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Die
Erfindung betrifft einen Strahlungsempfänger zur Übertragung der Energie einfallender
Solarstrahlung auf Feststoffpartikel sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Generell
befasst sich die Erfindung mit der konzentrierenden Solartechnik
(CSP = Concentrating Solar Power) unter Verwendung solarer Turmanlagen.
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Es
ist bekannt, Solarstrahlung, die auf ein größeres Areal fällt, mit
Heliostatspiegeln auf einen Solarstrahlungsempfänger (Receiver) zu reflektieren.
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Direkt
absorbierende Empfänger
(DAR = Direct Absorption Receiver) besitzen den Vorteil, dass die Solarstrahlung
direkt auf das zu beheizende Gut fällt. Hierdurch kann auf hochtemperaturstabile
und teuere Rohre oder volumetrische Strukturen aus Metall oder Keramik
verzichtet werden. Die direkte Einkopplung von Solarstrahlung in
das zu erhitzende Gut ermöglicht
sehr hohe solare Strahlungsflussdichten und hohe Endtemperaturen.
Dadurch ist der Wirkungsgrad von DAR und daran angekoppelten Kraft-Wärmeprozessen
besonders hoch. Bei Partikelreceivern, die Feststoffpartikel enthalten,
entfallen teuere Wärmetauscher,
um die Energie von einem Receivermedium wie Luft oder Wasserdampf
an das Speichermaterial weiterzugeben. Die Feststoffpartikel bilden
das Speichermaterial. Die in das System integrierte Energiespeicherung
erlaubt den Betrieb kontinuierlicher Prozesse auch bei fluktuierender
Solarstrahlung und bei Nacht. Die eingekoppelte Wärme kann
für verschiedene
Zwecke genutzt werden, beispielsweise für Gas- oder Dampfturbinenprozesse oder
für chemische
Prozesse, wie die Wasserstofferzeugung.
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Bekannt
sind Empfänger,
bei denen Feststoffpartikel im freien Falle eine Strecke durchlaufen,
in welche hochkonzentrierte Strahlung eingeleitet wird, die von
den Partikeln absorbiert wird. Solche Falling Particle Receiver
arbeiten mit kleinen Partikeln von 0,3 mm–1 mm Durchmesser. Diese erwärmen sich
beim Durchlaufen des solaren Fokus.
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Ferner
sind Flüssigsalz-Filmreceiver
bekannt, bei denen flüssiges
Salz auf der bestrahlten Empfängerseite
durch Schwerkraft nach unten sinkt und dabei erwärmt wird.
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Die
bekannten Empfänger,
die mit Feststoffpartikeln arbeiten, haben den Nachteil, dass die
erreichte Partikeltemperatur wesentlich von der Strahlungsflussdichte
abhängt.
Daher ist es erforderlich, zur Erzielung einer gewünschten
Wärmeaufnahme
den Massenstrom der Partikel zu verändern. Eine geringe Massenstromdichte
hat zur Folge, dass sich die Partikel weniger abschatten und der
einzelne Partikel trotz geringerer einfallender Strahlungsflussdichte
bis zur Solltemperatur erhitzt wird. Eine Verringerung der Partikeldichte
hat auch zur Folge, dass die Transparenz des Partikelvorhangs zunimmt
und daher mehr Solarstrahlung von der Rückwand an die Umgebung reflektiert
wird. Diese Verluste führen
zu niedrigen Teillastwirkungsgraden. Ein weiterer Nachteil besteht
in der hohen Windanfälligkeit.
Vor allem bei schräg
einfallenden Winden werden Partikel aus dem fallenden Vorhang ausgetragen.
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Einen
Strahlungsempfänger,
von dem der Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgeht, ist bekannt
aus
DE 102 08 487
A1 . Der Strahlungsempfänger
weist einen auf einem Turm montierten luftdurchströmten Strahlungsabsorber
auf, der durch die auftreffende Solarstrahlung erhitzt wird und
dadurch eingesaugte Luft erhitzt. Die Heißluft wird einem Heißluft-Sand-Wärmetauscher
zugeführt,
wo sie Wärme
an Sand abgibt, der auf einer Schrägfläche nach unten rieselt. Der
Sand dient hierbei als Wärmeenergieträger zwischen
der hocherhitzten unkomprimierten Heißluft und der zu erhitzenden
Druckluft.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Feststoffpartikeln
arbeitenden Strahlungsreceiver zu schaffen, der auch bei Teillastbetrieb
gute Wirkungsgrade hat, und bei dem die Windanfälligkeit verringert ist.
