WO2021127791A1 - Receiver - Google Patents

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WO2021127791A1
WO2021127791A1 PCT/CH2020/050013 CH2020050013W WO2021127791A1 WO 2021127791 A1 WO2021127791 A1 WO 2021127791A1 CH 2020050013 W CH2020050013 W CH 2020050013W WO 2021127791 A1 WO2021127791 A1 WO 2021127791A1
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WO
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receiver
window
opening
arrangement
designed
Prior art date
Application number
PCT/CH2020/050013
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gianluca AMBROSETTI
Philip GOOD
Original Assignee
Synhelion Sa
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Filing date
Publication date
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Priority to AU2020412969A priority Critical patent/AU2020412969A1/en
Priority to CN202080089889.9A priority patent/CN115038914A/zh
Priority to EP20839215.9A priority patent/EP4081743A1/de
Priority to US17/786,632 priority patent/US20230021446A1/en
Publication of WO2021127791A1 publication Critical patent/WO2021127791A1/de

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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
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/20—Cleaning; Removing snow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S40/00—Safety or protection arrangements of solar heat collectors; Preventing malfunction of solar heat collectors
    • F24S40/50—Preventing overheating or overpressure
    • F24S40/55—Arrangements for cooling, e.g. by using external heat dissipating means or internal cooling circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S50/00—Arrangements for controlling solar heat collectors
    • F24S50/80—Arrangements for controlling solar heat collectors for controlling collection or absorption of solar radiation
    • 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
    • F24S80/50—Elements for transmitting incoming solar rays and preventing outgoing heat radiation; Transparent coverings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors

Definitions

  • the present invention relates to a receiver according to the preamble of claim 1.
  • Such receivers are used in a solar power plant, in particular a solar tower power plant.
  • These include, for example, volumetric receivers according to WO 2018/205 043, which absorb the solar radiation reflected by a field of heliostats and thereby heat a heat-transporting fluid, the heat of which can then be used industrially, for example as process heat or for the generation of superheated steam for operating steam turbines connected to a generator.
  • receiver reactor for the production of synthesis gas or simply syngas in the production of liquid or gaseous hydrocarbon fuels or for cracking hydrocarbon gases.
  • the cracking of methane is considered to be a possible technology of the future, since the reaction CH -> C + 2 H takes place in the absence of oxygen, i.e. does not release any CO2 emissions.
  • the hydrogen produced serves as an energy carrier, while the carbon is used industrially for the manufacture of products such as carbon black, graphite, diamonds, carbon fibers, conductive plastics and tires.
  • temperature ranges are required which are above 1000 ° C. and, for example, reach up to 2000 ° C. or above.
  • receiver Only the term "receiver” is used for both a receiver and a receiver-reactor, since the window arrangement according to the invention can be used in principle on all types of receivers, including receivers (or receiver-reactors) that are not absorptive receivers of WO 2018/205043.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a window arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a window arrangement according to the invention
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a window arrangement according to the invention
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a window arrangement according to the invention
  • Figure la shows schematically a solar tower power plant 1, with a field of fleliostats 2, which in a known manner, concentrate rays 3 of the sun on a receiver 4 with a window arrangement according to the invention, omitted to relieve the figure, which is on its part on a tower 5 is arranged.
  • the receiver 4 can be designed to heat a heat-transporting fluid, in which case this (solar) heat can then be used industrially, e.g. to generate steam in a turbine or for industrial processes that require heat.
  • this (solar) heat can then be used industrially, e.g. to generate steam in a turbine or for industrial processes that require heat.
  • the receiver is preferably, but not necessarily, designed as an absorptive receiver in which the ratio c of the temperature increase (T 3 - T2) due to absorption of radiation versus the total temperature increase (T 4 - T2) due to absorption and convection is particularly preferred at the absorber is> 0.3 or> 0.6 or> 0.8.
  • receiver 4 according to the as yet unpublished PCT / CFI2019 / 050009, it is also possible to provide this as a receiver reactor for the generation of, for example, syngas or according to the as yet unpublished CH 1407/19 for the cracking of hydrocarbon gases etc. , see Figure 1c and the description thereof.
  • spatially designed receivers are essentially used which are suitable for high temperatures, such as those achieved, for example, at a concentration of 500 suns, 1000 suns or more. Such temperatures are usually above 800 K, and in the near future they can reach 1000 K, 1500 K or more, whereby it is expected that temperatures of 1800 K or 2000 K, for example in syngas production, will not only reach, but also very soon also be exceeded.
  • Figure lb shows schematically the structure of a trained as a spatial receiver trained absorptive receiver 4 for heating heat-transporting fluid, which, as mentioned above, is described in WO 2918/205043.
  • Solar radiation 3 concentrated by the fleliostat 2 enters the receiver 4 through a window 10 and falls on an absorber 11, the surface 11 'of which heats up accordingly, the temperature of which can exceed 2000 ° C. depending on the intended use.
  • the highly heated surface 11 'of the absorber 11 thus radiates back in the infrared range against the window 10, see the arrows 12 symbolizing the infrared radiation.
  • this infrared radiation 12 is absorbed by heat-transporting fluid, which at the inlet temperature T, h Flows into the absorption space 15 via inlet connection 14 (connected to the line 8, FIG.
  • the absorber 11 can be designed as a reactor element in order to allow a redox reaction to take place, for example for the produc tion of syngas. Then designed as a redox reactor absorber 11 has a reducible and oxidizable material for a reduction and an oxidation process, preferably Ce0 2 , which can be reduced at elevated temperature or oxidized in the presence of an oxidizing gas. As an infrared absorbing gas, for example, C0 2 or what water vapor can then be used.
  • the temperature of the absorber 14 can be reduced or increased in a targeted manner, so that the following redox reaction occurs:
  • the absorber 14 As the temperature rises, the absorber 14 is increasingly reduced (ie it loses oxygen), the extent of the reduction depending on the temperature of the absorber 14 and the oxygen partial pressure prevailing there.
  • the equation CeO (2-6 0x ) applies to the reduction -> CeO (2-6r ed ) + (d Ge ⁇ -d 0c ) 0, since the absorber 14 does not emit the oxygen stoichiometrically.
  • the reduction could basically take place in a vacuum, but preferably in the presence of water vapor, which prevents the back radiation of the absorber 14 through the optical opening 13 and removes the oxygen (d Ge ⁇ -d 0c ) 0 with it from the receiver, for example to an in the line 6 ( Figure la) provided separation station.
  • the absorber 14 As the temperature falls, the absorber 14 is increasingly oxidized (ie it absorbs oxygen), the degree of oxidation in turn depending on the temperature of the absorber 14 and the oxygen partial pressure prevailing there. Oxygen is supplied by the heat trans porting fluid, ie here the water vapor (the oxygen released during the reduction has been transported away from the receiver reactor).
  • the equation CeO (2-6red) + (dhe ⁇ -do c ) FI20 -> CeO (2-6 0 x) + (d Ge ⁇ -d 0c ) F l 2 applies to the oxidation, since the absorber 14 does not supply the oxygen stoichiometrically records.
  • H2 ie hydrogen, has formed, which in turn is carried away by the heat-transporting fluid to the separation station 9 (FIG. 1), where it is separated and made available as syngas.
  • the non-stoichiometric d denotes the amount of oxygen lost in each case from Ce0 2 , ie the respective "reduction” or “oxidation state” which, as he mentioned, depends on the oxygen partial pressure and the temperature. From the point of view of a concrete redox process, there is a reduction state with a larger d and an oxidation state with a smaller d.
