularly favorable when the speed is greater than 70% of the speed at which the entire heat transfer medium adheres to the wall.
  • a device for influencing the movement characteristic of the heat transfer medium in the interior is provided.
  • examples for example, provided for a correspondingly fast rotation of the container, so that the centrifugal force pushes the heat transfer medium against the wall. This gives increased wall adhesion or increased wall friction to increase the length of stay.
  • the duration of stay can for example also be defined or controlled by vibrations and / or by providing special running paths. It is then possible to achieve a greater temperature spread between the inlet and outlet of the heat transfer medium to the container and thereby the receiver efficiency can be increased.
  • the device for influencing the movement characteristic is designed as a device for controlling and in particular variably controlling the residence time of the particles in the interior space.
  • the efficiency can be increased, wherein an adaptation to changing conditions such as changing solar irradiation conditions is possible.
  • the axis of rotation is oriented parallel or at an acute angle less than or equal to 80 ° to the direction of gravity. This gives an optimized efficiency.
  • the axis of rotation can in principle also be offset with respect to the axis of the container.
  • the axis of rotation is oriented coaxially with the axis of the container.
  • the rotation of the container is variably variable in time in order to adapt to different conditions and in particular to carry out solar irradiation conditions in order to enable, for example, also different partial load operations.
  • a vibration device through which the container or one or more portions of the container are vibratable.
  • This allows, for example, a tangential velocity component for Generate heat transfer medium.
  • a combination of rotation with a suitable rotational speed can set a defined residence time or it can be the residence time control.
  • a residence time can also be adjusted relatively accurately locally.
  • the vibration device can be an additional device and / or the imbalance of a drive is used to generate vibrations.
  • the vibration device is designed so that the container or one or more portions of the container along the axis of the container are vibratable and / or a spatial position of the axis is temporally variable. It can then be carried out, for example, a tumbling motion.
  • a vibration of the heat transfer medium against gravity is possible because they are used especially when used as a heat transfer medium particles, provides for a "fluidization". This is particularly advantageous when the container has sloping walls, that is, when the diameter varies over a longitudinal axis of the container.
  • the vibration device is designed so that the vibration is temporally and / or spatially controllable. This makes it possible, for example, to adapt the heat transfer medium throughput time through the container to different solar irradiation conditions.
  • the wall facing the interior, has one or more defined running paths or one or more guide elements for heat transfer medium.
  • the heat transfer medium is on a specific Path is guided within the container and / or the film formation is improved.
  • the travel path for passing through the container can be increased and thereby the length of stay of the heat transfer medium in the container can be increased. Furthermore, this can be the heat transfer medium imprint a tangential velocity component.
  • a running path or guide element has web elements which lie in a plane perpendicular to the axis of the container or at an angle of at most 30 ° to this plane.
  • Heat transfer medium contacts the web elements.
  • the railway elements provide a guide. If the web elements lie in a plane perpendicular to the axis of the container or at an angle of at most 30 ° to this plane, then it is possible, for example, to impart a tangential velocity component to the heat transfer medium. Furthermore, the travel within the container can be increased.
  • the one or more running paths or the guide elements or a tangential alignment to the wall can be given a tangential velocity component.
  • steps and / or grooves and / or ribs and / or dents and / or wall roughnesses are formed on the wall.
  • the film formation can be improved and the residence time in the interior can be increased.
  • the device for influencing the movement characteristic comprises a field generating device for generating an electric field and / or magnetic field, wherein the heat carrier medium comprises particles and wherein the particles are electrically and / or magnetically charged.
  • Lorentz forces can thereby be formed (if the particles are electrically charged and a magnetic field acts on them) or electrostatic forces (if the particles are electrically charged and electric particles). acting on them), through which, with suitable training, the particles will move outward towards the wall. These are thereby pressed against the wall. This can increase the length of stay. It is also possible, for example, to influence the residence time for magnetically charged particles by appropriate choice of the Curie temperature.
  • the Curie temperature is reached within the container or when the container exits, then no magnetic coupling of the particles is more to the corresponding field and the particles can then be easily removed from the container.
  • the force between the field generator field and the magnetically charged particle is effectively turned off intrinsically at the Curie temperature.
  • an envelope of the wall on the interior has a varying cross-section and in particular is conical.
  • the wall is on all sides with respect to the envelope of an inclined plane on which the heat transfer medium can slide along or flow.
  • the interior tapers in the direction of gravity, so that the container is funnel-shaped.
  • the Solarstrahlungsbeaufschlagung takes place in particular via one side of the container, which has the smaller diameter.
  • the container has a coupling region for heat transfer medium and a coupling region for heat transfer medium. In one embodiment, the coupling region is located above the coupling-out region with respect to the direction of gravity.
  • heat transfer medium is carried out against the direction of gravity through the container. It is also possible in principle for the heat transfer medium to be guided against the direction of gravity in the container, that is to say the heat transfer medium is coupled to the container at the bottom in relation to the direction of gravity and is coupled out in relation to the direction of gravity. This can be achieved in particular by a combination of vibration and rotation with the appropriate rotational speed and, if appropriate, corresponding wall formation (in particular via an inclined wall). It is favorable if a supply device for heat transfer medium to the container is provided, with which heat transfer medium can be supplied to the container at an adapted peripheral speed.
  • the film formation can be minimally disturbed by the feed.
  • the supply device is in particular connected upstream of an adjustment device for the mass flow of the heat transfer medium. Both mass flow and peripheral speed can then be set individually. For the same reason, it is favorable if a discharge device for heat transfer medium is provided by the container, with which heat transfer medium with an adapted peripheral speed can be discharged from the container. As a result, the film formation is minimally disturbed by the discharge.
  • the invention is further based on the object to provide a method of the type mentioned, which results in an optimized receiver efficiency.
  • This object is achieved in the method mentioned in the present invention in that the container is rotated about an axis of rotation which is parallel or at an acute angle to the direction of gravity and / or the container is vibrated.
  • the method according to the invention has the advantages already explained in connection with the solar radiation receiver device according to the invention.
  • the acute angle is less than or equal to 80 °.
  • the heat transfer medium is irradiated directly in the container.
  • Solar radiation is coupled in particular at an underside of the container in the container.
  • the container has an axis which is aligned parallel to the direction of gravity or at an angle of less than 80 ° to the direction of gravity. As a result, an optimized efficiency can be achieved.
  • the container is vibrated with respect to an axis of the container and / or the spatial position of the axis is changed.
  • the movement characteristics of the heat transfer medium in the container can be selectively influenced, in particular to increase the receiver efficiency and / or to be able to adapt to changing conditions and in particular solar irradiation conditions.
  • the heat transfer medium comprises particles and the particles are electrically and / or magnetically charged and an electric field loading and / or magnetic field loading of the particles takes place.
  • appropriate forces can be exerted on the particles, which press them against the wall of the container, for example, in order to increase the length of stay.
  • the application of force is such that the particles are forced in the direction of the wall.
  • magnetic particles are selected so that the Curie temperature is at or below a desired temperature that is reached in the container. When the Curie temperature is reached, so to speak, the magnetic charge of the particles disappears and the corresponding force is then no longer effective.
  • a coupling of the particles can be achieved in a simple manner.
  • the Curie temperature corresponds to the target temperature for the decoupling.
  • the residence time of the heat transfer medium in the container is adapted to variable load requirements. This gives a variable adjustment of full load operation and partial load operation and adaptation to changing solar irradiation conditions is possible.
  • heat transfer medium is conveyed as a partial flow or total mass flow counter to the direction of gravity.
  • This can be achieved in particular by a combination of vibration and rotation with a suitable rotational speed.
  • the rotational speed is increased to increase a conveyance against the direction of gravity.
  • inclined walls, as they are present, for example, in a funnel-shaped design of the container, are also advantageous. This can be increased in particular by forming an advantageous temperature profile of the receiver efficiency.
  • the inlet and the outlet are interchanged with respect to the conventional transport direction.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of a second embodiment of a solar radiation receiver device.
  • Figure 4 is a schematic representation of a third embodiment of a solar radiation receiver device.
  • An exemplary embodiment of a solar thermal power plant which is shown schematically in FIG. 1 and designated therein by 10, comprises a heliostat field 12 having a plurality of heliostats 14.
  • a heliostat 14 has a mirror surface 16 which can be aligned about at least one axis.
  • Solar radiation 18 can be focused on the mirror surfaces 16 of the heliostat 12 to a solar radiation receiver device 20 in particular bundled.
  • Solar radiation directed at the solar radiation receiver device 20 is indicated by reference numeral 22 in FIG.
  • the solar thermal power plant 10 comprises (at least) a tower receiver 23, in which the solar radiation receiver device 20 is arranged on a tower 21 at a distance from a floor 24 (with respect to the direction of gravity g), that is to say it is elevated.
  • the heliostats 14 are also disposed on the floor 14.
  • the solar radiation receiver device 20 is a particle solar radiation receiver device which is operated with particles as a heat transfer medium.
  • the particles are, for example, ceramic particles.
  • bauxite particles having typical diameters between 0.3 mm to 1 mm are used.
  • the solar thermal power plant 10 for this purpose comprises a first circuit 26, which is a particle cycle.
  • the first circuit 26 has a high-temperature branch 30 and a low-temperature branch 32.
  • the low-temperature branch 32 leads from an output 34 of the heat exchanger 28 to an input 36 of the (particle) solar radiation receiver device 20.
  • the high-temperature branch 30 leads from an output 38 of the solar radiation receiver device 20 to an input 40 of the heat transmitter 28.
  • Particles can be thereby via the low-temperature branch 32 of the solar radiation receiver device 20 and are heated there by solar radiation. Heated particles can be supplied via the high-temperature branch 30 to the heat exchanger 28 and can deliver heat there to a second circuit 42.