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Der
Solarstrahlungsreceiver nach der vorliegenden Erfindung ist durch
den Patentanspruch 1 definiert. Ferner ist ein Verfahren zur Übertragung
der Energie einfallender Strahlung auf Feststoffpartikel gemäß der Erfindung
durch den Patentanspruch 12 definiert.
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Erfindungsgemäß werden
die Feststoffpartikel auf eine schräge Ebene geführt, auf
der sie die mit konzentrierter Solarstrahlung bestrahlte Empfängerstrecke
durchlaufen. Die Empfängerstrecke
bildet eine schiefe Ebene mit einem Neigungswinkel, der in der Regel
zwischen 20° und
50° beträgt. Durch
die Größe der Neigung
der schiefen Ebene kann die Verweildauer der Partikel in der Bestrahlungsstrecke
beeinflusst werden.
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Der
Massenstrom der Feststoffpartikel kann über regelbare Eintrittsöffnungen
eingestellt werden. Bei geringen solaren Einstrahlungen wird ein
kleinerer Partikel-Massenstrom zugeführt. Die optischen Absorptionseigenschaften
hängen
nicht von der Größe des Massenstromes
ab. Damit besitzt der Receiver auch bei geringen Massenstromdichten
eine hohe Absorptivität
und daher hohe Wirkungsgrade.
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Der
Massenstrom kann durch Regelung beziehungsweise Verstellung der
Einlassvorrichtung verändert
werden. Bei geringen solaren Einstrahlungen wird ein kleinerer Partikel-Massenstrom
zugeführt.
Bei dem erfindungsgemäßen Konzept
hängen
die optischen Absorptionseigenschaften nicht von der Größe des Massenstromes
ab. Der Receiver zeigt auch bei geringen Massenstromdichten eine
hohe Absorptivität,
so dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in der Beeinflussung der
Aufenthaltszeit der Partikel im Strahlungsempfangsbereich des Receivers.
Der Wirkungsgrad des Receivers wird in Teillast nicht wesentlich verringert.
Der erfindungsgemäße Receiver
hat eine geringe Windempfindlichkeit. Weitere Vorteile sind der einfache
Aufbau und die direkte Einkopplung der Wärme in die Partikel.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Neigung der
schiefen Ebene geregelt veränderbar
ist. Auf diese Weise kann die Verweildauer der Partikel und somit
auch die bei der jeweiligen Strahlungsdichte erreichbare Temperatur
beeinflusst werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Massenstrom
durch Regelung der Einlassvorrichtung veränderbar sein.
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Die
schiefe Ebene kann die Form eines Trichters oder Kraters haben.
Alternativ hierzu kann sie auch die Form eines Kegels haben. All
diesen Varianten, die auch miteinander kombinierbar sind, ist gemeinsam, dass
die schiefe Ebene ringförmig
ist und ein Zentrum umgibt. Eine andere Variante der Erfindung sieht
vor, dass die schiefe Ebene plattenförmig ist.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für Strahlungsreceiver, die auf
einem Turm angebracht sind und Solarstrahlung von einem Heliostatfeld
aus zahlreichen am Boden angeordneten Heliostatspiegeln empfangen.
Am Strahlungsreceiver kann ein Sekundärspiegel vorgesehen sein, der
die einfallende Strahlung auf die schiefe Ebene verteilt. Der Sekundärspiegel
hat einerseits die Aufgabe, die Strahlung auf die schiefe Ebene,
beziehungsweise die darauf herabgleitenden Partikel, zu konzentrieren
und andererseits die Aufgabe, die Strahlung gleichmäßig auf
die schiefe Ebene zu verteilen, um örtliche Strahlungsspitzen oder
-senken zu vermeiden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Übertragung der Energie einfallender
Strahlung auf Feststoffpartikel, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Feststoffpartikel über
eine schiefe Ebene rutschen, während
sie der Strahlung ausgesetzt werden.
