DE19744541C2 - Solarempfänger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk, der mehrere Absorberkörper aufweist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Solar­ empfängers.

In einem solarthermischen Kraftwerk wird die einfallen­ de Solarstrahlung von Heliostaten oder Kollektoren auf einen Solarempfänger, der üblicherweise aus einer Viel­ zahl von keramischen Absorberkörpern zusammengesetzt ist, gebündelt. Die auf den Absorberkörper auftreffende hochkonzentrierte Solarstrahlung entspricht etwa der 200fachen bis 300fachen Sonnenstrahlung; dadurch werden Temperaturen von über 1000°C im Absorberkörper er­ zeugt. Aufgrund derartig hoher Temperaturen kommen Me­ talle als Werkstoffe für den Absorber nicht in Be­ tracht. Vielmehr werden hochtemperaturbeständige Kera­ miken, wie z. B. Siliziumkarbid oder Silizium-Silizium­ karbid, verwendet.

Grundsätzlich sind zwei Bauformen von Absorbern be­ kannt: volumetrische Absorber und direkt-absorbierende Absorber. Volumetrische Absorber weisen Absorberstruk­ turen aus metallischen oder keramischen Wabenstruktu­ ren, Gestricken oder Schäumen auf. Die Absorberstruktu­ ren absorbieren die Solarstrahlung und werden von einem Fluid, z. B. Umgebungsluft bei einem offenen volumetri­ schen Absorber, durchströmt, wobei das Fluid konvektiv aufgeheizt und einem nachgeschalteten Prozeß, wie z. B. einem Dampfturbinenprozeß, zugeführt wird. Bei direkt­ absorbierenden Absorbern werden in einem Gas oder einer Flüssigkeit transportierte dunkle Partikel der Solar­ strahlung ausgesetzt, wobei diese die Solarstrahlung absorbieren und das Gas bzw. die Flüssigkeit aufheizen.

Die Energiequelle eines solarthermischen Kraftwerkes ist Solarstrahlung, die im Gegensatz zu den Energie­ quellen herkömmlicher Dampferzeuger nicht regelbar ist und die durch den tages- und jahreszeitlichen Stand der Sonne einer ständigen Änderung unterworfen ist. Dabei ändert sich sowohl die Einstrahlungsintensität als auch die Einstrahlungsverteilung auf dem Solarempfänger. Zur optimalen technischen Verwertung der Energie im Wärme­ trägermedium gilt, daß die Austrittstemperatur des Wär­ meträgermediums möglichst konstant über dem Empfänger­ querschnitt sein soll. Hierzu muß die Massenstromver­ teilung des Wärmeträgermediums über der Empfängerfläche entsprechend der Verteilung der Einstrahlungsintensität angepaßt werden.

Üblicherweise ist die Massenstromverteilung des Wärme­ trägermediums wegen der hohen Temperaturen, die 1000°C überschreiten können, und auch aus Kostengründen nicht aktiv regelbar. Dies führt dazu, daß eine homogene Aus­ trittstemperatur im allgemeinen nur für einen einzigen Auslegungspunkt erreicht werden kann. Der Auslegungs­ punkt der Massenstromverteilung ist üblicherweise so gewählt, daß ein über das Jahr gemitteltes energetisches Maximum in bezug auf die Auslegung erreicht wird. Die Auslegung basiert also auf einer durchschnittlichen Einstrahlungsverteilung. Abweichungen der im Betrieb auftretenden realen Einstrahlungsverteilung von der durchschnittlichen Verteilung führen leicht zu lokalen Überhitzungen von Empfängerteilen. In der Praxis wird in diesen Fällen die Einstrahlung auf den Solarempfänger verringert, was bedeutet, daß die Anlage nicht das Maxi­ mum der potentiell zur Verfügung stehenden konzentrier­ ten Solarstrahlung nutzen kann.

Aus DE 42 23 779 C1 ist eine Solaranlage bekannt, welche einen Absorberkörper hat, durch den Umgebungsluft einge­ sogen wird, wobei sie von dem Absorberkörper konvektiv erwärmt wird. Durch den Absorberkörper sind rohrförmige Kanäle geführt, welche von der Hinterseite des Absorbers mit vorgewärmter Luft beaufschlagt sind, so daß die vorgewärmte Luft durch den Absorber hindurch vor die Absorberfläche geführt wird. Dort vermischt sich die vorgewärmte Luft mit der Umgebungsluft und wird durch den Absorber eingesogen, wo sie sich weiter erwärmt. Es hat sich gezeigt, daß die vorgewärmte Luft, welche aus einer gewissen Anzahl von Rohren austritt, eine hohe Ausströmgeschwindigkeit aufweist, so daß ein beträcht­ licher Teil der vorgewärmten Luft außerhalb des Einzugs­ bereichs des Absorbers gelangt und somit für den Prozeß nicht mehr zur Verfügung steht. Darum können vor den Rohrauslässen Prallkörper angeordnet werden, welche die ausströmende vorgewärmte Luft in Richtung des Absorbers umlenken. Da in diesem Bereich der Solaranlage sehr hohe Temperaturen herrschen, sind die Gestaltung und die Anbringung dieser Umlenkkörper sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungs­ grad eines Solarempfängers zu erhöhen, insbesondere dadurch, daß dieser über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8 gelöst.