  • a heat storage 44 (low-temperature heat storage) is arranged.
  • a heat store 46 (high-temperature heat store) to be arranged in the high-temperature branch 30.
  • the second circuit 42 is a turbine circuit.
  • a turbine 48 and in particular steam turbine is arranged, which is coupled to an electric generator 50 for generating thermal power.
  • the second circuit 42 comprises a high-temperature branch 52, which leads from an output 55 of the heat exchanger 28 to the turbine 48. Furthermore, the second circuit 42 comprises a low-temperature branch 54, wel rather, leads from the turbine 48 or turbine-downstream condenser 56 to an inlet 58 of the heat exchanger 28.
  • a pump 60 is arranged in the low-temperature branch 54, which conveys a fluid through the second circuit 42.
  • the steam is released and the condenser 46 is condensed to water.
  • This condensate is returned to the heat exchanger 28 in the low-temperature branch 54 for renewed steam generation.
  • a single-stage turbine arrangement is shown. It is also possible that the turbine arrangement is multi-stage.
  • a solar radiation receiver device it is also possible, for example, for a solar radiation receiver device to be used to generate process heat or to effect chemical conversions or to produce fuels. Other applications are conceivable.
  • a first exemplary embodiment of a (particle) solar radiation receiver device according to the invention which is shown in FIG. 2 and designated there by 62, comprises a container 64 with a wall 66.
  • the wall 66 surrounds an interior 68 of the container 64.
  • the container 64 has an axis 70, wherein in particular an inner side 72 of the container 64 is formed at least with respect to an envelope rotationally symmetrical to the axis 70.
  • the axis 70 is oriented parallel to the direction of gravity g or lies at an acute angle to the direction of gravity g, this acute angle is at most 80 °. It is usually specified by the orientation of heli-state 14.
  • the inside 72 of the container 64 is formed by a corresponding inner side of the wall 66.
  • the container 64 is funnel-shaped; of the
  • Interior 68 tapers from a top 74 to a bottom 76.
  • the container 64 has an opening 78, which is in particular circular.
  • Solar radiation 22 is coupled via the opening 78 in the container 64; the heliostats 14 of the heliostat 12 direct the solar radiation 22 to the opening 78.
  • the container 64 has at the top 74 an opening 80, which is also preferably circular.
  • the opening 80 has a larger diameter than the opening 78.
  • Particles 82 are guided via an insertion region 84 into the interior 68 of the container 64.
  • this coupling-in region 84 comprises or is formed by the opening 80 and is formed by the inlet 36 or is in communication therewith in fluid-effective communication with the particles.
  • "cold" particles 82 are introduced into the interior 68 of the container 64.
  • a coupling-out region 86 which comprises the opening 78 and is formed by this, and which is formed by the outlet 38 or with this compound which is fluidically active for the particles
  • the particle solar radiation receiver device 62 is embodied and operated in such a way that an as coherent particle film as a heat transfer medium film can form on the inside 72 of the wall 66.
  • the particles 82 slip on the inner side 62 from the coupling region 84 to the coupling-out region 86 and are in particular directly irradiated and heated by the solar radiation 22.
  • a device 88 for influencing the movement characteristic is provided which ensures, in particular, that the falling film is not thinned too much and that a high residence time in the interior 68, that is to say a high residence time for the application of the solar radiation, is achieved.
  • the device 88 can be used to control the heat absorption of the particles into the container 64 in order, for example, to adapt to varying load conditions (for example due to different solar irradiation).
  • the device 88 includes a rotary drive device 90 through which the container 64 is rotatable about a pivot axis 92.
  • the axis of rotation 92 is aligned parallel to the direction of gravity g or lies at most at an acute angle of 80 ° or less to the direction of gravity g. In particular, the axis of rotation 92 coincides with the axis 70.
  • the device 88 may include a vibrator 94 through which the container 64 is vibratable (indicated by reference numeral 96 in FIG. 2).
  • the vibration can be such that, for example, the container 64 rotates along its axis 70. It is alternatively or additionally possible that, for example, the spatial position of the axis 70 is changed in an oscillating manner by the vibration.
  • the container 64 may perform a kind of wobbling motion.
  • the device 88 comprises a field generating device 98 for generating an electric field and / or magnetic field, with which the interior space 68 can be acted upon. In this case, the particles 82 are electrically and / or magnetically charged.
  • the particles 82 are electrically charged and the field generating device 98 generates a magnetic field, then the particles 82 experience a Lorentz force in the magnetic field, with the particles being moved outward in the direction of the inside 72 of the wall 66 if the magnetic field is oriented accordingly can.
  • electrostatic forces can also cause it to move outward.
  • an outward movement toward the wall 66 can also be effected by an electric and / or magnetic field. It is also possible to select the particles so that the Curie temperature is at or below a target temperature (outlet temperature) of the particle solar radiation receiver device 62. When the corresponding Curie temperature is reached, the particles 82 lose their magnetic charge and the force generated by the field generator 98 decreases. As a result, corresponding particles 82 can be removed in a simple manner. As a result, the effect of the field-generating device 98 on the particles 82 is effectively switched off.
  • the method according to the invention works as follows:
  • the axis 70 is parallel to the direction of gravity g or at most inclined at a small acute angle (in particular less than 80 °) to the direction of gravity g.
  • the container 64 is funnel-shaped.
  • Measures can be taken via the device 88 in order to "hold” the particles 82 on the wall 66 and, if appropriate, also to control them variably. With appropriate implementation of the method, it is even possible in principle to convey particles 82 (as a partial flow or total mass flow) counter to the direction of gravity g (indicated by the reference numeral 100 in FIG. 2).
  • the container 64 is rotated.
  • the rotation is so fast that the particle film due to centrifugal forces and particle-wall friction on the inside 72 of the wall 66 can form.
  • the container 64 is rotated so fast that results in an optically dense particle film over the entire circumference of the wall.
  • the speed is selected so that it is greater than 70% of the speed at which all particles 82 adhere to the wall 66.
  • the speed (in units of rad / s) is greater than 80% of the ratio of the root of the gravitational constant g to that
  • Inner radius R of the wall 66 n> 0.8 (gl R) 2 .
  • a delivery against the direction of gravity g can be achieved, at least for a partial flow, in particular if the wall 66 is designed accordingly (see below).
  • vibration and / or rotation can be varied over time in order in particular to obtain a tangential velocity component. witness. Also, this can be achieved against the direction of gravity g in particular with a suitable inclination of the axis 70 to the direction of gravity g.
  • appropriate variable control of the rotation and / or vibration can also be adapted to changing load conditions, in particular due to different solar irradiation conditions.
  • the field-generating device 98 can influence the movement characteristic and, in particular, increase the residence time in the container 64.
  • the "falling speed" (axial passage speed) of the particles 82, which form the particle film can be reduced and, in particular, reduced in a controlled manner.
  • a tangential component can be applied to the particle velocity.
  • Particles 82 can be controlled to the inside 72 lead. There is a deceleration by friction to increase the length of stay.
  • the supply and the discharge of the particles takes place at a speed which corresponds at least approximately to the peripheral speed of the container 64. If the feeding is done accordingly, then it is prevented that the film formation is made difficult due to the feeding process. If the circumferential velocity is included in the removal of the particles, then an excessive deviation of the particles from their movement characteristics within the container is avoided. In turn, a disturbance of the film formation due to removal is minimized. Furthermore, then abrasion losses are minimized in the discharge and delivery.
  • a further embodiment of a particle solar radiation receiver device which is shown in Figure 3 in a partial view and there with 102 includes a container 104.
  • the container 104 in turn has a wall 106 which defines an inner space 108 and thereby surrounds the interior.
  • An envelope of an inner side 110 of the wall 106 tapers from a coupling-in region 112 to a coupling-out region 114.
  • the coupling-in region 112 lies above the coupling-out region 114 with respect to the direction of gravity g.
  • Solar radiation 22 is coupled into the inner space 108 via the coupling-out region 114.
  • the container 104 has an axis 116, wherein in particular the inside of the wall 110 with respect to its envelope is rotationally symmetrical to the axis 116.
  • the axis 116 is slightly inclined (at an angle less than or equal to 80 °) with respect to the direction of gravity g.
  • a device 118 for influencing the movement characteristic of particles 82 is formed, which are introduced via the coupling-in region 112 into the inner space 108.
  • This device 118 comprises (at least) a running path 120 or guide element on the inner side 110 of the wall 106.
  • a track 120 has guide elements 122 supported by soft particles 82, a track element 122 being oriented parallel to a plane 124 which is perpendicular to the axis 116 or at a small acute angle, in particular less than or equal to 30 ° to this axis 116 is located.
  • running paths 120 and guide elements which are formed by a profiling of the wall 106 on the inner side 110, the residence time of particles 82 in the inner space 108 can be increased, since the axial passage speed is reduced or the residence time is increased. This can be achieved in combination with a rotation and / or vibration and / or field generation, as described in connection with the particle solar radiation receiver device 62.
  • the residence time of the particles 82 in the inner space 108 can be increased.
  • the travel paths 120 or guide elements are formed by steps 126 on the inside of the wall 106.
  • a plurality of spaced-apart steps 126 are provided, wherein the steps 126 are aligned in particular parallel to one another.
  • the running paths 120 or guide elements can for example also be formed by grooves, ribs, dents, wall roughness, etc.
  • the steps 126 of the container 104 are spaced from one another. It is also possible for one or more running paths 120 or guide elements to be present, which pass through at least a portion of the container 104 and thereby have an axial extension with a component parallel to the axis 116.
  • the solar radiation receiver device 110 is operated as described above.