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Die
Feststoffpartikel können
aus jeglicher Art von Granulat bestehen, das hochtemperaturbeständig ist.
Es kann sich um Keramikpartikel oder Sand handeln. Bevorzugt wird
eine Zusammensetzung verwendet, die 83% Al2O3, 7% Fe2O3 und als Rest SiO2 und
TiO2 und andere enthält. Die Partikelgröße beziehungsweise Korngröße beträgt vorzugsweise
etwa 0,3 mm–1
mm.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Trichter-Variante des Strahlungsreceivers,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der Trichter-Variante mit Festbett,
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3 eine
Draufsicht von 2,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
als Kombination von Trichter- und Kegel-Variante,
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5 eine
Draufsicht von 4,
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6 ein
Ausführungsbeispiel
der Kegel-Variante mit Festbettsubstrat,
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7 eine
Draufsicht von 6,
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8 einen
plattenförmigen
Receiver und
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9 eine
Draufsicht von 8.
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Der
Receiver von 1 weist eine Leitvorrichtung 10 auf,
die eine Gleitfläche
zum kontrollierten Gleiten von Partikeln unter Schwerkrafteinfluss
bildet. Die Leitvorrichtung 10 ist hier nach Art eines
Trichters ausgebildet. Sie weist eine schiefe Ebene SE auf, die
sich von einem oberen Rand 11 bis zu einem zentralen unteren
Ablauf 12 erstreckt. Die Neigung der schiefen Ebene ist
an allen Stellen gleich. An dem oberen Rand befinden sich Einlassvorrichtungen,
die umfangsmäßig verteilt
angeordnet sind, so dass von jeder Einlassvorrichtung ein Partikelfluss 13 in
den Trichter eingeleitet wird. An dem Ablauf 12 befindet
sich eine Dosiervorrichtung 14, mit der der Partikelstrom
beeinflusst werden kann. Dadurch kann die Verweildauer der Partikel
auf der schiefen Ebene kontrolliert werden. Von der Dosiervorrichtung 14 fallen
die heißen
Partikel in einen Tank 15, der einen Wärmespeicher bildet, aus dem
die Partikel bedarfsabhängig
entnommen werden können.
Alternativ hierzu kann eine entsprechende Dosiervorrichtung auch
am Einlass vorgesehen sein, um die Verweildauer und damit die Bestrahlungsdauer
zu kontrollieren.
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Die
Leitvorrichtung 10 und der Tank 15 sind bei diesem
Ausführungsbeispiel
von einem Mantel 16 umgeben, der eine Wärmeabstrahlung an die Umgebung
verhindert.
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Der
gesamte Strahlungsreceiver ist rotationssymmetrisch mit vertikaler
Achse ausgebildet.
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Über der
Leitvorrichtung 10 befindet sich ein Sekundärspiegel 18,
der die von einem Heliostatfeld kommende Strahlung 19 reflektiert,
wobei die reflektierte Strahlung 20 auf die schiefe Ebene
SE möglichst
gleichmäßig verteilt
wird. Der Sekundärspiegel 18 lenkt
die von unten her einfallende Strahlung von oben auf den Receiver.
Seine Spiegelfläche
ist leicht gekrümmt,
so dass er eine fokussierende Wirkung hat. Die schiefe Ebene SE
ist jedoch gegenüber
dem Fokus in Richtung der optischen Achse versetzt. Der Sekundärspiegel
kann relativ klein gebaut werden, mit dem Vorteil geringer Windlasten
und niedriger Kosten.
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Die
Hangneigung der Schrägfläche SE hängt ab von
den Reibungseigenschaften der Partikel in Kombination mit der Leitvorrichtung.
Generell beträgt
die Hangneigung < 20°. Durch diese
Hangneigung wird sichergestellt, dass stets Partikel auf der Schrägfläche SE liegen.
Der effektive Böschungswinkel
der Oberfläche der
Partikelschüttung
beträgt
zwischen 20° und
40°, insbesondere
etwa 30°.
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Der
erfindungsgemäße Strahlungsreceiver
kann als Flowing Particle Receiver bezeichnet werden, im Gegensatz
zu dem bekannten Falling Particle Receiver. Beim Flowing Particle
Receiver kann der Massenstrom ohne Hilfseinrichtungen geregelt werden.