  • the temperatures T can be 1000 ° C. or higher, so that the window 10 cannot fall below this temperature during operation. In addition, it is achieved by infrared radiation 12, which is minimal but cannot be completely avoided. Finally, it absorbs a small proportion of the solar radiation 3. As a result, the window 10 has operating temperatures which are still above T in , which makes considerable demands on the material used and can impair its service life.
  • FIG. 1c shows schematically the structure of a receiver 20 designed for cracking hydrocarbon gases, which in turn is designed as an absorptive receiver of the type according to WO 2918/205043. Shown is a longitudinal section through receiver 20 according to a first embodiment with a flow channel 21 passing through it for a process gas, symbolized by arrows 22, 23, which flows from an opening 25 closed by a window 10 for the rays 3 of the sun to an outlet 8 from the receiver 20 leads. The rays 3 of the sun fall through the opening 25 into an absorber area 26 of the receiver 20, which is thus heated in the path of the incident radiation from the sun and thus. Individual absorber plates 27 are connected to one another by struts 28 and suspended in the flow channel 21, and thus form the absorber 29.
  • the absorber plates 27 are arranged in such a way that they are opposite the opening 25 and thus the absorber 29 over its entire extent in operation from directly upwards it is illuminated by incident solar radiation 3. Furthermore, the plates 27 are arranged offset to one another, so that the process gas and the process products can easily flow through between the absorber plates 27 - the absorber area 26 and the absorber 29 can be flowed through by the process gas.
  • a hydrocarbon gas such as methane is fed as a process gas via a feed line 30 to the receiver 20 designed as a receiver reactor, preferably (but not necessarily) preheated in a heat exchanger 31 and fed via a transport line 32 into a ring line 33 provided at the opening 25 , from which it is symbolized by the arrow 23 and output via supply channels 34 into the flow channel 21.
  • the absorber 29 heated by the solar radiation 3 emits black body radiation in the infrared range, symbolized by the arrows 35.
  • the process gas flowing in the flow channel according to the arrows 22, here methane is highly transparent for the solar radiation 3, but absorbs the black body radiation 35 and heats up so absorptive.
  • the person skilled in the art can now adjust the flow velocity of the methane together with the dimensions of the flow channel 21 and the radiation intensity of the absorber 29 in such a way that the methane is heated to its cracking temperature on its way to the absorber 29 in a first area 36 of the flow channel 21, in a subsequent, second, downstream flow area 37 is heated above the cracking temperature and is heated even further in a third, further downstream flow area 38 of the flow channel 21, the third flow area 38 corresponding to the absorber area 26.
  • the methane comes into physical contact via the cross section of the flow channel 21 with the absorber 29, which acts as a reaction accelerator for the dissociation of the methane through physical contact, i.e.
  • the formation of the carbon nanoparticles begins to some extent in the first area 36 and slowly builds up in the second area, a proportion of the nanoparticles can be deposited on the absorber 10, here on the absorber plates 11, and settle there as a soot layer .
  • This is harmless for the continuous cracking of the freshly fed methane, since carbon or soot has the preferred properties of the absorber material: it is black, ie highly absorptive for the incident solar radiation 7, emits the desired (infrared) black body radiation after heating and is temperature resistant in the range up to well over 2000 C °.
  • the geometry of the absorber 29 also changes with regard to its throughflow properties to a degree at which the cracking is impaired. The deposit must then be removed accordingly by means of a (cyclical) maintenance step.
  • a second process gas is fed into the reactor receiver 1 via a second feed line 40 via the second transport line 41, fed to a second ring line 43 and output from this via second supply channels 44 into the flow channel 2 as indicated by the arrows 23.
  • the second process gas is preferably a reducible or oxidizing gas, particularly preferably water vapor, which heats up absorptively in the first 36 and second area 37 and then chemically reacts in the absorber zone 38 with the carbon deposited on the absorber 29, according to the equation HO + C -> CO + H.
  • the receiver reactor is then also productive during maintenance and produces syngas as a raw material for synthetic fuel.
  • the hydrogen production is not interrupted, whereby with the unchanged use of hydrogen (compared to cracking) the carbon monoxide can be used, for example, for the production of methanol or other liquid hydrocarbons, for example by means of Fischer-Tropsch synthesis.
  • isolated soot particles also reach the window 10 and can accumulate over a certain period of operation in such a way that the efficiency of the receiver 20 is impaired and the window itself by the absorption of the radiation 3 on the soot particles is heated considerably above its operating temperature.
  • FIG. 2 shows on the left side a receiver 50 with a Konan arrangement 51 according to the invention in a view of a window 52 illuminated by the sun, a section plane AA being drawn in this view.
  • the receiver 50 is shown in a section along the plane AA, which is designed here as an absorptive receiver according to the concept shown in FIGS. 1b or 1c.
  • the details of the receiver 50 itself are omitted to relieve the figure and only its opening 52, the absorption space 54, an absorber 55, the insulating wall 56 of the receiver 50 and the outlet connection 57 are shown schematically.
  • the interchangeable arrangement 51 is designed as a disc structure 59 which is rotatably mounted in its center 58 and which forms a holder for the windows 60, 61 and 62.
  • the windows 52, 60 to 62 are isolated, net angeord along the circumference of the disc.
  • the window 52 covering the opening 53 is replaced by another window, here the window 62.
  • the result is a receiver with an absorber and an opening for the sunbeams falling on the absorber during operation, a window being provided that covers the opening, with an alternating arrangement for the window covering the opening through another window. If the pane structure or the holder for the window is now rotated in a predetermined cycle during operation of the receiver (due to contamination, temperature, aging or defects in the window, etc.), the window 61 and then the window 60 brought into the operating position on the opening 53 until finally the configuration shown in the figure again exists, in which the window 52 is arranged in the opening 53. This change in the window 52, 60 to 61 takes place in a predetermined manner, as mentioned, but can also be triggered spontaneously in the event of defects.
  • the interchangeable arrangement preferably has a number of windows and a fold for these, the fold being designed to be movable relative to the receiver in such a way that, during operation, one window after the other covers the opening in a predetermined change.
  • the window 61 is located outside the opening 53 and in a maintenance station 65, in which, in the embodiment shown, nozzles 66 of a cleaning device are arranged which spray a cleaning agent which cleans the window 61.
  • nozzles 66 of a cleaning device are arranged which spray a cleaning agent which cleans the window 61.
  • the result is a receiver that preferably has a maintenance arrangement for another transparent window located outside the opening, the maintenance arrangement also preferably having a cleaning device for a window located outside the opening.
  • the figure shows that the maintenance arrangement 65 is cleaning the window on the inside facing the receiver 50. In an embodiment not shown, cleaning is also provided on the outside of the window.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the receiver 50 with a changing device 70.
  • a view of the side of the opening 53 of the computer 50 illuminated by the sun is shown on the left-hand side of the figure and a section corresponding to the plane is shown on the right-hand side BB.
  • the individual windows 52, 60 to 62 of FIG. 2 are designed as areas 71 to 74 of a single transparent ring window 75.
  • Such areas are also referred to in the present case as “windows”, since these areas are brought over the opening 53 of the receiver 50 and there represent an operational window for the latter.
  • the transparent ring window 75 can be rotated step by step, which is an operation according to FIG or continuously, so that a window or area 71 to 74 of the ring window 71 corresponding to a window 52, 60 to 62 (FIG. 2) runs continuously through the opening 53 of the receiver.
  • the person skilled in the art can (as in all exemplary embodiments according to the invention at all) in a specific case suitably determine the arrangement of the windows or areas in the ring window and its mode of movement.