  • a temperature gradient can arise in the film of the particles 82 in the inner space 108.
  • a tangential velocity component leads to a temperature compensation in the circumferential direction, since in particular different zones in the circumferential direction are passed through several times. As a result, the temperature distribution for the particle temperature is more homogeneous when the particles are coupled out.
  • a container 130 having an axis 132 is provided.
  • the axis 132 which is a longitudinal axis, is inclined at an angle to the direction of gravity g. The angle is, for example, at 45 °.
  • the container 130 is rotatable about an axis of rotation which, for example, coincides with the axis 132. Furthermore, it is optionally vibratable.
  • the container 130 has a feed end 134 for (cold) heat transfer medium and a discharge end 136 for (hot) heat transfer medium.
  • Solar radiation 18 is coupled into the container 130 in the region of the discharge end 136. It can be provided that a partial flow or a total mass flow of heat transfer medium in the container 130 is conveyed against the direction of gravity.
  • the container 130 is associated with a feed device 138 for heat transfer medium.
  • the latter is seated at the feed end 134.
  • the feed device 138 is funnel-shaped with a first end 140 and a second end 142. Via the first end 140, the feed device 138 sits at the feed end 134.
  • the device 138 at the second end 142 is smaller than at the first end 140.
  • the supply device 138 is in particular at least partially designed as a heat exchanger; It is exposed to solar radiation and / or thermal radiation from other components.
  • the corresponding heat can be used.
  • correspondingly applied walls are at least partially made of a material of high thermal conductivity (in particular metallic thermal conductivity). Via the walls a thermal contact with a heat transfer medium is realized.
  • the walls may additionally be provided with a surface enlarging structure such as ribs, fins, etc. The surface-enlarging structure can simultaneously have a guiding function for particles. This results in a compact design optimized efficiency.
  • the supply device 138 is designed such that heat transfer medium and in particular particles can be supplied to the container 130 at a peripheral speed, which is optimized for the film formation in the container 130.
  • a solar radiation receiver device can be used in a solar thermal power plant or, for example, also for the provision of process heat. In particular, it can be used when high process temperatures are present and in particular a small to medium power is delivered.
  • An application such as a solar thermal power plant advantageously has one or more reservoirs, each having at least one container which is thermally insulated and in which hot particles are collected. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

Es wird eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Behälter mit einer Wandung, einen von der Wandung umgebenen Innenraum und eine Drehantriebseinrichtung, durch welche der Behälter um eine Drehachse rotierbar ist, wobei der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel zur Schwerkraftrichtung orientiert ist, wobei durch den Behälter Wärmeträgermedium unter Bildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung durchführbar ist.

Description

Solarstrahlungsempfängervorrichtung und Verfahren zur solaren Erhitzung von Wärmeträgermedium
Die Erfindung betrifft eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur solaren Erhitzung von Wärmeträgermedium, bei dem Wärmeträgermedium durch einen solar- strahlungsbeaufschlagten Behälter geführt werden, wobei ein Wärmeträgermedium-Film an einer Wandung des Behälters ausgebildet wird.
Durch eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung lässt sich durch Solar- Strahlung Wärmeträgermedium wie (Festkörper-)Partikel und insbesondere keramische Partikel auf hohe Temperaturen beispielsweise bis zu 1000°C erhitzen.
Aus der WO 2010/015515 A2 ist ein Strahlungsreceiver zur Übertragung der Energie einfallender Solarstrahlung auf Feststoffpartikel bekannt, welcher eine schiefe Ebene umfasst, die am oberen Ende einer Einlassvorrichtung für kalte Partikel und am unteren Ende einen Ablauf für heiße Partikel aufweist.
Aus der DE 103 43 861 AI ist ein solarbeheizter Industrieofen mit einem Reaktionsraum bekannt, der ein Fenster für den Eintritt fokussierter Solarstrahlung aufweist, die von einem Strahiungskonzentrator durch das Fenster in den Reaktionsraum geleitet wird, wobei eine nicht-solare Heizquelle vorgesehen ist, die derart ausgelegt ist, dass sie bei Ausbleiben oder unzureichender Leistung der Solarstrahlung deren Energieeintrag übernehmen kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung bereitzustellen, welche einen optimierten Empfänger-Wirkungsgrad hat. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Behälter mit einer Wandung, einem von der Wandung umgebenen Innenraum und einer Drehantriebseinrichtung, durch welche der Behälter um eine Drehachse rotierbar ist, vorgesehen ist, wobei der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel zur Schwerkraftrichtung orientiert ist, wobei durch den Behälter Wärmeträgermedium unter Bildung eines Wärmeträgermedium-Films an einer Innenseite der Wandung durchführbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängervorrichtung lässt sich an der Wandung aufgrund durch Rotation des Behälters bewirkter Fliehkräfte ein Wärmeträgermedium-Film und vorzugsweise zusammenhängender Wärmeträgermedium-Film bilden. Der Behälter wird durch Solarstrahlung beaufschlagt und es erfolgt die Erhitzung des Wärmeträgermediums.
Durch entsprechend schnelle Rotation des Behälters lässt sich erreichen, dass Fliehkräfte das Wärmeträgermedium an die Wandung drücken und man dadurch eine erhöhte Wandhaftung erhält. Dadurch wiederum lässt sich die Aufenthaltszeit des Wärmeträgermediums in dem Behälter vergrößern. Weiterhin kann dadurch das Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeit erhalten. Dadurch lässt sich der Wärmeträgermediumverlust (das heißt der Durchlauf von Wärmeträgermedium ohne ausreichende Erhitzung im Behälter) reduzieren, da Wärmeträgermedium nach außen gegen die Wandung verlagert wird. Durch eine Tangentialgeschwindigkeit lässt sich auch ein Temperaturausgleich in Umfangsrichtung erreichen, da beispielsweise unterschiedliche Zonen in Umfangsrichtung mehrfach von Wärmeträgermedium durchlaufen werden. Dadurch erhält man eine homogenere Temperaturverteilung beim Austritt des Wärmeträgermediums aus dem Behälter. Die Drehzahl wird so hoch gewählt, dass sich ein optisch dichter oder annähernd dichter Wärmeträgermedium-Film über den gesamten Umfang der Wandung ergibt. Es lässt sich insbesondere die Aufenthaltszeit des Wärmeträgermediums in dem Innenraum erhöhen. Dadurch lässt sich der Empfänger-Wirkungsgrad erhöhen.
Es lassen sich Temperaturgradienten im Wärmeträgermedium-Film aus- gleichen und es lässt sich dadurch eine homogenere Temperaturverteilung erreichen.
Durch entsprechende Steuerung der Rotation und/oder des Winkels zur Schwerkraftrichtung kann auch eine gesteuerte Anpassung der Solar- Strahlungsempfängervorrichtung beispielsweise im Teillastbetrieb bzw. Volllastbetrieb erfolgen.
Eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung kann beispielsweise für den ausschließlich solaren Betrieb von Hochtemperaturprozessen wie beispielsweise Mikroturbinen zur solaren Stromerzeugung verwendet werden. Erhitztes Wärmeträgermedium lässt sich auf einfache Weise speichern. Es kann dann eine bedarfsgesteuerte Leistungsbereitstellung erfolgen.
Um einen möglichst zusammenhängenden Wärmeträgermedium-Film zu er- zeugen, werden vorzugsweise die Winkelstellung zur Schwerkraftrichtung und die Rotationsgeschwindigkeit des Behälters aneinander angepasst. An die Anpassung können auch noch Eigenschaften des Wärmeträgermediums und der Wandung und insbesondere die Reibungseigenschaften eingehen. Wenn beispielsweise eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung in Verbindung mit einem Heliostatenfeld eingesetzt wird, dann ist üblicherweise der Winkel zur Schwerkraftrichtung vorgegeben. Wenn dann die Wärmeträgermediumart und die Wandung vorgegeben ist, dann kann durch entsprechende Wahl bzw. Einstellung und gegebenenfalls auch variable Ein- Stellung der Rotationsgeschwindigkeit (bzw. Drehzahl) der Wärmeträgermedium-Film erzeugt werden.
Die (geometrische) Achse des Behälters hat grundsätzlich keine Vorzugs- richtung und die Angabe "spitzer Winkel" bezieht sich darauf, dass keine solche Vorzugsrichtung vorliegt. Der spitze Winkel ist der kleinste Winkel der Winkel zwischen der Achse des Behälters und der Schwerkraftrichtung. (Wenn dem Behälter eine Richtungsachse zugeordnet wird, welche beispielsweise zwischen einem Eingang für Partikel und Ausgang für Partikel orientiert ist, dann schließt "parallel" auch antiparallel ein und "in einem spitzen Winkel" schließt auch einen stumpfen Winkel ein.)
Insbesondere ist der spitze Winkel kleiner oder gleich 80°. Das Wärmeträgermedium ist durch Partikel und/oder ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) gebildet. Bei den Partikeln handelt es sich insbesondere um Festkörperpartikel und insbesondere keramische Partikel . Es ist auch möglich, dass als Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit wie beispielsweise ein flüssiges Salz bzw. eine Salzmischung (wie beispielsweise eine Mischung aus NaN03 und KN03) eingesetzt wird.
Günstig ist es, wenn eine Drehzahl des Behälters größer als 80 % der Wurzel aus dem Verhältnis von Gravitationskonstante zu einem Innenradius des Behälters ist, wobei als Innenradius des Behälters, wenn dieser unterschiedliche Innenradien aufweist, insbesondere der kleinste Innenradius verwendet wird. Dadurch lässt sich ein optisch dichter oder annähernd dichter Wärmeträgermedium-Film über den gesamten Umfang der Wandung des Behälters erreichen. Es ist dabei insbesondere günstig, wenn die Drehzahl größer als 70 % der Drehzahl ist, bei der das gesamte Wärmeträgermedium an der Wandung haftet.