Bei erhöhter
Zufuhr von Partikeln nimmt die Hangsteigung – je nach Bauart des Receivers – zu oder
ab, so dass die Rutschgeschwindigkeit sich verändert.
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Da
beim Flowing Particle Receiver keine Partikel frei herabfallen,
ist die Windanfälligkeit
gering. Auch die Abrasion der Partikel ist relativ niedrig, weil
die Partikel nicht im Anschluss an einen freien Fall aufeinanderprallen,
sondern aneinander abgleiten.
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2 und 3 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
nach dem Prinzip Krater oder Trichter, bei dem die schiefe Ebene
SE von einem Festbett 25 gebildet wird, das auf einem horizontalen
Boden 26 angeordnet ist und einen Trichter mit dem erforderlichen
Neigungswinkel bildet. Am oberen Rand des Trichters befindet sich die
Einlassvorrichtung 27 mit umfangsmäßig verteilt angeordneten schlitzförmigen Einlässen 28 und
am unteren Ende befindet sich der zentrale Ablauf. Über die
Einlässe 28 werden
sektormäßig unterteilt
die kalten Partikel 29 zugeführt. Die Feststoffpartikel 30 bilden
auf der schiefen Ebene SE ein Fließbett, das zum Ablauf 12 hin
hinabgleitet. Je nach Dosierung von Zu- und Ablauf können sich
die Feststoffpartikel 30 am unteren Ende aufstauen und
dadurch den Böschungswinkel
verkleinern. 3 zeigt die Trajektorien der
Partikelflüsse 31 in den
Sektoren, die jeweils einem Einlass 28 zugeordnet sind.
Die Einlässe 28 können unabhängig voneinander gesteuert
beziehungsweise geregelt werden. Somit kann die Massenstromverteilung
im Receiver zonenweise an die aktuell vorliegende solare Flussdichteverteilung
angepasst werden, so dass die sich am Ablauf 12 vereinigenden
Partikelströme
ihre Solltemperatur erreichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ablauf
ungeregelt.
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Das
ebenfalls aus Partikeln bestehende Festbett 25 bildet eine
thermische Isolierung.
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Aufgrund
der Trichterform des Receivers trifft ein Teil der von den Partikeln
ausgesandten Wärmestrahlung
auf die Gegenwand beziehungsweise andere Teile der Trichterwand.
Auf diese Weise können
die Strahlverluste vermindert werden. Dies trägt zu einer Erhöhung des
Wirkungsgrades des Receivers bei.
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Der
Receiver besitzt einen einfachen Aufbau und ist über die individuellen Einlässe 28 einfach
regelbar. Er besitzt ein gutes Kaltstartverhalten, ist drucklos,
benötigt
keine gefährlichen
Materialien und verwendet nur in eingeschränkten Bereichen teuere Hochtemperatur-Materialien.
Er hat ein gutes Teillastverhalten, da der optische Wirkungsgrad
unabhängig
vom Partikel-Massenstrom ist.
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Die
nachstehende Tabelle 1 gibt typische Werte eines Flowing Particle
Receivers vom Typ ”Krater” an: Tabelle 1
| RECEIVER |
| Thermische
Leistung Receiver | 480
MWth |
| Temperaturhub
Partikel | 400
K |
| Partikel-Massenstrom | 999
kg/s |
| Aperturöffnung | Durchmesser:
25 m/Fläche:
480 m2 |
| Tiefe
des Kraters | ~
7 m |
| ZULAUF |
| Anzahl
der Zulaufzonen (bei 1/m) | 78 |
| Höhe einer
Zulaufzone (bei Länge
0,5 m und Designbed.) | ~
3,3 cm |
| THERMISCHER
SPEICHER |
| Energieinhalt
(Solar Multiple 3) | 12800
MWh |
| Speichermenge | 95940
t/43600 m3 |
| Zylindr.
Speicherdimension z. B. | Höhe: 15 m;
Durchmesser: 27 m |
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 4 und 5 ist eine innere kegelförmige schiefe
Ebene SE1 und eine diese umgebende äußere schiefe Ebene SE2 vorgesehen.