  • a receiver then results in which the interchangeable arrangement is preferably designed as a disc structure that can be rotated around its center and forms a fold for the window, in which the windows are formed as areas of a single transparent ring (or ring section).
  • the maintenance station 75 is shown here schematically with a cooling device for the area 73, a curtain 76 of cooling fluid being shown schematically.
  • the maintenance station 75 can, however, as in all embodiments according to the invention with an maintenance station, in the specific case be designed by a person skilled in the art with suitable means for the maintenance of a window or window area (cooling, cleaning, etc.).
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the receiver 50 with a changing device 80. Again, a view of the side of the opening 53 of the computer 50 illuminated by the sun is shown on the left-hand side of the figure and a section corresponding to the plane is shown on the right-hand side CC.
  • the changing station 80 is provided with an outer cover 81 which, in the embodiment shown, covers the pane structure with the ring window 71 (FIG. 3) and preferably seals it gas-tight from the outside world.
  • the cover 81 has an outer window 82 which lies over the opening 53 of the receiver 50. Since an embodiment with a ring window 71 is shown in FIG. 3, a window area 71 at the location of the outer window 82 can also be seen.
  • the cover 81 with the outer window 82 can be used, for example, to create a gas-tight space in the exchange station 80 at least in the area of the opening 53 of the receiver 50, which is advantageous if the heat-transporting fluid of the receiver 50 circulates under pressure during operation.
  • the outside of the ring window 71 can be kept free of dust or other deposits from the environment.
  • the result is a receiver in which the alternating arrangement between the window covering the opening and the outside world has a further outer window which extends over the opening and which is preferably fixed to the receiver in a gas-tight manner.
  • the interchangeable arrangement can of course have instead of the ring window 71 windows 52, 60 to 62 (FIG. 2) or another configuration of windows not shown in the figures.
  • maintenance stations 83 to 85 are shown in FIG. 4 by the dashed lines, here for different functions, for example the maintenance station 83 for cooling, and the maintenance stations 84 and 85 for two cleaning or processing steps for the windows or window areas 71 to 74.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the receiver 50 with a changing device 90. Again, a view of the side of the opening 53 of the computer 50 illuminated by the sun is shown on the left-hand side of the figure and a section corresponding to the plane is shown on the right-hand side DD.
  • the alternating arrangement is designed as a strip-shaped flap 90 for windows 91 to 95 arranged individually in it.
  • the strip-shaped folds 90 can be shifted according to the double arrow 96 so that all windows 91 to 95 can be brought to the location of the opening 53 of the receiver 50.
  • an elongated window can also be provided here, which extends over the length between the windows 91 and 95. It is also possible to provide two, then half as long windows instead of a single elongated window.
  • Maintenance stations 97, 98 are then provided on both sides of the receiver 50 and are formed as described above with reference to FIGS. 2 to 4.
  • the strip-shaped holder 90 can be provided analogously to the design of the interchangeable arrangement 80 according to FIG. 4, with an outer cover and then with an outer window at the location of the opening 53 of the receiver 50.
  • the person skilled in the art can determine the number of individual windows or the length of an elongated window as required in a specific case.
  • a blind, for example, heat-insulating window 52, 60 to 62, 91 to 95 or window area 71 to 84 is provided to the receiver 50 in the event of cloudiness or overnight if productive operation is interrupted must be protected from cooling down.
  • this window can also be designed to reflect light towards the interior of the receiver 50 (which, due to the high temperatures in the receiver 50, includes both visible light and IR radiation).
  • a heat-insulating window primarily has a low thermal conductivity, since absorbed radiation from the inside of the receiver 50 heats its inside, but this heat should reach the outside of the receiver 50 as slowly as possible, where it is then released to the outside world and thus cools the receiver 50. This then results in a receiver in which the interchangeable arrangement preferably has a heat-insulating window and / or a window that reflects light towards the interior of the receiver or a non-transparent window area.
  • another window 52, 60 to 62, 71 to 74, 75 is formed as an opening or hole in the Kiran order, so that the absorption space 54 is then directly connected to the outside world.
  • This is advantageous because basically every window covering the opening 25 to the absorption space 15,54 absorbs the incident radiation to a small degree itself, which is undesirable, but is accepted because, without a window, environmental influences such as wind etc., the flow conditions in the Interfere with receiver 50 and thus reduce its efficiency.
  • the windows 91 to 95 according to FIG. 5 or one of the windows 60 to 62 according to FIG. 2 it can be designed as an opening or hole.
  • an opening corresponding to the opening 53 of the receiver 50 can be provided, which as a hole in the ring window 75 allows a direct connection between the absorption space 15, 54 and the outside world. This preferably results in a receiver 50 in which the interchangeable arrangement has a window designed as a hole for the opening 52 of the receiver 50.
  • the rotation or the translational movement of the holder of the window or window areas is controlled in such a way that a window that was once defective no longer passes through the opening 53 of the receiver 50, so that the operation of the receiver 50 despite a defective one Window (or window area for example on a ring window 71) can be maintained.
  • the changing arrangement is operably connected to a separately arranged maintenance station, so that only the window at the opening 53 is replaced in the changing arrangement, but the maintenance or replacement of windows takes place in the separate maintenance station .
  • a solar power plant with a receiver which has a Senan arrangement for the window that covers the opening of the receiver through another window.
  • the solar power plant then preferably has a maintenance station which is separate from the interchangeable arrangement and which is further preferably provided with a magazine for windows.
  • a method for maintaining a window designed for the incidence of solar radiation in a receiver is provided, with a maintenance-requiring window being replaced by another non-maintenance-requiring window during operation of the receiver by an interchangeable arrangement that interacts with the receiver. Furthermore, maintenance is then preferably carried out in a maintenance station provided for this purpose in the exchange arrangement.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Receiver (50) mit einem Absorber (55) und einer Öffnung (53) für die im Betrieb auf den Absorber (55) fallenden Sonnenstrahlen, wobei ein Fenster (52, 60, 61, 62) vorgesehen ist, das die Öffnung (53) überdeckt, und wobei eine mit ihm zusammenwirkende Wechselanordnung (51) für das die Öffnung (53) überdeckenden Fensters (52) durch ein anderes Fenster (60, 61 62) vorgesehen ist.

Description

Receiver
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Receiver gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Solche Receiver werden in einem Solarkraftwerk, insbesondere ein Solar-Turmkraftwerk ein gesetzt. Dazu gehören beispielsweise volumetrische Receiver gemäss der WO 2018/205 043, welche die durch ein Feld von Heliostaten reflektiere Sonnenstrahlung aufnehmen und dadurch ein Wärme transportierendes Fluid erwärmen, dessen Wärme dann industriell ver wendbar ist, sei es beispielsweise als Prozesswärme oder oder zur Erzeugung von Heissdampf zum Betrieb von mit einem Generator verbundenen Dampfturbinen.
Eine weitere Anwendung für die oben genannten Receiver liegt in der Verwendung als Recei ver-Reaktor zur Erzeugung von Synthesegas oder einfach Syngas in der Herstellung von flüssi gen oder gasförmigen Kohlenwasserstoff -Treibstoffen oder zum Cracken von Kohlenwasser stoffgasen. Insbesondere das Cracking von Methan wird als mögliche Technologie der Zukunft erachtet, da die Reaktion CH -> C + 2 H unter Ausschluss von Sauerstoff stattfindet, also keine C02 Emissionen freisetzt. Der erzeugte Wasserstoff dient als Energieträger, während der Koh lenstoff industriell für die Herstellung von Produkten wie Industrieruss, Graphit, Diamanten, Kohlenstofffasern, leitende Kunststoffe oder Pneus gebraucht wird.