Es ist insbesondere eine Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums in dem Innenraum vorgesehen. Bei- spielsweise ist für eine entsprechend schnelle Rotation des Behälters gesorgt, sodass die Fliehkraft das Wärmeträgermedium gegen die Wandung drückt. Dadurch erhält man erhöhte Wandhaftung bzw. erhöhte Wandreibung, um die Aufenthaltsdauer zu erhöhen. Die Aufenthaltsdauer kann beispielsweise auch durch Vibrationen und/oder durch Bereitstellung von speziellen Laufpfaden definiert eingestellt bzw. gesteuert werden. Es lässt sich dann eine größere Temperaturspreizung zwischen Eintritt und Austritt des Wärmeträgermediums an dem Behälter erreichen und dadurch lässt sich der Empfänger-Wirkungsgrad erhöhen.
Insbesondere ist die Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik als Einrichtung zur Steuerung und insbesondere variablen Steuerung der Aufenthaltszeit der Partikel in dem Innenraum ausgebildet. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad erhöhen, wobei auch eine Anpassung an sich verän- dernde Bedingungen wie beispielsweise verändernde solare Einstrahlungsbedingungen möglich ist.
Insbesondere ist die Drehachse parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung orientiert. Dadurch erhält man einen optimierten Wirkungsgrad. Die Drehachse kann grundsätzlich auch versetzt gegenüber der Achse des Behälters sein.
Bei einer Ausführungsform ist die Drehachse koaxial zur Achse des Behälters orientiert.
Es ist günstig, wenn die Rotation des Behälters zeitlich variabel steuerbar ist, um eine Anpassung an unterschiedliche Bedingungen und insbesondere solare Einstrahlungsbedingungen durchzuführen, um so beispielsweise auch unterschiedliche Teillastbetriebe zu ermöglichen.
Es kann eine Vibrationseinrichtung vorgesehen sein, durch welche der Behälter oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters vibrierbar sind. Dadurch lässt sich beispielsweise eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente für Wärmeträgermedium erzeugen. Insbesondere durch eine Kombination von Rotation mit geeigneter Rotationsgeschwindigkeit lässt sich eine definierte Aufenthaltszeit einstellen bzw. es lässt sich die Aufenthaltszeit steuern. Ferner lässt sich eine Aufenthaltszeit auch relativ genau lokal einstellen. Die Vibra- tionseinrichtung kann eine zusätzliche Einrichtung sein und/oder die Unwucht eines Antriebs wird genutzt, um Vibrationen zu erzeugen.
Es kann dadurch beispielsweise auch eine Förderung von Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung innerhalb des Behälters erreicht werden.
Insbesondere ist die Vibrationseinrichtung so ausgebildet, dass der Behälter oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters längs der Achse des Behälters vibrierbar sind und/oder eine räumliche Lage der Achse zeitlich veränderbar ist. Es lässt sich dann beispielsweise auch eine Taumelbewegung durchführen.
Beispielsweise ist durch eine Vibration auch eine Förderung des Wärmeträgermediums entgegen der Schwerkraft möglich, da sie insbesondere wenn als Wärmeträgermedium Partikel eingesetzt werden, für eine "Fluidisierung" sorgt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Behälter schräge Wände aufweist, das heißt wenn über eine Längsachse des Behälters der Durchmesser variiert.
Es kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, dass die Vibrationseinrichtung so ausgebildet ist, dass die Vibration zeitlich und/oder räumlich steuerbar ist. Dadurch ist eine Anpassung beispielsweise der Wärmeträgermediumdurchlauf- zeit durch den Behälter an unterschiedliche solare Einstrahlungsbedingungen möglich. Bei einer Ausführungsform weist die Wandung dem Innenraum zugewandt einen oder mehrere definierte Laufpfade oder ein oder mehrere Führungselemente für Wärmeträgermedium auf. Durch einen oder mehrere Laufpfade bzw. Führungselemente wird das Wärmeträgermedium auf einer bestimmten Bahn innerhalb des Behälters geführt und/oder die Filmausbildung wird verbessert. Bei entsprechender Ausbildung der Bahn bzw. der Führungselemente lässt sich der Laufweg zum Durchlaufen des Behälters vergrößern und dadurch lässt sich die Aufenthaltsdauer des Wärmeträgermediums im Behälter ver- größern. Weiterhin lässt sich dadurch dem Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente aufprägen.
Insbesondere weist ein Laufpfad oder Führungselement Bahnelemente auf, welche in einer Ebene senkrecht zu der Achse des Behälters liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene liegen. Wärmeträgermedium kontaktiert die Bahnelemente. Die Bahnelemente sorgen für eine Führung. Wenn die Bahnelemente in einer Ebene senkrecht zur Achse des Behälters liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene, dann ist es beispielsweise möglich, dem Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwin- digkeitskomponente zu erteilen. Weiterhin lässt sich der Laufweg innerhalb des Behälters vergrößern.
Insbesondere weisen der oder die Laufpfade bzw. das oder die Führungselemente eine Tangentialausrichtung zur Wandung auf. Dadurch lässt sich Wärmeträgermedium eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente erteilen.
An der Wandung sind beispielsweise Stufen und/oder Rillen und/oder Rippen und/oder Dellen und/oder Wandungsrauhigkeiten gebildet. Dadurch kann die Filmbildung verbessert werden und die Aufenthaltsdauer im Innenraum ver- größert werden.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik eine Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Felds und/oder magnetischen Felds, wobei das Wärmeträger- medium Partikel umfasst und wobei die Partikel elektrisch und/oder magnetisch geladen sind. Es lassen sich dadurch Lorentzkräfte bilden (wenn die Partikel elektrisch geladen sind und ein Magnetfeld auf sie wirkt) bzw. elektrostatische Kräfte (wenn die Partikel elektrisch geladen sind und elektrische Fei- der auf sie wirken) erzeugen, durch welche bei geeigneter Ausbildung eine Bewegung der Partikel nach außen zu der Wandung hin erfolgt. Diese werden dadurch gegen die Wandung gedrückt. Dadurch lässt sich die Aufenthaltsdauer erhöhen. Es ist beispielsweise auch möglich, eine Beeinflussung der Aufent- haltsdauer bei magnetisch geladenen Partikeln über entsprechende Wahl der Curie-Temperatur zu erreichen . Wenn beispielsweise innerhalb des Behälters oder beim Austritt des Behälters die Curie-Temperatur erreicht ist, dann erfolgt keine magnetische Kopplung der Partikel mehr an das entsprechende Feld und die Partikel lassen sich dann auf einfache Weise aus dem Behälter abführen. Die Kraft zwischen dem Feld der Felderzeugungseinrichtung und dem magnetisch geladenen Partikel wird gewissermaßen bei der Curie-Temperatur intrinsisch abgeschaltet.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Einhüllende der Wandung am Innenraum einen variierenden Querschnitt hat und insbesondere kegelförmig ist. Dadurch ist die Wandung an ihrer Innenseite allseitig bezüglich der Einhüllenden einer schiefen Ebene, an der Wärmeträgermedium entlang gleiten bzw. fließen kann. Insbesondere verjüngt sich der Innenraum in Schwerkraftrichtung, sodass der Behälter trichterförmig ausgebildet ist. Die Solarstrahlungsbeaufschlagung erfolgt dabei insbesondere über eine Seite des Behälters, welche den kleineren Durchmesser aufweist. Günstig ist es, wenn der Behälter einen Einkopplungsbereich für Wärmeträgermedium und einen Auskopplungsbereich für Wärmeträgermedium aufweist. Bei einer Ausführungsform liegt der Einkopplungsbereich bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb des Auskopplungsbereichs. An dem Einkopplungsbereich wird "kaltes" Wärmeträgermedium eingekoppelt und an dem Auskopplungsbereich wird "heißes", durch Solarstrahlung erhitztes Wärmeträgermedium ausgekoppelt. Das Wärmeträgermedium wird entgegen der Schwerkraftrichtung durch den Behälter durchgeführt. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Wärmeträgermedium entgegen der Schwerkraftrichtung in dem Behälter geführt wird, das heißt Wärmeträgermedium bezogen auf die Schwerkraftrichtung unten an den Behälter eingekoppelt wird und oben bezogen auf die Schwerkraftrichtung ausgekoppelt wird. Dies lässt sich insbesondere durch eine Kombination von Vibration und Rotation mit der geeigneten Rotationsgeschwindigkeit und gegebenenfalls entsprechender Wandungsausbildung (insbesondere über eine schräge Wandung) erreichen. Günstig ist es, wenn eine Zuführungseinrichtung für Wärmeträgermedium zu dem Behälter vorgesehen ist, mit welcher Wärmeträgermedium auf einer an- gepassten Umfangsgeschwindigkeit dem Behälter zuführbar ist. Dadurch lässt sich bei entsprechender Einstellung der Umfangsgeschwindigkeit bei der Ein- kopplung des Wärmeträgermediums in den Behälter erreichen, dass durch die Zuführung die Filmbildung minimal gestört wird. Der Zuführungseinrichtung ist insbesondere eine Einsteileinrichtung für den Massenstrom des Wärmeträgermediums vorgeschaltet. Es können dann sowohl Massenstrom als auch Umfangsgeschwindigkeit individuell eingestellt werden. Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Abführungseinrichtung für Wärmeträgermedium von dem Behälter vorgesehen ist, mit welcher Wärmeträgermedium mit einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit vom Behälter abführbar ist. Dadurch wird durch die Abführung die Filmbildung minimal gestört.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches einen optimierten Empfänger-Wirkungsgrad ergibt. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Behälter um eine Drehachse rotiert wird, welche parallel oder in einem spitzen Winkel zur Schwerkraftrichtung liegt und/oder der Behälter vibriert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfängervorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere an der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführen .
Insbesondere ist der spitze Winkel kleiner oder gleich 80°.
Insbesondere wird dabei das Wärmeträgermedium in dem Behälter direkt bestrahlt. Solarstrahlung wird insbesondere an einer Unterseite des Behälters in den Behälter eingekoppelt.
Günstig ist es, wenn der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel zur Schwerkraftrichtung oder in einem Winkel kleiner 80° zur Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist. Dadurch lässt sich ein optimierter Wirkungsgrad erreichen.
Günstig ist es, wenn der Behälter bezüglich einer Achse des Behälters vibriert wird und/oder die räumliche Lage der Achse verändert wird. Dadurch lässt sich die Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums in dem Behälter gezielt beeinflussen, um insbesondere den Empfänger-Wirkungsgrad zu erhöhen und/oder eine Anpassung an sich verändernde Bedingungen und insbesondere solare Einstrahlungsbedingungen durchführen zu können.
Es kann vorgesehen sein, dass das Wärmeträgermedium Partikel umfasst und die Partikel elektrisch und/oder magnetisch geladen sind und eine elektrische Feldbeaufschlagung und/oder magnetische Feldbeaufschlagung der Partikel erfolgt. Dadurch lassen sich bei geeigneter Ausbildung entsprechende Kräfte auf die Partikel ausüben, welche diese beispielsweise gegen die Wandung des Behälters drücken, um so die Aufenthaltsdauer zu erhöhen. Insbesondere ist die Kraftbeaufschlagung derart, dass die Partikel in Richtung der Wandung gezwungen werden. Bei einer Ausführungsform sind magnetische Partikel so gewählt, dass die Curie-Temperatur bei oder unterhalb einer Soll-Temperatur liegt, welche im Behälter erreicht wird. Wenn die Curie-Temperatur erreicht ist, dann verschwindet gewissermaßen die magnetische Ladung der Partikel und die entsprechende Kraft ist dann nicht mehr wirksam . Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Auskopplung der Partikel erreichen. Beispielsweise entspricht die Curie-Temperatur der Soll-Temperatur für die Auskopplung.
Günstig ist es, wenn eine Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums so beeinflusst wird, dass die Aufenthaltszeit des Wärmeträgermediums im Be- hälter vergrößert wird. Dadurch ergibt sich ein vergrößerter Empfänger-Wirkungsgrad.
Es ist auch günstig, wenn die Aufenthaltsdauer des Wärmeträgermediums im Behälter variablen Lastanforderungen angepasst wird. Dadurch erhält man eine variable Einstellung von Volllastbetrieb und Teillastbetrieb und es ist eine Anpassung an sich verändernde solare Einstrahlungsbedingungen möglich.
Bei einer Ausführungsform wird Wärmeträgermedium als Teilstrom oder Gesamtmassenstrom entgegen der Schwerkraftrichtung gefördert. Dies lässt sich insbesondere durch eine Kombination von Vibration und Rotation mit geeigneter Rotationsgeschwindigkeit erreichen. Insbesondere wird die Rotationsgeschwindigkeit erhöht, um eine Förderung entgegen der Schwerkraftrichtung zu erhöhen. Unter Umständen sind dazu auch schräge Wände, wie sie beispielsweise bei einer trichterförmigen Ausbildung des Behälters vorliegen, vorteilhaft. Dadurch lässt sich insbesondere durch Ausbildung eines vorteilhaften Temperaturprofils der Empfängerwirkungsgrad erhöhen. Insbesondere werden bei Transport entgegen der Schwerkraftrichtung Einlass und Auslass gegenüber der konventionellen Transportrichtung vertauscht. Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines solarthermischen Kraftwerks; eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Solarstrahlungsempfänger Vorrichtung;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung; und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Solarstrahlungsempfängervorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel eines solarthermischen Kraftwerks, welches in Figur 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Heliostatenfeld 12 mit einer Mehrzahl von Heliostaten 14. Ein Heliostat 14 hat eine Spiegelfläche 16, welche sich um mindestens eine Achse ausrichten lässt. Solarstrahlung 18 lässt sich über die Spiegelflächen 16 des Heliostatenfelds 12 auf eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 insbesondere gebündelt richten. Auf die Solarstrahlungs-Empfängervorrichtung 20 gerichtete Solarstrahlung ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das solarthermische Kraftwerk 10 (mindestens) einen Turmreceiver 23, bei welchem die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 an einem Turm 21 beabstandet zu einem Boden 24 (bezogen auf die Schwerkraftrichtung g) angeordnet ist, das heißt erhöht angeordnet ist. Die Heliostaten 14 sind ebenfalls an dem Boden 14 angeordnet. Die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 ist eine Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung, welche mit Partikeln als Wärmeübertragungsmedium betrieben wird. Die Partikel sind beispielsweise Keramikpartikel . Bei einer Ausführungsform werden Bauxit-Partikel mit typischen Durchmessern zwi- sehen 0,3 mm bis 1 mm eingesetzt.
Das solarthermische Kraftwerk 10 umfasst dazu einen ersten Kreislauf 26, welcher ein Partikelkreislauf ist. In diesem ersten Kreislauf 26 werden Partikel durch einen Wärmeübertrager 28 durchgeführt. Der erste Kreislauf 26 weist einen Hochtemperaturzweig 30 und einen Niedertemperaturzweig 32 auf. Der Niedertemperaturzweig 32 führt von einem Ausgang 34 des Wärmeübertragers 28 zu einem Eingang 36 der (Partikel-)Solarstrahlungsempfänger- vorrichtung 20. Der Hochtemperaturzweig 30 führt von einem Ausgang 38 der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 zu einem Eingang 40 des Wärme- Übertragers 28. Partikel lassen sich dadurch über den Niedertemperaturzweig 32 der Solarstrahlungsempfängervorrichtung 20 zuführen und werden dort über Solarstrahlung aufgeheizt. Aufgeheizte Partikel lassen sich über den Hochtemperaturzweig 30 dem Wärmeübertrager 28 zuführen und können dort Wärme an einen zweiten Kreislauf 42 abgeben .
Es kann dabei vorgesehen sein, dass in dem Niedertemperaturzweig 32 ein Wärmespeicher 44 (Niedertemperatur-Wärmespeicher) angeordnet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass in dem Hochtemperaturzweig 30 ein Wärmespeicher 46 (Hochtemperatur-Wärmespeicher) angeordnet ist.
Der zweite Kreislauf 42 ist ein Turbinenkreislauf. In ihm ist eine Turbine 48 und insbesondere Dampfturbine angeordnet, welche an einen elektrischen Generator 50 zur thermischen Stromerzeugung gekoppelt ist.
Der zweite Kreislauf 42 umfasst dabei einen Hochtemperaturzweig 52, welcher von einem Ausgang 55 des Wärmeübertragers 28 zu der Turbine 48 führt. Ferner umfasst der zweite Kreislauf 42 einen Niedertemperaturzweig 54, wel- eher von der Turbine 48 oder einem der Turbine nachgeschalteten Kondensator 56 zu einem Eingang 58 des Wärmeübertragers 28 führt.
In dem Niedertemperaturzweig 54 ist insbesondere eine Pumpe 60 angeord- net, welche ein Fluid durch den zweiten Kreislauf 42 fördert.
An dem Wärmeübertrager 28 wird im Fluid des zweiten Dampfkreislaufs 42 (insbesondere Wasser) Dampf erzeugt. Dieser Dampf wird in den Hochtemperaturzweig 52 der Turbine 48 zur Entspannung zugeführt. An der Tur- bine 48 wird thermische Energie in mechanische Energie gewandelt, welche den elektrischen Generator 50 zur Stromerzeugung antreibt.
Der Dampf entspannt und an dem Kondensator 46 erfolgt eine Kondensation zu Wasser. Dieses Kondensat wird in dem Niedertemperaturzweig 54 dem Wärmeübertrager 28 zur erneuten Dampferzeugung zurückgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine einstufige Turbinenanordnung gezeigt. Es ist auch möglich, dass die Turbinenanordnung mehrstufig ist.
Alternativ oder zusätzlich zur Stromerzeugung ist es beispielsweise auch mög- lieh, dass eine Solarstrahlungsempfängervorrichtung eingesetzt wird, um Prozesswärme zu erzeugen bzw. chemische Umwandlungen zu bewirken bzw. Brennstoffe herzustellen. Auch weitere Anwendungen sind denkbar.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen (Partikel-)Solarstrah- lungsempfängervorrichtung, welche in Figur 2 gezeigt und dort mit 62 bezeichnet ist, umfasst einen Behälter 64 mit einer Wandung 66. Die Wandung 66 umgibt einen Innenraum 68 des Behälters 64.
Im Folgenden wird der Aufbau und die Funktion der Solarstrahlungs- empfängervorrichtung im Zusammenhang mit Partikeln als Wärmeträgermedium beschrieben. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass Fluide und insbesondere Flüssigkeiten wie Salzschmelzen als Wärmeträgermedium eingesetzt werden. Der Behälter 64 weist eine Achse 70 auf, wobei insbesondere eine Innenseite 72 des Behälters 64 mindestens bezüglich einer Einhüllenden rotationssymmetrisch zu der Achse 70 ausgebildet ist.
Die Achse 70 ist parallel zur Schwerkraftrichtung g orientiert oder liegt in einem spitzen Winkel zu der Schwerkraftrichtung g, wobei dieser spitze Winkel höchstens 80° beträgt. Er ist üblicherweise durch die Ausrichtung der Helio- state 14 vorgegeben .