Die Erfindung schlägt vor, einen volumetrischen Absorber mit einem direkt-absorbierenden Absorber zu verbinden. So weist der erfindungsgemäße Solarempfänger eine der einfallenden Solarstrahlung zugewandte Empfängerfläche auf, die aus mehreren mit Abständen zueinander angeord­ neten Absorberkörpern gebildet ist, wobei zwischen den Absorberkörpern Gaskanäle vorgesehen sind, durch die ein Solarstrahlung absorbierendes Gas oder gashaltiges Ge­ misch in einen Bereich vor der Empfängerfläche zuführbar ist. Im Normalbetrieb arbeitet der Solarempfänger als offener volumetrischer Absorber, d. h. daß die einfallen­ de Solarstrahlung die Absorberkörper erhitzt und Umge­ bungsluft als Wärmeträgermedium von vorne durch die Absorberkörper strömt, wobei die Umgebungsluft unter Abkühlung der Absorberkörper konvektiv erhitzt wird. Falls infolge zu hoher Solareinstrahlung eine Überhit­ zung von Absorberkörpern droht, wird durch die zwischen den Absorberkörpern liegenden Gaskanäle ein Gas oder gashaltiges Ge­ misch, wie z. B. mit Graphit angereicherte Luft, von hinten in den Bereich vor der Empfängerfläche zugeführt. Vor der Empfängerfläche absorbiert das Gas oder gashal­ tige Gemisch einen Teil der einfallenden Solarstrahlung, so daß die Bestrahlung des Absorberkörpers und damit sein Temperaturanstieg verringert wird. Das erhitzte Gas wird zusammen mit der Umgebungsluft durch den Absorber­ körper gesaugt, wo es weiter erhitzt wird. Auf diese Weise kann die Überhitzung eines Absorberkörpers ver­ mieden werden, ohne daß einfallende Solarstrahlung unge­ nutzt bleibt.

Unter einem gashaltigen Gemisch wird hier ein mit So­ larstrahlung absorbierenden Partikeln versehenes Gas verstanden. Diese Partikel, z. B. Graphit, können unter dem Einfluß der konzentrierten Solarstrahlung auch ver­ brennen und so die Wärme an das Gas des gashaltigen Gemisches übertragen. Es können auch farbige Gase ein­ gesetzt werden, welche die Solarstrahlung direkt absor­ bieren.

Es hat sich gezeigt, daß die Kombination eines volume­ trischen Absorbers mit einem direkt-absorbierenden Ab­ sorber auch für den Dauerbetrieb geeignet ist. Da das Gasgemisch ein höheres Absorptionsvermögen als ein po­ röser keramischer Absorberkörper hat, kann es Strah­ lungsanteile, die von dem Absorberkörper nicht absor­ biert werden, noch absorbieren. Zusätzlich leitet das Gasgemisch Abstrahlungs- und Reflexionsverluste des Absorberkörpers dem System wieder zu.

Vorteilhafterweise sind die Absorberkörper jeweils an einem rohrförmigen, die erwärmte Luft abführenden Trä­ gerteil angeordnet, wobei die Gaskanäle von den Träger­ teilen und/oder den Absorberkörpern gebildet sind. Dies hat den Vorteil, daß keine zusätzlichen Bauteile für die Gaskanäle verwandt werden müssen, und daß das Gas­ gemisch bei seiner Zuleitung zu der Empfängerfläche das Innere des Solarempfängers kühlt und dabei schon vor­ gewärmt wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen Solarempfängers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Solarempfänger und

Fig. 3 ein Detail einer Befestigungsvorrichtung für einen Absorberkörper des Solarempfängers.