Insbesondere bei Receiver-Reaktoren werden Temperaturbereiche vorausgesetzt, die über 1000 °C liegen und beispielsweise bis 2000 °C oder darüber reichen.
Schon nur durch die hohen Temperaturen werden hohe Anforderungen an das Fenster solch eines Receivers oder Reaktors gestellt, dessen Lebensdauer durch die Betriebstemperaturen reduziert werden kann. Im Fall eines Receiver-Reaktors ist möglich, dass sich während dem Betrieb Reaktionsprodukte im Innern ablagern, damit auch am Fenster, welches so ver schmutzt, weniger Sonnenstrahlung durchlässt und damit den Wirkungsgrad des Receiver-Re aktors herabsetzt.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Receiver bzw. Receiver-Reaktor bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Receiver bzw. Receiver-Reaktor mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Dadurch, dass eine Wechselanordnung für das Auswechseln des Fensters vorgesehen wird, kann einerseits das Fenster innerhalb seiner Spezifikationen voll ausgenutzt aber auch darüber hinaus, da es beispielsweise bei verkürzter Lebensdauer einfach gewechselt werden kann . Da mit wird erfindungsgemäss den erhöhten Anforderungen an das Fenster genügt bzw. eine Ver schmutzung des Fensters beseitigt.
Über die gestellte Aufgabe hinaus ist es bei der Verwendung eines wärmeisolierenden Fens terabschnitts möglich, den Receiver bzw. Reciever-Reaktor vor Auskühlung zu bewahren, wie dies beispielsweise bei kurzzeitig unterbrochenem Betrieb wegen aufgetretener Bewölkung oder auch in der Nacht <der Fall sein kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren durch einen absorptive Receiver noch et was näher beschrieben. Dabei wird sowohl für einen Receiver als auch einen Receiver-Reaktor nur der Begriff "Receiver" verwendet, da die erfindungsgemässe Fensteranordnung grundsätz lich an allen Arten von Receivern verwendbar ist, auch Receivern (bzw. Receiver-Reaktoren), die nicht absorptive Receiver im Sinn der WO 2018/205043 sind.
Es zeigt:
Figur la ein Solarkraftwerk gemäss dem Stand der Technik mit einem Receiver,
Figur lb ein Receiver des Stands der Technik,
Figur lc ein Receiver, der als Receiver-Reaktor ausgebildet ist,
Figur 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Fensteranordnung,
Figur 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen Fensteranordnung,
Figur 4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Fensteranordnung, Figur 5 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Fensteranordnung, und
Figur la zeigt schematisch ein Solar-Turmkraftwerk 1, mit einem Feld von Fleliostaten 2, die auf bekannte Weise Strahlen 3 der Sonne konzentriert auf einen Receiver 4 mit einer erfin dungsgemässen, zur Entlastung der Figur weggelassenen Fensteranordnung lenken, der sei nerseits auf einem Turm 5 angeordnet ist.
Der Receiver 4 kann einerseits zur Erwärmung eines Wärme transportierenden Fluids ausge bildet werden, wobei dann diese (solare) Wärme industriell verwertet werden kann, z.B. zur Dampferzeugung in einer Turbine oder für industrielle Prozesse, die Wärme benötigen.
Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, ist der Receiver als absorptiver Receiver ausgebildet, in dem besonders bevorzugt das Verhältnis das Verhältnis c der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption von Strahlung gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 oder > 0,6 oder > 0,8 ist.
In einer Weiterbildung des Receivers 4 gemäss der noch unveröffentlichten PCT/CFI2019/ 050009 ist es ebenfalls ist möglich, diesen als Receiver-Reaktor zur Erzeugung von beispiels weise Syngas oder gemäss der noch unveröffentlichten CH 1407/19 für das Cracking von Koh lenwasserstoffgasen etc. vorzusehen, s. dazu die Figur lc und die Beschreibung dazu.
Die im Receiver 4 anfallende, jedoch im Fall des Receiver-Reaktors für die in ihm ablaufende chemische Reaktion aktuell nicht verwertbare oder nicht benötigte Wärme kann über erwärm tes, Wärme transportierendes Fluid mit einer (höheren) Temperatur T0 über eine Leitung 6 zu einem Verbraucher 7 geführt werden, wo es sich abkühlt und dann über eine Leitung 8 mit einer (tieferen) Temperatur Tin im Kreislauf wieder zum Receiver bzw. Receiver-Reaktor 4 zu rückgeführt wird.
In Solar-Turmkraftwerken werden im Wesentlichen räumlich ausgebildete Receiver eingesetzt, die für hohe Temperaturen geeignet sind, wie sie beispielsweise bei einer Konzentration von 500 Sonnen, 1000 Sonnen oder mehr erreicht werden. Solche Temperaturen liegen in der Re gel über 800 K, und können in naher Zukunft den Bereich 1000 K, 1500 K oder mehr erreichen, wobei erwartet wird, dass sehr bald Temperaturen von 1800 K oder 2000 K beispielsweise in der Syngasherstellung nicht nur erreicht, sondern auch überschritten werden. Figur lb zeigt schematisch den Aufbau eines als räumlichen Receiver ausgebildeten ausgebil deten absorptiven Receivers 4 zur Erwärmung von Wärme transportierendem Fluid, der, wie oben erwähnt, in der WO 2918/205043 beschrieben ist.
Durch die Fleliostaten 2 (Figur la) konzentrierte Sonnenstrahlung 3 tritt durch ein Fenster 10 in den Receiver 4 ein und fällt auf einen Absorber 11, dessen Oberfläche 11' sich entsprechend erhitzt, wobei deren Temperatur je nach Einsatzzweck 2000 °C überschreiten kann. Die hoch erhitzte Oberfläche 11' des Absorbers 11 strahlt damit im Infrarotbereich zurück gegen das Fenster 10, s. die die Infrarotstrahlung symbolisierenden Pfeile 12. In einem Absorptionsraum 13 wird diese Infrarotstrahlung 12 durch Wärme transportierendes Fluid jedoch absorbiert, welches mit der Eingangstemperatur T,h über Einlassstutzen 14 (verbunden mit der Leitung 8, Figur la) in den Absorptionsraum 15 einströmt, diesen gegen den (hier mit zur Entlastung der Figur weggelassenen Öffnungen versehenen) Absorber 11 hin durchquert und den Receiver 4 mit der Ausgangstemperatur Tout durch eine Auslassöffnung 8 (verbunden mit der Leitung 6, Figur 1) wieder verlässt. Während der Durchquerung des Absorptionsraums 13 erhitzt sich das Wärme transportierende Fluid dem Konzept des dargestellten absorptiven Receivers 4 ent sprechend absorptiv auf T0ut-
Der Absorber 11 kann im Fall der Verwendung des Recievers 4 als Receiver-Reaktor als Reak torelement ausgebildet sein, um eine Redox-Reaktion ablaufen zu lassen, z.B. für die Produk tion von Syngas. Dann weist der als Redox-Reaktor ausgebildete Absorber 11 ein reduzierbares und oxidierbares Material für einen Reduktions- und einen Oxidationsprozess auf, bevorzugt Ce02, das bei erhöhter Temperatur reduziert bzw. in Anwesenheit eines oxidierenden Gases oxidiert werden kann. Als infrarot absorbierendes Gas kann dann beispielsweise C02 oder Was serdampf verwendet werden.