Die Innenseite 72 des Behälters 64 ist durch eine entsprechende Innenseite der Wandung 66 gebildet. Der Behälter 64 ist dabei trichterförmig; der
Innenraum 68 verjüngt sich von einer Oberseite 74 zu einer Unterseite 76. An der Unterseite 76, welche bezogen auf die Schwerkraftrichtung g unterhalb der Oberseite 74 liegt, weist der Behälter 64 eine Öffnung 78 auf, welche insbesondere kreisrund ist. Solarstrahlung 22 wird über die Öffnung 78 in den Behälter 64 eingekoppelt; die Heliostaten 14 des Heliostatenfelds 12 richten die Solarstrahlung 22 auf die Öffnung 78. Der Behälter 64 weist an der Oberseite 74 eine Öffnung 80 auf, welche ebenfalls bevorzugterweise kreisrund ist.
Die Öffnung 80 hat einen größeren Durchmesser als die Öffnung 78. Partikel 82 werden über einen Einkopplungsbereich 84 in den Innenraum 68 des Behälters 64 geführt. Dieser Einkopplungsbereich 84 umfasst dabei die Öffnung 80 oder ist durch diese gebildet und ist durch den Eingang 36 gebildet bzw. steht mit diesem in für die Partikel fluidwirksamer Verbindung. Über den Einkopplungsbereich 84 werden "kalte" Partikel 82 in den Innenraum 68 des Behälters 64 eingeführt.
Über einen Auskopplungsbereich 86, welcher die Öffnung 78 umfasst und durch diese gebildet ist, und welcher durch den Ausgang 38 gebildet ist oder mit diesem in für die Partikel fluidwirksamer Verbindung steht, werden
Partikel 82 abgeführt und dem Wärmeübertrager 28 zugeführt.
Die Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung 62 ist so ausgebildet und wird so betrieben, dass sich an der Innenseite 72 der Wandung 66 ein möglichst zusammenhängender Partikelfilm als Wärmeträgermedium-Film ausbilden kann. Die Partikel 82 rutschen an der Innenseite 62 von den Einkopp- lungsbereich 84 zu dem Auskopplungsbereich 86 und werden dabei durch die Solarstrahlung 22 insbesondere direkt bestrahlt und erhitzt.
Es ist eine Einrichtung 88 zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik vorgesehen, welche insbesondere dafür sorgt, dass der Fallfilm nicht zu stark ausdünnt und eine hohe Aufenthaltszeit in dem Innenraum 68, das heißt eine hohe Aufenthaltszeit für die Solarstrahlungsbeaufschlagung erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich kann über die Einrichtung 88 die Wärmeaufnahme der Partikel in den Behälter 64 gesteuert werden, um so beispielsweise eine Anpassung an variierende Lastverhältnisse (beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Solareinstrahlung) zu ermöglichen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Einrichtung 88 eine Drehantriebseinrichtung 90, durch welche der Behälter 64 um eine Drehachse 92 rotierbar ist. Die Drehachse 92 ist dabei parallel zur Schwerkraftrichtung g ausgerichtet oder liegt höchstens in einem spitzen Winkel von 80° oder weniger zur Schwerkraftrichtung g. Insbesondere fällt die Drehachse 92 mit der Achse 70 zusammen.
Die Einrichtung 88 kann eine Vibrationseinrichtung 94 umfassen, durch welche der Behälter 64 vibrierbar ist (in Figur 2 durch das Bezugszeichen 96 angedeutet). Die Vibration kann dabei so sein, dass beispielsweise der Behälter 64 längs seiner Achse 70 rotiert. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass durch die Vibration beispielsweise die räumliche Lage der Achse 70 oszillierend verändert wird. Beispielsweise kann der Behälter 64 eine Art Taumelbewegung durchführen. Bei einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung 88 eine Felderzeugungseinrichtung 98 zur Erzeugung eines elektrischen Felds und/oder magnetischen Felds, mit welchem der Innenraum 68 beaufschlagbar ist. In diesem Falle sind die Partikel 82 elektrisch und/oder magnetisch geladen.
Wenn beispielsweise die Partikel 82 elektrisch geladen sind und die Felderzeugungseinrichtung 98 ein magnetisches Feld erzeugt, dann erfahren die Partikel 82 im Magnetfeld eine Lorentzkraft, wobei bei entsprechender Aus- richtung des Magnetfelds die Partikel eine Bewegung nach außen in Richtung der Innenseite 72 der Wandung 66 erfahren können.
Wenn beispielsweise die Partikel 82 elektrisch geladen sind und die Felderzeugungseinrichtung 98 ein elektrisches Feld erzeugt, dann kann über elektrostatische Kräfte ebenfalls eine Bewegung nach außen erfolgen.
Wenn beispielsweise die Partikel 82 magnetisch geladen sind, dann kann auch durch ein elektrisches und/oder magnetisches Feld eine Bewegung nach außen auf die Wandung 66 zu erfolgen. Es ist dabei auch möglich, die Partikel so auszuwählen, dass die Curie-Temperatur bei oder unterhalb einer Solltemperatur (Auslasstemperatur) der Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung 62 liegt. Wenn die entsprechende Curie-Temperatur erreicht ist, dann verlieren die Partikel 82 ihre magnetische Ladung und die über die Felderzeugungseinrichtung 98 erzeugte Kraft lässt nach. Dadurch lassen sich ent- sprechende Partikel 82 auf einfache Weise abführen. Es wird dadurch gewissermaßen die Wirkung der Felderzeugungseinrichtung 98 auf die Partikel 82 abgeschaltet.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt:
Zu erhitzende "kalte" Partikel werden über den Einkopplungsbereich 84 in den Behälter 64 eingekoppelt. Dort werden sie von der Öffnung 78 her mit Solarstrahlung 22 beaufschlagt und erhitzt. Die Achse 70 ist dabei parallel zur Schwerkraftrichtung g oder höchstens in einem kleinen spitzen Winkel (insbesondere kleiner 80°) zur Schwerkraftrichtung g geneigt. Der Behälter 64 ist trichterförmig ausgebildet.
Über die Einrichtung 88 lassen sich Maßnahmen treffen, um die Partikel 82 an der Wandung 66 zu "halten" und gegebenenfalls dies auch variabel zu steuern. Bei entsprechender Verfahrensdurchführung ist sogar grundsätzlich eine Förderung von Partikeln 82 (als Teilstrom oder Gesamtmassenstrom) entgegen der Schwerkraftrichtung g möglich (in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 100 angedeutet).
Der Behälter 64 wird rotiert. Die Rotation ist dabei so schnell, dass sich der Partikelfilm aufgrund von Fliehkräften und Partikel-Wand-Reibung an der Innenseite 72 der Wandung 66 ausbilden kann. Der Behälter 64 wird so schnell gedreht, dass sich ein optisch dichter Partikelfilm über den gesamten Umfang der Wandung ergibt. Insbesondere ist dabei die Drehzahl so gewählt, dass sie größer als 70 % der Drehzahl ist, bei der alle Partikel 82 an der Wandung 66 haften. Insbesondere ist die Drehzahl (in der Einheit rad/s) größer als 80 % des Verhältnisses aus der Wurzel der Gravitationskonstante g zu dem
1
Innenradius R der Wandung 66 : n > 0,8 (gl R)2 .
Durch die Rotation des Behälters wird eine erhöhte Wandhaftung bzw. Randreibung erzeugt; die Fliehkraft drückt die Partikel 82 gegen die Innenseite 72 der Wandung 66. Dadurch lässt sich die Aufenthaltsdauer erhöhen.
Wenn der Rotation eine Vibration überlagert wird, kann mindestens für einen Teilstrom insbesondere bei entsprechender Ausbildung der Wandung 66 (siehe unten) eine Förderung entgegen der Schwerkraftrichtung g erreicht werden.
Es ist dabei auch möglich, dass die Vibration und/oder Rotation zeitlich variiert wird, um insbesondere eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente zu er- zeugen. Auch dadurch können insbesondere bei geeigneter Neigung der Achse 70 zur Schwerkraftrichtung g eine Förderung entgegen der Schwerkraftrichtung g erreicht werden . Durch entsprechende variable Steuerung der Rotation und/oder Vibration kann auch eine Anpassung an sich verändernde Lastverhältnisse insbesondere aufgrund unterschiedlicher solarer Einstrahlungsbedingungen erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Felderzeugungseinrichtung 98 durch ent- sprechende Kraftausübung auf elektrisch und/oder magnetisch geladene Partikel 82 die Bewegungscharakteristik beeinflussen und insbesondere die Aufenthaltsdauer im Behälter 64 erhöhen.
Durch die Einrichtung 88 lässt sich beispielsweise die "Fallgeschwindigkeit" (axiale Durchtrittsgeschwindigkeit) der Partikel 82, welche den Partikelfilm ausbilden, reduzieren und insbesondere gesteuert reduzieren. Auf die Partikelgeschwindigkeit lässt sich eine Tangentialkomponente aufbringen. Partikel 82 lassen sich gesteuert zu der Innenseite 72 hinführen. Dort erfolgt durch Reibung eine Abbremsung, um die Aufenthaltsdauer zu vergrößern.