In einem solarthermischen Kraftwerk wird Solarstrahlung von Reflektoren, wie z. B. Heliostaten oder Kollektoren auf einen Solarempfänger 1, wie er beispielhaft in Fig. 1 dargestellt ist, gebündelt. Die der einfallenden kon­ zentrierten Solarstrahlung zugewandte Empfängerfläche 2 besteht aus einer Vielzahl von Absorberkörpern 3 mit sechseckiger Stirnfläche, die aus einem porösen Kera­ mikmaterial, wie z. B. Siliziumkarbid, hergestellt sind. Die Absorberkörper 3 sind in Längsrichtung gasdurchläs­ sig, so daß ein Wärmeträgermedium zur Abführung der durch die Solarstrahlung erzeugten Wärme die Absorber­ körper 3 durchströmen kann. Das Material der Absorber­ körper 3 kann entweder offenzellige Poren aufweisen, so daß durch eine Vielzahl von Poren verlaufende gekrümmte Strömungskanäle vorhanden sind, oder es können gerade verlaufende Kapillarkanäle in dem Material ausgebildet sein.

Die einzelnen Absorberkörper 3 sind voneinander beab­ standet, so daß bei den durch die hohen Temperaturen bedingten Ausdehnungen der Absorberkörper 3 keine Span­ nungen auftreten. In ihrem rückwärtigen, der Empfänger­ fläche 2 abgewandten Bereich sind die Absorberkörper 3 jeweils an einem Trägerteil 4 befestigt, durch das Um­ gebungsluft durch die Absorberkörper 3 hindurchgesaugt wird, wobei die Umgebungsluft erhitzt wird.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Solarempfänger 1 gezeigt. Die Absorberkörper 3 sind in die Halteteile 4 eingeklebt oder eingepreßt. Die Absorberkörper 3 und die Halteteile 4 bestehen aus dem gleichen Keramikmate­ rial, wie z. B. Siliziumkarbid oder Silizium-Silizium­ karbid, so daß sie sich gleichmäßig ausdehnen und die Verbindung auch bei hoher Temperaturbelastung aufrecht­ erhalten wird. Die Trägerteile 4 sind kelchförmig; sie haben einen aufgeweiteten vorderen Bereich zur Aufnahme der Absorberkörper 3 und einen hinteren Bereich verrin­ gerten Durchmessers zum Abführen der erhitzten Luft. In dem Bereich verringerten Durchmessers sind die Träger­ teile 4 an einer Tragstruktur 5 des Solarempfängers 1 befestigt. Zwischen der Tragstruktur 5 und dem Träger­ teil 4 ist jeweils eine Blende 6 angeordnet, die den Strömungsquerschnitt für das Wärmeträgermedium redu­ ziert und für eine verbesserte Strömungsführung sorgt. Hinter der Tragstruktur 5 befindet sich eine Isolation 7, die die darunterliegende Metallstruktur vor Wärmebe­ lastung schützt. Die Trägerteile 4 sind an Saugeinhei­ ten, wie z. B. Ventilatoren, angeschlossen, die sich hinter der Tragstruktur 5 und der Isolation 7 befinden.

Während des Betriebes des Solarempfängers 1 strahlt Solarstrahlung 8 auf die Empfängerfläche 2. Dadurch werden die Poren der Absorberkörper 3 erhitzt. Umge­ bungsluft 9 wird von den Saugeinheiten durch die Absor­ berkörper 3 hindurchgesaugt, dort aufgeheizt und als erwärmte Luft 10 durch die Trägerteile 4 und daran an­ geschlossene Leitungen abgeführt. Ein die Solarstrah­ lung 8 absorbierendes Gas 11 tritt im Fußbereich der Halteteile 4 aus und wird mit Hilfe von Leitkörpern 12 entlang der Außenkonturen der Halteteile 4 geführt, wie durch die Pfeile 11a und 11b kenntlich gemacht. Im vor­ deren Teil der Trägerteile 4 und zwischen den Absorber­ körpern 3 strömt das Gas 11 in Richtung der Pfeile 11c auf die Empfängerfläche 2 zu. Das Gas 11 verteilt sich, wie durch die Pfeile 11d gezeigt, vor der Empfänger­ oberfläche 2 und wird dort zusammen mit der Umgebungs­ luft 9 in den Absorberkörper 3 eingesaugt. Während der Zuführung kühlt das Gas 11 das Halteteil 4 und den Ab­ sorberkörper 3 und heizt sich dabei auf. Vor der Absor­ berfläche 2 absorbiert das Gas 11 einen Teil der ein­ fallenden Solarstrahlung 8, wodurch es weiter erhitzt wird. Eine weitere Temperaturerhöhung erfährt das Gas 11 beim Durchströmen des Absorberkörpers 3, bevor es zur Abarbeitung, z. B. in einer Dampfturbine, weiterge­ leitet wird.

Als Gas 11 ist mit Graphit angereicherte Luft geeignet. Aufgrund der grauen Farbe hat das Gas eine hohe Absorp­ tivität. Bei Bestrahlung verbrennen die Graphitpartikel und heizen das Gas 11 auf. In diesem Fall ist der Ab­ sorberkörper 3 als selbstreinigender Filter ausgeführt, in dem eine rückstandsfreie Verbrennung erfolgt. Falls nicht-verbrennende Partikel verwendet werden, kann der Absorberkörper 3 zusätzlich die Funktion eines Abschei­ ders übernehmen.