Durch die zyklische Erhöhung oder Verminderung des Massenstroms von Wärme transportie rendem Gas durch den Absorptionsraum 15 hindurch kann die Temperatur des Absorbers 14 gezielt zyklisch gesenkt bzw. erhöht werden, so dass sich folgende Redox-Reaktion ergibt:
Mit steigender Temperatur wird der Absorber 14 zunehmend reduziert (d.h. er verliert Sauer stoff), wobei das Mass der Reduktion von der Temperatur des Absorbers 14 und dem dort herrschenden Sauerstoffpartialdruck abhängt. Für die Reduktion gilt die Gleichung CeO(2-60x) — > CeO(2-6red) + (dGeά-d0c)0, da der Absorber 14 den Sauerstoff nicht stöchiometrisch abgibt. Die Reduktion könnte grundsätzlich im Vakuum ablaufen, bevorzugt jedoch in Gegenwart von Wasserdampf, welcher die Rückstrahlung des Absorbers 14 durch die optische Öffnung 13 ver hindert und den Sauerstoff (dGeά-d0c)0 mit sich aus dem Receiver abführt, beispielsweise zu einer in der Leitung 6 (Figur la) vorgesehenen Trennstation.
Mit fallender Temperatur wird der Absorber 14 zunehmend oxidiert (d.h. er nimmt Sauerstoff auf), wobei das Mass der Oxidation wiederum von der Temperatur des Absorbers 14 und dem dort herrschenden Sauerstoffpartialdruck abhängt. Sauerstofflieferant ist das Wärme trans portierende Fluid, d.h. hier der Wasserdampf (der bei der Reduktion frei gewordene Sauerstoff ist aus dem Receiver-Reaktor abtransportiert worden). Für die Oxidation gilt die Gleichung CeO(2-6red) + (dheά-doc) FI20 — > CeO(2-60x) + (dGeά-d0c) F l2, da der Absorber 14 den Sauerstoff nicht stöchiometrisch aufnimmt. Im Ergebnis hat sich H2, d.h. Wasserstoff gebildet, der wiede rum vom Wärme transportierenden Fluid zur Trennstation 9 (Figur 1) abgeführt, dort abge trennt und als Syngas bereitgestellt wird.
Dabei bezeichnet das nicht stöchiometrische d die Menge des jeweils vom Ce02 verlorenen Sauerstoffs, also den jeweiligen "Reduktions-" bzw. "Oxidationszustand" welcher, wie er wähnt, vom Sauerstoffpartialdruck und der Temperatur abhängt. Unter dem Aspekt eines kon kreten Redoxprozesses liegt ein Reduktionszustand bei einem grösseren d und ein Oxidations zustand bei einem kleineren d vor.
Bei Receivern, wie sie in Figur lb gezeigt sind, können die Temperaturen T bei 1000 °C oder höher liegen, so dass das Fenster 10 im Betrieb diese Temperatur nicht unterschreiten kann. Zudem wird es durch eine zwar minimale, aber doch nicht vollständig vermeidbare Infrarot strahlung 12 erreicht. Schliesslich absorbiert es einen geringen Anteil der Sonnenstrahlung 3. Im Ergebnis weist das Fenster 10 Betriebstemperaturen auf, die noch über Tin liegen, was er hebliche Anforderungen an das verwendete Material stellt und dessen Lebensdauer beein trächtigen kann.
Figur lc zeigt schematisch den Aufbau eines zum Cracken von Kohlenwasserstoffgasen ausge bildeten Receivers 20, der wiederum als absorptiver Receiver in der Bauart gemäss der WO 2918/205043 ausgebildet ist. Gezeigt ist ein Längsschnitt durch Receiver 20 gemäss einer ersten Ausführungsform mit einem durch ihn hindurchführenden Strömungskanal 21 für ein durch die Pfeile 22,23 symbolisiertes Prozessgas, der von einer durch ein Fenster 10 verschlossenen Öffnung 25 für die Strahlen 3 der Sonne bis zu einem Auslass 8 aus dem Receiver 20 führt. Die Strahlen 3 der Sonne fallen durch die Öffnung 25 in einen Absorberbereich 26 des Receivers 20, der damit im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne und so erwärmt wird. Einzelne Absorberplatten 27 sind durch Streben 28 miteinander verbunden und im Strömungskanal 21 aufgehängt, und bilden so den Absorber 29. Die Absorberplatten 27 sind derart angeordnet, dass sie der Öffnung 25 gegenüberliegen und damit der Absorber 29 über seine ganze Ausdehnung im Betrieb von di rekt auf ihn einfallender Sonnenstrahlung 3 beleuchtet wird. Weiter sind die Platten 27 zu ei nander versetzt angeordnet, so dass das Prozessgas und die Prozessprodukte leicht zwischen den Absorberplatten 27 hindurch strömen kann - der Absorberbereich 26 und der Absorber 29 sind vom Prozessgas durchströmbar.
Im Betrieb wird dem als Receiver-Reaktor ausgebildeten Receiver 20 ein Kohlenwasserstoffgas wie Methan als Prozessgas über eine Zuleitung 30 zugeführt, bevorzugt (aber nicht notwendi gerweise) in einem Wärmetauscher 31 vorerwärmt und über eine Transportleitung 32 in eine bei der Öffnung 25 vorgesehene Ringleitung 33 geführt, aus welcher es durch den Pfeil 23 sym bolisiert über Zufuhrkanäle 34 in den Strömungskanal 21 ausgegeben wird. Der durch die Son nenstrahlung 3 erwärmte Absorber 29 emittiert Schwarzkörperstrahlung im Infrarotbereich, symbolisiert durch die Pfeile 35. Das im Strömungskanal entsprechend den Pfeilen 22 flies sende Prozessgas, hier Methan, ist für die Sonnenstrahlung 3 hoch durchsichtig, absorbiert jedoch die Schwarzkörperstrahlung 35 und erwärmt sich so absorptiv.
Der Fachmann kann nun die Strömungsgeschwindigkeit des Methans zusammen mit den Di mensionen des Strömungskanals 21 und der Strahlungsintensität des Absorbers 29 derart ab stimmen, dass das Methan auf seinem Weg zum Absorber 29 in einem ersten Bereich 36 des Strömungskanals 21 auf seine Crackingtemperatur erwärmt wird, in einem anschliessenden zweiten, stromabwärts liegenden Strömungsbereich 37 über die Crackingtemperatur hinaus erwärmt und in einem dritten, weiter stromabwärts gelegenen Strömungsbereich 38 des Strö mungskanals 21 noch weiter erwärmt wird, wobei der dritte Strömungsbereich 38 dem Absor berbereich 26 entspricht. Im dritten Strömungsbereich 38, bzw. im Absorberbereich 26 gelangt das Methan über den Querschnitt des Strömungskanals 21 in physischen Kontakt mit dem Absorber 29, der durch den physischen Kontakt als Reaktionsbeschleuniger für die Dissoziation des Methans wirkt, also ein Reaktionsbeschleuniger ist, der zugleich die Funktion eines Absorbers in einem Recei ver besitzt. Ein eventueller konvektiver Wärmeübergang vom damit als Absorber 29 ausgebil deten Reaktionsbeschleuniger ist dabei für die Dissoziation des Methans nebensächlich. Im Ergebnis dissoziiert das Methan durch den physischen Kontakt vergleichsweise schlagartig, so dass sich im vierten Bereich 39, hinter dem Absorberbereich 26, ein Strom von Produkten bil det, der Nanopartikel von Kohlenstoff und Wasserstoff, also Russ und Wasserstoff, aufweist. Dieser Strom wird durch den Auslass 8 aus dem Receiver-Reaktor 1 ausgegeben, nachdem ihm im Wärmetauscher 16 Wärme entzogen worden ist.