Es ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass die Zuführung und die Abführung der Partikel mit einer Geschwindigkeit erfolgt, welche mindestens näherungsweise der Umfangsgeschwindigkeit des Behälters 64 entspricht. Wenn die Zuführung entsprechend erfolgt, dann wird dadurch verhindert, dass aufgrund des Zuführungsprozesses die Filmbildung erschwert wird. Wenn bei der Abführung der Partikel die Umfangsgeschwindigkeit mit aufgenommen wird, dann wird eine zu starke Abweichung der Partikel von ihrer Bewegungscharakteristik innerhalb des Behälters vermieden . Dadurch wiederum wird eine Störung der Filmbildung aufgrund Abführung minimiert. Weiterhin werden dann Abriebs- Verluste bei der Abführung und Zuführung minimiert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung, welches in Figur 3 in einer Teildarstellung gezeigt und dort mit 102 bezeichnet ist, umfasst einen Behälter 104. Der Behälter 104 weist wiederum eine Wandung 106 auf, die einen Innenraum 108 begrenzt und dabei den Innenraum umgibt. Eine Einhüllende einer Innenseite 110 der Wandung 106 verjüngt sich von einem Einkopplungsbereich 112 zu einem Auskopp- lungsbereich 114. Der Einkopplungsbereich 112 liegt bezogen auf die Schwerkraftrichtung g oberhalb des Auskopplungsbereichs 114. Über den Auskopplungsbereich 114 wird Solarstrahlung 22 in den Innenraum 108 eingekoppelt.
Der Behälter 104 hat eine Achse 116, wobei insbesondere die Innenseite der Wandung 110 bezüglich ihrer Einhüllenden rotationssymmetrisch zu der Achse 116 ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Achse 116 leicht geneigt (in einem Winkel kleiner oder gleich 80°) bezüglich der Schwerkraftrichtung g.
An der Wandung 106 ist eine Einrichtung 118 zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik von Partikeln 82 ausgebildet, welche über den Einkopplungsbereich 112 in den Innenraum 108 eingeführt werden. Diese Einrichtung 118 umfasst (mindestens) einen Laufpfad 120 bzw. Führungselement an der Innenseite 110 der Wandung 106.
Ein Laufpfad 120 bzw. Führungselement weist Bahnelemente 122 auf, auf weichen Partikel 82 gestützt geführt sind, wobei ein Bahnelement 122 parallel zu einer Ebene 124 orientiert ist, welche senkrecht zu der Achse 116 liegt oder in einem kleinen spitzen Winkel insbesondere kleiner oder gleich 30° zu dieser Achse 116 liegt.
Durch solche Laufpfade 120 bzw. Führungselemente, welche durch eine Profilierung der Wandung 106 an der Innenseite 110 gebildet sind, lässt sich die Aufenthaltsdauer von Partikeln 82 in dem Innenraum 108 vergrößern, da die axiale Durchtrittsgeschwindigkeit reduziert bzw. die Aufenthaltsdauer erhöht wird. Dies lässt sich dabei in Kombination mit einer Rotation und/oder Vibration und/oder Felderzeugung, wie im Zusammenhang mit der Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung 62 beschrieben, erreichen. Durch ein oder mehrere Laufpfade 120 bzw. Führungselemente, welche insbesondere eine Tangentialausrichtung mindestens komponentenweise aufweisen, um eine Tangentialgeschwindigkeitskomponente der Partikel 82 bei der Bewegung an der Innenseite 110 der Wandung 106 zu erzwingen, lässt sich die Aufenthaltsdauer der Partikel 82 im Innenraum 108 erhöhen.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Laufpfade 120 bzw. Führungselemente durch Stufen 126 an der Innenseite der Wandung 106 gebildet. Es ist dabei eine Mehrzahl von beabstandeten Stufen 126 vorgesehen, wobei die Stufen 126 insbesondere parallel zueinander ausgerichtet sind.
Die Laufpfade 120 bzw. Führungselemente können beispielsweise auch durch Rillen, Rippen, Dellen, Wandrauhigkeiten usw. gebildet werden.
Die Stufen 126 des Behälters 104 sind beabstandet zueinander. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Laufpfade 120 bzw. Führungselemente vorliegen, welche zusammenhängend mindestens durch einen Teil des Behälters 104 durchgehen und dabei eine axiale Erstreckung mit einer Komponente parallel zur Achse 116 aufweisen. Die Solarstrahlungsempfängervorrichtung 110 wird wie oben beschrieben betrieben.
Wenn eine Tangential-Geschwindigkeitskomponente für die Partikel 82 in dem Innenraum 68 bzw. 108 erzeugt wird, dann lassen sich Partikelverluste redu- zieren, das heißt der Anteil derjenigen Partikel, welche eine reduzierte Strahlungsbeaufschlagung haben und daher nicht ausreichend erhitzt werden, ist reduziert. Durch die tangentiale Geschwindigkeitskomponente werden Partikel 82 immer wieder nach außen an die Innenseite 110 der Wandung 106 gezwungen.
Grundsätzlich kann im Film der Partikel 82 in dem Innenraum 108 ein Tem- peraturgradient entstehen. Eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente führt zu einem Temperaturausgleich in Umfangsrichtung, da insbesondere unterschiedliche Zonen in der Umfangsrichtung mehrfach durchlaufen werden. Dadurch ist die Temperaturverteilung für die Partikeltemperatur bei Auskopplung der Partikel homogener.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer (Partikel-)Solarstrahlungs- empfängervorrichtung, welche in Figur 4 gezeigt und dort mit 128 bezeichnet ist, ist ein Behälter 130 mit einer Achse 132 vorgesehen. Die Achse 132, welche eine Längsachse ist, ist in einem Winkel zu der Schwerkraftrichtung g ge- neigt. Der Winkel liegt dabei beispielsweise bei 45°.
Der Behälter 130 ist rotierbar um eine Drehachse, welche beispielsweise mit der Achse 132 zusammenfällt. Ferner ist er gegebenenfalls vibrierbar. Der Behälter 130 weist ein Zuführungsende 134 für (kaltes) Wärmeträgermedium auf und ein Abführungsende 136 für (heißes) Wärmeträgermedium . Solarstrahlung 18 wird in den Behälter 130 im Bereich des Abführungsendes 136 eingekoppelt. Es kann vorgesehen sein, dass ein Teilstrom oder ein Gesamtmassenstrom von Wärmeträgermedium in dem Behälter 130 entgegen der Schwerkraftrichtung gefördert wird.
Dem Behälter 130 ist eine Zuführungseinrichtung 138 für Wärmeträger- medium zugeordnet. Diese sitzt an dem Zuführungsende 134. Die Zuführungseinrichtung 138 ist trichterförmig ausgebildet mit einem ersten Ende 140 und einem zweiten Ende 142. Über das erste Ende 140 sitzt die Zuführungseinrichtung 138 an dem Zuführungsende 134. Der Durchmesser der Zufüh- rungseinrichtung 138 an dem zweiten Ende 142 ist kleiner als an dem ersten Ende 140.
Die Zuführungseinrichtung 138 ist insbesondere mindestens teilweise als Wärmeübertrager ausgebildet; sie ist mit Solarstrahlung und/oder Temperaturstrahlung von anderen Komponenten beaufschlagt. Die entsprechende Wärme lässt sich nutzen. Bei einer Ausführungsform sind entsprechend beaufschlagte Wände mindestens teilweise aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit (insbesondere metallischer thermischer Leitfähigkeit). Über die Wände ist ein thermischer Kontakt mit einem Wärmeträgermedium realisiert. Die Wände können zusätzlich mit einer oberflächenvergrößernden Struktur wie Rippen, Finnen usw. versehen sein. Die oberflächenvergrößernde Struktur kann gleichzeitig eine Führungsfunktion für Partikel haben. Dadurch ergibt sich bei kompaktem Aufbau ein optimierter Wirkungsgrad.
Die Zuführungseinrichtung 138 ist so ausgebildet, dass sich Wärmeträgermedium und insbesondere Partikel dem Behälter 130 mit einer Umfangsgeschwindigkeit zuführen lassen, welche für die Filmbildung in dem Behälter 130 optimiert ist.
Es kann weiterhin eine Abführungseinrichtung vorgesehen sein, welche im Bereich des Abführungsendes 136 angeordnet ist.
Eine erfindungsgemäße Solarstrahlungsempfängervorrichtung lässt sich in einem solarthermischen Kraftwerk oder beispielsweise auch zur Bereitstellung von Prozesswärme verwenden. Insbesondere lässt es sich verwenden, wenn hohe Prozesstemperaturen vorliegen und insbesondere eine kleine bis mittlere Leistung geliefert wird. Eine Anwendung wie ein solarthermisches Kraftwerk weist vorteilhafterweise einen oder mehrere Speicher auf, welche jeweils mindestens einen Behälter aufweisen, welcher thermisch isoliert ist, und in dem heiße Partikel gesammelt werden. Bezugszeichenliste
Solarthermisches Kraftwerk
Heliostatenfeld
Heliostat
Spiegelfläche
Solarstrahlung
Solarstrahlungsempfängervorrichtung
Turm
Solarstrahlung
Turmreceiver
Boden
Erster Kreislauf
Wärmeübertrager
Hochtemperaturzweig
Niedertemperaturzweig
Ausgang
Eingang
Ausgang
Eingang
Zweiter Kreislauf
Wärmespeicher
Wärmespeicher
Turbine
Elektrischer Generator
Hochtemperaturzweig
Niedertemperaturzweig
Ausgang
Kondensator
Eingang
Pumpe
Solarstrahlungsempfängervorrichtung Behälter
Wandung
Innenraum
Achse
Innenseite
Oberseite
Unterseite
Öffnung
Öffnung
Partikel
Einkopplungsbereich
Auskopplungsbereich
Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik Drehantriebseinrichtung
Drehachse
Vibrationseinrichtung
"Vibration"
Felderzeugungseinrichtung
Förderung entgegen der Schwerkraftrichtung
Partikel-Solarstrahlungsempfängervorrichtung
Behälter
Wandung
Innenraum
Innenseite
Einkopplungsbereich
Auskopplungsbereich
Achse
Einrichtung zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik Lauf pf ad
Bahnelemente
Ebene
Stufe
Solarstrahlungsempfängervorrichtung 130 Behälter
132 Achse
134 Zuführungsende
136 Abführungsende
138 Zuführungseinrichtung
140 Erstes Ende
142 Zweites Ende
g Gravitationskonstante
R Innendurchmesser des Behälters

Claims

Patentansprüche
Solarstrahlungsempfängervorrichtung, umfassend einen Behälter (64; 104) mit einer Wandung (66; 106), einen von der Wandung (66; 106) umgebenen Innenraum (68; 108) und eine Drehantriebseinrichtung (90), durch welche der Behälter (64; 104) um eine Drehachse (92) rotierbar ist, wobei der Behälter (64; 104) eine Achse (70; 116) aufweist, welche parallel oder in einem spitzen Winkel zur Schwerkraftrichtung (g) orientiert ist, und wobei durch den Behälter (64; 104) Wärmeträgermedium (82) unter Bildung eines Wärmeträgermedium- Films an einer Innenseite (72; 110) der Wandung (66; 106) durchführbar ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel kleiner oder gleich 80° ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium durch Partikel (82) und/oder ein Fluid und insbesondere Flüssigkeit gebildet ist.