Die schiefe Ebene SE1 hat eine zentrale Einlassvorrichtung 27a über ihrem
Scheitelpunkt. Die schiefe Ebene SE2 hat eine umfangsmäßig verteilte
Einlassvorrichtung 27 mit Einlässen 28, wie bei dem
Ausführungsbeispiel
der 2 und 3.
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Die
schiefen Ebenen SE1 und SE2 treffen sich an ihren unteren Enden.
Hier befinden sich Schlitze oder auf einem Kreis angeordnete runde Öffnungen,
durch die die Partikel von beiden schiefen Ebenen herabfallen. Darunter
befindet sich ein Ablaufring, der die herabfallenden Partikel sammelt
und einem zentralen Ablauf 12 zuführt.
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Dieses
Ausführungsbeispiel
wird auch als ”Ebene” bezeichnet,
da die Partikeloberfläche
sich eher einer waagerechten Verteilung annähert. Die Oberfläche dieser
Verteilung wird solarbestrahlt und dann von nachkommenden Partikeln
abgedeckt. Der Hauptvorteil dieser Variante liegt darin, dass durch
die Massenstromregelung an den Abläufen der Massenstrom individuell
an die lokal vorliegende solare Flussdichte angepasst werden kann.
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5 zeigt
die Trajektorien der Fließwege 31,
die im zentralen Bereich des Receivers von innen nach außen und
im Umfangsbereich von außen
nach innen verlaufen.
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Die 6 und 7 zeigen
die Variante ”Kegel”. Die schiefe
Ebene SE wird von einem Festbett 25 gebildet und hat die
Form eines Kegels oder Berges. Über
dem Scheitelpunkt befindet sich die zentrale Einlassvorrichtung 27a.
Auf dem Festbett bildet sich eine Schicht aus Partikeln 30 aus,
deren Dicke zu dem Ablauf 12a hin abnimmt. Der Ablauf 12a ist
hier ringförmig
angeordnet und er besteht aus zahlreichen Ablaufschlitzen 33,
die jeweils einem Sektor der schiefen Ebene SE zugeordnet sind.
Die Partikel fließen über den
Ablauf 12a in radialer Richtung ab.
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Die 8 und 9 zeigen
ein Ausführungsbeispiel,
das als ”Förderband” bezeichnet
werden kann. Die schiefe Ebene SE hat hier die Form einer ebenen
Platte, die eine Schrägfläche bildet,
wobei am oberen Ende die Einlassvorrichtung 27 und am unteren
Ende der Ablauf 12 vorgesehen ist. Die Fließrichtung
der Partikel ist mit ”34” bezeichnet.
Durch Unterteilung der Einlassvorrichtung 27 in mehrere
Einlässe 28 kann
die Dicke der Partikelschicht auf der Schrägfläche SE in Breitenrichtung variiert
werden.
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Ein
Sekundärspiegel 18 reflektiert
die von unten her einfallende Strahlung auf die Schrägfläche SE beziehungsweise
die darauf hinabgleitenden Partikel.
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Eine
andere (nicht dargestellte) Ausführungsform
sieht anstelle der schiefen Ebene SE mindestens ein Förderband
vor, auf dem die Partikel durch die Bestrahlungszone hindurchgefördert werden.
Ein derartiges Förderband
kann horizontal angeordnet sein. Es besteht auch die Möglichkeit,
mehrere Förderbänder, die
in ihrer Geschwindigkeit einzeln regelbar sind, parallel zueinander
laufen zu lassen.
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Zur
zusätzlichen
Regulation der Partikel-Massenströme können verschiedene Maßnahmen
durchgeführt
werden, wie das Aufbringen von Vibrationen durch Rüttler oder
Schlagwerke, insbesondere zur Verstetigung des Partikelflusses.
Die Änderung
der Hangabtriebskraft erfolgt durch Regulierung des Neigungswinkels der
schiefen Ebene. Dies ist bei einem Festbett relativ einfach durchführbar. Ferner
besteht die Möglichkeit,
im Partikelweg Bremsstrukturen vorzusehen. Eine weitere Option sieht
vor, dass magnetische Partikel benutzt werden, wobei die Laufgeschwindigkeit
durch Aufbringen von Magnetfeldern beeinflusst wird.