Da die Bildung der Kohlenstoff-Nanopartikel (Russ) schon im ersten Bereich 36 ansatzweise beginnt, und sich langsam im zweiten Bereich aufbaut, kann sich ein Anteil der Nanopartikel auf dem Absorber 10, hier auf den Absorberplatten 11, ablagern und auf diesen als Russschicht festsetzen. Dies ist für das fortlaufende Cracking des frisch zugeführten Methans unbedenk lich, da Kohlenstoff bzw. Russ die bevorzugten Eigenschaften des Absorbermaterials aufweist: er ist schwarz, d.h. hoch absorptiv für die einfallende Sonnenstrahlung 7, emittiert nach der Erwärmung die gewünschte (infrarot) Schwarzkörperstrahlung und ist temperaturbeständig im Bereich bis weit über 2000 C°. Mit steigender Ablagerung verändert sich aber die Geometrie des Absorbers 29 auch im Hinblick auf dessen Durchströmeigenschaften bis zu einem Grad, bei dem das Cracking beeinträchtigt wird. Dann muss durch einen (zyklischen) Wartungsschritt die Ablagerung entsprechend beseitigt werden.
Bei der gezeigten Ausführungsform geschieht das dadurch, dass über eine zweite Zuleitung 40 via die zweite Transportleitung 41 ein zweites Prozessgas in den Reaktor-Receiver 1 eingege ben, zu einer zweiten Ringleitung 43 geführt und von dieser über zweite Zufuhrkanäle 44 in den Strömungskanal 2 ausgegeben wird, wie dies durch die Pfeile 23 angedeutet ist. Das zweite Prozessgas ist bevorzugt ein reduzierbares bzw. oxidierendes Gas, besonders bevorzugt Was serdampf, welcher sich im ersten 36 und im zweiten Bereich 37 absorptiv erwärmt und dann in der Absorberzone 38 mit dem auf dem Absorber 29 abgelagerten Kohlenstoff chemisch re agiert, nach der Gleichung H O + C -> CO + H . Mit anderen Worten ist dann der Receiver- Reaktor auch während der Wartung produktiv und produziert Syngas als Ausgangsstoff für syn thetischen Treibstoff. Auf jeden Fall ist die Wasserstoffproduktion nicht unterbrochen, wobei bei der unveränderten Verwendung von Wasserstoff (gegenüber dem Cracking) das Kohlen monoxid für beispielsweise die Herstellung von Methanol oder anderen flüssigen Kohlenwas serstoffen zum Beispiel mittels Fischer-Tropsch-Synthese verwendbar ist.
Da, wie erwähnt, die Bildung der Kohlenstoff-Nanopartikel (Russ) schon im ersten Bereich 36 ansatzweise beginnt, gelangen vereinzelte Russpartikel auch auf das Fenster 10 und können sich über eine gewisse Betriebsdauer derart ansammeln, dass der Wirkungsgrad des Receivers 20 beeinträchtigt und das Fenster selbst durch die Absorption der Strahlung 3 an den Russpar- tikeln erheblich über seine Betriebstemperatur hinaus erhitzt wird.
Figur 2 zeigt auf der linken Seite einen Receiver 50 mit einer erfindungsgemässen Wechselan ordnung 51 in einer Ansicht auf ein durch die Sonne beleuchtetes Fenster 52, wobei eine Schnittebene AA in dieser Ansicht eingezeichnet ist.
Auf der rechten Seite der Figur ist der Reciever 50 in einem Schnitt entlang der Ebene AA dar gestellt, der hier als absorptiver Receiver nach dem in den Figuren lb oder lc gezeigten Kon zept ausgebildet ist. Entsprechend sind die Details zum Receiver 50 selbst zur Entlastung der Figur weggelassen und nur dessen Öffnung 52, der Absorptionsraum 54, ein Absorber 55, die isolierende Wand 56 des Receivers 50 sowie der Auslassstutzen 57 schematisch dargestellt.
Die Wechselanordnung 51 ist als in ihrem Zentrum 58 rotierbar gelagerte Scheibenstruktur 59 ausgebildet, die eine Halterung für die Fenster 60, 61 und 62 bildet. In der gezeigten Ausfüh rungsform sind die Fenster 52,60 bis 62 vereinzelt, entlang dem Umfang der Scheibe angeord net.
Wird die Scheibenstruktur beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn rotiert, wird das die Öffnung 53 überdeckende Fenster 52 durch ein anderes Fenster, hier das Fenster 62 ausgewechselt.
Es ergibt sich Receiver mit einem Absorber und einer Öffnung für die im Betrieb auf den Ab sorber fallenden Sonnenstrahlen, wobei ein Fenster vorgesehen ist, das die Öffnung über deckt, mit einer Wechselanordnung für das die Öffnung überdeckenden Fensters durch ein anderes Fenster. Wird nun die Scheibenstruktur bzw. die Halterung für die Fenster im Betrieb des Receivers in einem vorgegebenen Takt (aufgrund der Verschmutzung, Temperatur, Alte rung oder Defekte des Fensters etc.) weiter rotiert, wird das Fenster 61 und dann das Fenster 60 in Betriebsposition auf der Öffnung 53 gebracht, bis schliesslich wieder die in der Figur ge zeigte Konfiguration besteht, in welcher das Fenster 52 in der Öffnung 53 angeordnet ist. Die ser Wechsel des Fensters 52, 60 bis 61 erfolgt wie erwähnt vorbestimmt, kann aber im Fall von Defekten auch spontan ausgelöst werden. Es ergibt sich ein Receiver bei welchem bevorzugt die Wechselanordnung eine Anzahl Fenster und eine Flalterung für diese aufweist, wobei die Flalterung derart gegenüber dem Receiver bewegbar ausgebildet ist, dass im Betrieb ein Fens ter nach dem anderen die Öffnung in einem vorbestimmten Wechsel überdeckt.
Das Fenster 61 befindet sich ausserhalb der Öffnung 53 und in einer Unterhaltsstation 65, in welcher bei der gezeigten Ausführungsform Düsen 66 einer Reinigungsvorrichtung angeordnet sind die ein Reinigungsmittel versprühen, welche das Fenster 61 reinigt. Mit der fortschreiten den Rotation der Scheibenstruktur 59 wird somit jedes der Fenster 52, 60 bis 62 am Receiver 50 eingesetzt, dann in der Unterhaltsanordnung gewartet und schliesslich wieder am Receiver 50 eingesetzt.
Es ergibt sich Receiver der bevorzugt eine Unterhaltsanordnung für einen anderes, sich aus serhalb der Öffnung befindendes, transparentes Fenster aufweist, wobei weiter die Unter haltsanordnung bevorzugt eine Reinigungsvorrichtung für ein sich ausserhalb der Öffnung be findendes Fenster aufweist.
In der Figur ist dargestellt, dass die Unterhaltsanordnung 65 das Fenster an der dem Receiver 50 zugewendeten Innenseite gereinigt wird. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist ebenfalls eine Reinigung an der Aussenseite des Fensters vorgesehen.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Receivers 50 mit einer Wechselvorrichtung 70. Wiederum ist auf der linken Seite der Figur eine Ansicht auf die Seite der von der Sonne be leuchteten Öffnung 53 des Recheivers 50 dargestellt und auf der rechten Seite ein Schnitt ent sprechend der Ebene BB.