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl des Behälters
1
(64; 104) größer als 80 % von (g /R)2 ist, wobei g die Gravitationskonstante ist und R ein Innendurchmesser des Behälters (64; 104) .
Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums in dem Innenraum (68; 108) .
6. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik als Einrichtung zur Vergrößerung der Aufenthaltszeit ausgebildet ist.
7. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik als Einrichtung zur Steuerung und insbesondere variablen Steuerung der Aufenthaltszeit des Fluids im Innenraum (68; 108) ausgebildet ist.
8. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (92) parallel oder in einem spitzen Winkel kleiner oder gleich 80° zur Schwerkraftrichtung (g) liegt.
9. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (92) koaxial zur Achse (70; 116) des Behälters (64; 104) ist.
10. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Behälters (64; 104) zeitlich variabel steuerbar ist.
11. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vibrationseinrichtung (94), durch welche der Behälter (64; 104) oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters (64; 104) vibrierbar sind.
12. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung (94) so ausgebildet ist, dass der Behälter (64; 104) oder ein oder mehrere Teilbereiche des Behälters (64; 104) längs der Achse (70; 116) des Behälters (64; 104) vibrierbar sind und/oder eine räumliche Lage der Achse (70; 116) zeitlich veränderbar ist.
13. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung (94) so ausgebildet ist, dass die Vibration zeitlich und/oder räumlich steuerbar ist.
14. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (106) dem Innenraum (108) zugewandt ein oder mehrere definierte Laufpfade (120) und/oder Führungselemente (120) für Wärmeträgermedium aufweist.
15. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laufpfad (120) oder Führungselement Bahnelemente (122) aufweist, welche in einer Ebene (124) senkrecht zu der Achse (116) des Behälters (104) liegen oder in einem Winkel von höchstens 30° zu dieser Ebene (124) liegen.
16. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Laufpfade (120) oder das oder die Führungselemente eine Tangentialausrichtung zur Wandung (106) aufweisen.
17. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wandung (106) des Behälters (104) Stufen (126) und/oder Rillen und/oder Rippen und/oder Dellen und/oder Wandrauhigkeiten gebildet sind.
18. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (88) zur Beeinflussung der Bewegungscharakteristik eine Felderzeugungseinrichtung (98) zur Erzeugung eines elektrischen Felds und/oder magnetischen Felds um- fasst, wobei Partikel (82) als Wärmeträgermedium elektrisch und/oder magnetisch geladen sind.
19. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einhüllende der Wandung (66; 106) am Innenraum (68; 108) einen variierenden Querschnitt hat und insbesondere kegelförmig ist.
20. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innenraum (68; 108) in Schwerkraftrichtung (g) verjüngt.
21. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (64; 104) einen Einkopplungsbereich (84) für Wärmeträgermedium und einen Auskopplungsbereich (86) für Wärmeträgermedium aufweist, wobei der Einkopplungsbereich (84) bezogen auf die Schwerkraftrichtung (g) oberhalb des Auskopplungsbereichs (86) liegt.
22. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuführungseinrichtung (138) für Wärmeträgermedium zu dem Behälter (130), mit welcher Wärmeträgermedium auf einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit dem Behälter (130) zuführbar ist.
23. Solarstrahlungsempfängervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abführungseinrichtung für
Wärmeträgermedium vom Behälter (130), mit welcher Wärmeträgermedium mit einer angepassten Umfangsgeschwindigkeit vom Behälter (130) abführbar ist.
24. Verfahren zur solaren Erhitzung von Wärmeträgermedium, bei dem
Wärmeträgermedium durch einen solarstrahlungsbeaufschlagten Behälter geführt wird, bei dem durch Fliehkraftwirkung ein Wärmeträgermedium-Film an einer Wandung des Behälters ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter um eine Drehachse rotiert wird, welche parallel oder in einem spitzen Winkel zur Schwerkraftrichtung liegt und/oder der Behälter vibriert wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der spitze Winkel kleiner oder gleich 80° ist.
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium direkt bestrahlt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Achse aufweist, welche parallel zur Schwerkraftrichtung oder in einem Winkel kleiner 80° zur Schwerkraftrichtung ausgerichtet ist.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter bezüglich einer Achse des Behälters vibriert wird und/oder die räumliche Lage der Achse verändert wird.
29. Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 24 oder einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium Partikel umfasst, welche elektrisch und/oder magnetisch geladen sind und eine elektrische Feldbeaufschlagung und/oder magnetische Feldbeaufschlagung der Partikel erfolgt.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftbeaufschlagung derart ist, dass die Partikel in Richtung der Wandung gezwungen werden.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass
magnetische Partikel so gewählt werden, dass die Curie-Temperatur bei oder unterhalb einer Solltemperatur liegt, welche im Behälter erreicht wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungscharakteristik des Wärmeträgermediums so beein- flusst wird, dass die Aufenthaltszeit der Partikel im Behälter vergrößert wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufenthaltsdauer des Wärmeträgermediums im Behälter variabel an die Lastanforderungen angepasst wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium in dem Behälter entgegen der Schwerkraftrichtung gefördert wird.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011108713B4 (de) * 2011-07-28 2015-11-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarthermisches Kraftwerk sowie Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks
DE102014200418B4 (de) 2014-01-13 2017-05-18 Ceram Tec-Etec Gmbh Solarstrahlungsreceiver für Solarturmkraftwerke sowie Solarturmkraftwerk
DE102014106320B4 (de) * 2014-05-06 2020-10-29 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarstrahlungsempfängervorrichtung
DE102015204461B4 (de) 2015-03-12 2017-05-24 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarkraftwerk
DE102016216733B4 (de) 2016-06-23 2018-03-22 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarstrahlungsreceiver zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln, eine Industrieanlage mit einem Solarstrahlungsreceiver, sowie ein Verfahren zur solaren Bestrahlung von Feststoffpartikeln
WO2021233526A1 (de) 2020-05-18 2021-11-25 Helioheat Gmbh Wärmeübertragervorrichtung, verfahren zum betreiben einer wärmeübertragervorrichtung und verfahren zum herstellen einer wärmeübertragervorrichtung
EP4256247A1 (de) 2020-12-07 2023-10-11 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarstrahlungsempfängervorrichtung zum aufheizen eines wärmeträgermediums in einem solarthermischen kraftwerk
DE102022111801A1 (de) * 2022-05-11 2023-11-16 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Empfängervorrichtung für Solarstrahlung mit einem Behälter zum Aufheizen eines Wärmeträgermediums in einem solarthermischen Kraftwerk
DE102022128410A1 (de) 2022-10-26 2024-05-02 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Messvorrichtung zur Bestimmung einer Verteilung eines Wärmeträgermediums und Verfahren zur Bestimmung einer Verteilung eines Wärmeträgermediums

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2793018A (en) 1952-07-24 1957-05-21 Centre Nat Rech Scient Furnace for the treatment of substances by means of the energy supplied by a concentrated radiation
EP0509286A1 (de) 1991-04-16 1992-10-21 Schweizerische Eidgenossenschaft PAUL SCHERRER INSTITUT Reaktor
DE10343861A1 (de) 2003-09-23 2005-04-14 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarbeheizter Industrieofen
WO2010015515A2 (de) 2008-08-02 2010-02-11 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Strahlungsreceiver

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL131371A0 (en) * 1999-08-12 2001-01-28 Yeda Res & Dev Reaction chamber with a protected surface
IL150519A (en) * 2002-07-02 2006-08-20 Yeda Res & Dev Solar receiver with a plurality of working fluid inlets
WO2010083285A1 (en) * 2009-01-15 2010-07-22 Sunlight Power, Inc. Ground-based, integrated volumetric receiver-storage system for concentrated solar power

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2793018A (en) 1952-07-24 1957-05-21 Centre Nat Rech Scient Furnace for the treatment of substances by means of the energy supplied by a concentrated radiation
EP0509286A1 (de) 1991-04-16 1992-10-21 Schweizerische Eidgenossenschaft PAUL SCHERRER INSTITUT Reaktor
DE10343861A1 (de) 2003-09-23 2005-04-14 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarbeheizter Industrieofen
WO2010015515A2 (de) 2008-08-02 2010-02-11 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Strahlungsreceiver

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Publication number Publication date
DE102010062367A1 (de) 2012-02-16
BR112013013532A2 (pt) 2016-10-18
WO2012072677A3 (de) 2012-11-15
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