Anhand von Fig. 3 wird nun eine Verbindungsvorrichtung 13 zum Befestigen eines der Trägerteile 4 an der Trag­ struktur 5 erläutert. Im Falle eines beschädigten Ab­ sorberkörpers 3 oder eines beschädigten Trägerteils 4 ist es erstrebenswert, diese von vorn, d. h. von der Empfängerfläche 2 aus gesehen, auszuwechseln, da bei Arbeiten im Innern des Solarempfängers 1 dieser zum Ab­ kühlen für einige Tage stillgesetzt werden muß.

Die Verbindungsvorrichtung 13 besteht aus mehreren um­ fänglich um das Trägerteil 4 angeordneten segmentarti­ gen Eingriffselementen 14. Jedes dieser Eingriffsele­ mente 14 ist verschiebbar auf einem Arm 5a der Trag­ struktur 5 derart befestigt, daß es in radialer Rich­ tung, also auf das Trägerteil 4 zu, bewegbar ist. Die Eingriffselemente 14 sind mit einer Spannvorrichtung 15, wie z. B. einem hochtemperaturbeständigen elasti­ schen Metallgurt, gegen das Trägerteil 4 abgestützt. Eine nicht dargestellte Begrenzung ist vorgesehen, um zu verhindern, daß bei herausgezogenem Trägerteil 4 die Eingriffselemente 14 von dem Arm 5a herunterfallen. Mit einem keilförmigen Vorsprung 16 greift jedes Eingriffs­ element 14 in eine keilförmige, umfänglich verlaufende Nut 17 des Trägerteiles 4 ein. Die Keilflächen des Vor­ sprungs 16 und der Nut 17 sind zueinander parallel, so daß auch bei einer durch die Erwärmung hervorgerufenen Veränderung des Umfangs oder der Länge des Trägerteils 4 ein fester Sitz des Trägerteils 4 gesichert ist.

Zur Montage wird das Trägerteil 4 einfach zwischen die Arme 5a gepreßt, wodurch die Spannelemente 14 radial nach außen gedrückt werden, bis sie in den Sitz 17 ein­ rasten.

Claims (9)

1. Solarempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk, mit einer der einfallenden Solarstrahlung (8) zuge­ wandten Empfängerfläche (2), wobei Umgebungsluft (9) als Wärmeträgermedium durch die Empfängerfläche (2) strömt und durch Gaskanäle ein Solarstrahlung (8) absorbierendes Gas oder gashaltiges Gemisch (11) in einen Bereich vor der Empfängerfläche (2) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfängerfläche (2) von mehreren mit gegen­ seitigen Abständen angeordneten Absorberkörpern (3) gebildet ist, und
daß die Seitenflächen der Absorberkörper (3) die Gaskanäle derart begrenzen, daß jeder Absorberkörper (3) an seinem Umfang umströmt wird.

2. Solarempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Absorberkörper (3) jeweils an ei­ nem rohrförmigen, die erwärmte Luft (10) abführenden Trägerteil (4) angeordnet sind, wobei die Gaskanäle von den Trägerteilen (4) und den Absorberkörpern (3) gebildet sind.

3. Solarempfänger nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Trägerteile (4) mit einer rastba­ ren Verbindungsvorrichtung (13) befestigt sind, die eine Montage von der Seite der Empfängerfläche (2) her ermöglicht.

4. Solarempfänger nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung (13) aus mehreren umfänglich angeordneten Eingriffselementen (14) besteht, die mittels einer Spannvorrichtung (15) in eine umfängliche Ausnehmung (17) des Träger­ teils (4) gepreßt sind.

5. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Solarempfänger (1) zirkulierende Kühlluft das Gas oder gashaltige Ge­ misch (11) bildet.

6. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas oder gashaltige Gemisch (11), insbesondere mit Graphit, gefärbt ist.

7. Solarempfänger nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Solaremp­ fängers (1) aus Keramik, insbesondere Siliziumkar­ bid, bestehen.

8. Verfahren zum Betreiben eines Solarempfängers (1) für ein solarthermisches Kraftwerk, der aus mehreren Absorberkörpern (3) mit dazwischen angeordneten Gas­ kanälen besteht, wobei ein die Solarstrahlung (8) absorbierendes Gas oder gashaltiges Gemisch (11) durch die Gaskanäle vor die von dem Absorberkörper (3) gebildete Empfängerfläche (2) geführt wird, wo es zumindest teilweise verbrennt, und dann durch die Absorberkörper (3) hindurch abgesaugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas (11) aus mit Graphit angereicherter Luft benutzt wird.