Im Unterschied zu Figur 3 sind hier die einzelnen Fenster 52, 60 bis 62 von Figur 2 als Bereiche 71 bis 74 eines einzigen transparenten Ringfensters 75 ausgebildet. Solche Bereiche werden vorliegend auch als "Fenster" bezeichnet, da diese Bereiche über die Öffnung 53 des Receivers 50 gebracht werden und dort für diesen ein betriebsfähiges Fenster darstellen. Dadurch kann das transparente Ringfenster 75 schrittweise rotiert werden, was einem Betrieb nach Figur 2 entspricht, oder auch kontinuierlich, so dass ein einem Fenster 52,60 bis 62 (Figur 2) entspre chendes Fenster oder Bereich 71 bis 74 des Ringfensters 71 kontinuierlich über der Öffnung 53 des Receivers durchläuft. Der Fachmann kann (wie bei allen erfindungsgemässen Ausführungs beispielen überhaupt) im konkreten Fall die Anordnung der Fenster bzw. Bereiche im Ringfens ter und dessen Bewegungsmodus geeignet festlegen.
Dann ergibt sich ein Receiver bei welchem bevorzugt die Wechselanordnung als um ihr Zent rum rotierbare, eine Flalterung für die Fenster bildende Scheibenstruktur ausgebildet ist, in der die Fenster als Bereiche eines einzigen transparenten Rings (oder Ringabschnitts) ausge bildet sind.
Die Unterhaltsstation 75 ist hier schematisch mit einer Kühlvorrichtung für den Bereich 73 dar gestellt, wobei schematisch ein Vorhang 76 aus kühlendem Fluid eingezeichnet ist. Die Unter haltstation 75 kann jedoch, wie bei allen erfindungsgemässen Ausführungsformen mit einer Unterhaltsstation, im konkreten Fall durch den Fachmann mit geeigneten Mitteln für den Un terhalt eines Fensters oder Fensterbereichs (Kühlung, Reinigung etc.) ausgebildet werden.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Receivers 50 mit einer Wechselvorrichtung 80. Wiederum ist auf der linken Seite der Figur eine Ansicht auf die Seite der von der Sonne be leuchteten Öffnung 53 des Recheivers 50 dargestellt und auf der rechten Seite ein Schnitt ent sprechend der Ebene CC.
Die Wechselstation 80 ist mit einer äusseren Abdeckung 81 versehen, welche in der dargestell ten Ausführungsform die Scheibenstruktur mit mit dem Ringfenster 71 (Figur 3) überdeckt und gegenüber der Aussenwelt bevorzugt gasdicht abschliesst. Die Abdeckung 81 weist ein äusse res Fenster 82 auf, welches über der Öffnung 53 des Receivers 50 liegt. Da in der Figur 3 eine Ausführungsform mit einem Ringfenster 71 dargestellt ist, ist ebenfalls ein Fensterbereich 71 am Ort des äusseren Fensters 82 ersichtlich. Durch die Abdeckung 81 mit dem äusseren Fens ter 82 lässt sich beispielsweise ein gasdichter Raum in der Wechselstation 80 wenigstens im Bereich der Öffnung 53 des Receivers 50 schaffen, was vorteilhaft ist, wenn das Wärme trans portierende Fluid des Receivers 50 im Betrieb unter Druck zirkuliert. Ebenso kann die Aussen- seite hier des Ringfensters 71 von Staub bzw. anderen Ablagerungen aus der Umgebung frei gehalten werden. Es ergibt sich ein Receiver bei welchem die Wechselanordnung zwischen dem die Öffnung überdeckenden Fenster und der Aussenwelt ein weiteres sich über die Öffnung erstreckendes äusseres Fenster aufweist, das bevorzugt gasdicht am Receiver festgelegt ist.
Im Fall einer Ausführungsform der Erfindung mit einer äusseren Abdeckung 81 kann die Wech selanordnung natürlich anstelle des Ringfensters 71 Fenster 52, 60 bis 62 (Figur 2) oder oder noch eine andere, in den Figuren nicht dargestellte Konfiguration von Fenstern aufweisen.
Weiter sind in der Figur 4 durch die gestrichelten Linien drei Unterhaltsstationen 83 bis 85 dargestellt, hier für je verschiedene Funktionen, beispielsweise die Unterhaltsstation 83 für Kühlung, und die Unterhaltstationen 84 und 85 für zwei Reinigungs- bzw. Aufbereitungs schritte für die Fenster bzw. Fensterbereiche 71 bis 74.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Receivers 50 mit einer Wechselvorrichtung 90. Wiederum ist auf der linken Seite der Figur eine Ansicht auf die Seite der von der Sonne be leuchteten Öffnung 53 des Recheivers 50 dargestellt und auf der rechten Seite ein Schnitt ent sprechend der Ebene DD.
In Unterschied zu den in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen ist die Wechselan ordnung als streifenförmige Flalterung 90 für in ihr vereinzelt angeordnete Fenster 91 bis 95 ausgebildet. Die streifenförmige Flalterung 90 kann dem Doppelpfeil 96 entsprechend verscho ben werden, so dass alle Fenster 91 bis 95 an den Ort der Öffnung 53 des Receivers 50 gebracht werden können. Analog zum Ringfenster 71 gemäss Figur 3 kann auch hier ein langgestrecktes Fenster vorgesehen werden, das sich über die Länge zwischen den Fenstern 91 und 95 er streckt. Ebenfalls ist es möglich, an Stelle eines einzige langgestreckten Fensters zwei, dann halb so lange Fenster vorzusehen.
Unterhaltsstationen 97,98 sind dann auf beiden Seiten des Receivers 50 vorgesehen und aus gebildet, wie dies anhand der Figuren 2 bis 4 oben beschrieben ist. Die streifenförmige Halte rung 90 kann analog zur Ausbildung der Wechselanordnung 80 gemäss Figur 4, mit einer äusse ren Abdeckung und dann mit einem äusseren Fenster am Ort der Öffnung 53 des Receivers 50 versehen sein. Ebenso kann der Fachmann die Anzahl einzelner Fenster bzw. die Länge eines langgestreckten Fensters nach Bedarf im konkreten Fall festlegen. In einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform wird ein blindes, z.B. wärmeiso lierendes Fenster 52,60 bis 62, 91 bis 95 bzw. Fensterbereich 71 bis 84 vorgesehen, um den Receiver 50 im Fall einer Bewölkung oder über Nacht, wenn der produktive Betrieb unterbro chen werden muss, vor Auskühlung zu schützen. Zusätzlich oder alternativ kann dieses Fenster auch gegen das Innere des Receivers 50 für Licht reflektierend ausgebildet sein (was, aufgrund der hohen Temperaturen im Receiver 50 sowohl sichtbares Licht wie auch IR-Strahlung um fasst). Ein wärmeisolierendes Fenster verfügt primär über eine tiefe Wärmeleitfähigkeit, da absorbierte Strahlung aus dem Inneren des Receivers 50 seine Innenseite aufheizt, diese Wärme aber möglichst verlangsamt an dessen Aussenseite gelangen soll, wo sie dann an die Aussenwelt abgegeben wird und so den Receiver 50 auskühlt. Es ergibt sich dann ein Receiver bei welchem die Wechselanordnung bevorzugt ein wärmeisolierendes und/oder gegen das In nere des Receivers Licht reflektierendes Fenster oder einen intransparenten Fensterbereich aufweist.
In einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform wird in der Wechselan ordnung ein anderes Fenster 52,60 bis 62, 71 bis 74,75 als Öffnung bzw. Loch ausgebildet, so dass der Absorptionsraum 54 dann direkt mit der Aussenwelt verbunden ist. Dies ist vorteil haft, weil grundsätzlich jedes die Öffnung 25 zum Absorptionsraum 15,54 bedeckende Fenster die einfallende Strahlung zu einem geringen Grad selbst absorbiert, was unerwünscht ist, aber in Kauf genommen wird, weil ohne Fenster Umgebungseinflüsse wie Wind etc. die Strömungs verhältnisse im Receiver 50 stören und so dessen Wirkungsgrad herabsetzen können. Umge kehrt kann es damit vorteilhaft sein, für beispielsweise Windstille kein Fenster vorzusehen, so dass die Öffnung 25 zum Absorptionsraum frei bleibt und die Sonnenstrahlung 3 den Absorp tionsraum 15,54 ohne Durchgang durch ein für sie transparentes (aber eben doch unvermeid licherweise etwas absorbierendes) Material direkt erreicht. Im Fall solch einer Ausführungs form kann dann beispielsweise an Stelle eines der Fenster 91 bis 95 gemäss Figur 5 oder eines der Fenster 60 bis 62 gemäss Figur 2 als Öffnung bzw. Loch ausgebildet sein. Weiter kann dann beispielsweise in einem transparenten Ringfenster 75 gemäss Figur 3 eine der Öffnung 53 des Receivers 50 entsprechende Öffnung vorgesehen werden, die als Loch im Ringfenster 75 eine direkte Verbindung des Absorptionsraums 15,54 mit der Aussenwelt erlaubt. Es ergibt sich so bevorzugt ein Receiver 50, bei dem die Wechselanordnung ein als Loch ausgebildetes Fenster für die Öffnung 52 des Recievers 50 aufweist. In einer weiteren Ausführungsform wird die Rotation oder die translatorische Bewegung der Halterung der Fenster bzw. Fensterbereiche derart gesteuert, dass ein einmal als defekt er kanntes Fenster nicht mehr über die Öffnung 53 des Receivers 50 gelangt, so dass der Betrieb des Receivers 50 trotz einem defekten Fenster (oder Fensterbereich beispielsweise auf einem Ringfenster 71) aufrecht erhalten werden kann.
In einer weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist die Wechselanord nung mit einer getrennt angeordneten Unterhaltsstation betriebsfähig verbunden, so dass in der Wechselanordnung nur das Fenster an der Öffnung 53 ersetzt wird, der Unterhalt oder ein Austausch von Fenstern jedoch in der getrennten Unterhaltsstation erfolgt.
Schliesslich ist erfindungsgemäss ein Solarkraftwerk mit einem Receiver, das eine Wechselan ordnung für das die Öffnung des Receivers überdeckende Fenster durch ein anderes Fenster aufweist. Bevorzugt weist dann das Solarkraftwerk eine von der Wechselanordnung getrennte Unterhaltsstation auf, die weiter bevorzugt mit einem Magazin für Fenster versehen ist.
Weiter ist erfindungsgemäss ein Verfahren zur Wartung eines für den Einfall von Sonnenstrah lung in einen Receiver ausgebildeten Fensters, wobei ein wartungsbedürftiges Fenster im Be trieb des Receivers durch eine mit dem Receiver zusammenwirkende Wechselanordnung durch ein anderes, nicht wartungsbedürftiges Fenster ausgetauscht wird. Weiter wird dann bevorzugt die Wartung in einer dafür in der Wechselanordnung vorgesehenen Unterhaltssta tion vorgenommen.

Claims

Patentansprüche
1. Receiver (50) mit einem Absorber (55) und einer Öffnung (53) für die im Betrieb auf den Absorber fallenden Sonnenstrahlen (3), wobei ein Fenster vorgesehen ist, das die Öffnung überdeckt, gekennzeichnet durch eine mit ihm zusammenwirkende Wechselanordnung für das die Öffnung (53) überdeckenden Fensters (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75, 91 bis 95) durch ein anderes Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75).
2. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei die Wechselanordnung eine Anzahl Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75) und eine Flalterung für diese aufweist, wobei die Flalterung derart gegenüber dem Receiver bewegbar ausgebildet ist, dass im Betrieb ein Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75) nach dem anderen die Öffnung (53) in einem vorbestimmten Wechsel überdeckt.
3. Receiver (50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wechselanordnung als um ihr Zentrum (58) rotierbare, eine Flalterung für die Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75) bildende Schei benstruktur ausgebildet ist, in der die Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75) vereinzelt ent lang dem Umfang der Scheibe verteilt angeordnet sind.
4. Receiver (50) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wechselanordnung als um ihr Zentrum rotierbare, eine Flalterung für die Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75) bildende Scheiben struktur ausgebildet ist, in der die Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75) als Bereiche eines einzigen transparenten Rings ausgebildet sind.
5. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei die Wechselanordnung als streifenförmige Flalte rung für in ihr vereinzelt hintereinander angeordnete Fenster (91 bis 95) oder ein langge strecktes Fenster ausgebildet ist
6. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei er eine Unterhaltsanordnung (65,76,85,97) für ei nen anderes, sich ausserhalb der Öffnung (53) befindendes, transparentes Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75, 91 bis 95) aufweist.
7. Receiver (50) nach Anspruch 6, wobei die Unterhaltsanordnung eine Kühlvorrichtung (76) für ein sich ausserhalb der Öffnung (53) befindendes Fenster aufweist.
8. Receiver (50) nach Anspruch 6, wobei die Unterhaltsanordnung eine Reinigungsvorrich tung (65) für ein sich ausserhalb der Öffnung (53) befindendes Fenster aufweist.
9. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei die Wechselanordnung zwischen dem die Öffnung (53) überdeckenden Fenster und der Aussenwelt ein weiteres sich über die Öffnung (53) erstreckendes äusseres Fenster (82) aufweist, das bevorzugt gasdicht am Receiver (50) festgelegt ist.
10. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei die Wechselanordnung ein wärmeisolierendes und/oder gegen das Innere des Receivers Licht reflektierendes Fenster aufweist.
11. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei die Wechselanordnung ein als Loch ausgebildetes Fenster für die Öffnung 52 des Receivers 50 aufweist.
12. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei der Receiver als absorptiver Receiver ausgebildet ist, und wobei das Verhältnis c der Temperaturzunahme des Wärme transportieren Flu ids im Receiver durch Absorption von Strahlung gegenüber der gesamten Temperaturzu nahme durch die Absorption und Konvektion am Absorber (55) > 0,3 bevorzugt > 0,6 besonders bevorzugt > 0,8 ist.
13. Receiver (50) nach Anspruch 1, wobei der Receiver als Receiver-Reaktor (20) ausgebildet ist
14. Receiver (50) nach Anspruch 13, wobei der Receiver (20) für eine Redox-Reaktion oder für das Cracken von Kohlenwasserstoffgasen ausgebildet ist.
15. Solarkraftwerk mit einem Receiver (50), dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Wech selanordnung für das die Öffnung (53) des Receivers (50) überdeckende Fenster durch ein anderes Fenster aufweist.
16. Verfahren zur Wartung eines für den Einfall von Sonnenstrahlung in einen Receiver (50) ausgebildeten Fensters (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75, 91 bis 95), dadurch gekennzeichnet, dass ein wartungsbedürftiges Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75, 91 bis 95) im Betrieb des Receivers (50) durch eine mit dem Receiver (50) zusammenwirkende Wechselanord- nung durch ein anderes, nicht wartungsbedürftiges Fenster (52, 60 bis 62, 71 bis 74, 75,
91 bis 95) ausgetauscht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Wartung in einer dafür in der Wechselanordnung vorgesehenen Unterhaltsstation vorgenommen wird.
PCT/CH2020/050013 2019-12-26 2020-12-23 Receiver WO2021127791A1 (de)

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