DE2831023A1

DE2831023A1 - Verfahren und einrichtung zum erhitzen eines durchsichtigen gasfoermigen mediums mittels konzentrierter sonnenstrahlung

Info

Publication number: DE2831023A1
Application number: DE19782831023
Authority: DE
Inventors: Ruedi Kriesi; Mario Dipl Ing Posnansky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-02
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1979-11-15
Also published as: EP0015964A1; US4421102A; WO1979001021A1; CH636428A5

Description

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Mario Posnansky _; Melchenbühlweg 18·' '3006'Bern (Kanton Bern)

Schweiz-'

Verfahren und Einrichtung zum Erhitzen eines durchsichtigen gasförmigen Mediums mittels konzentrierter Sonnenstrahlung

5h/la/70 779
Fall 12

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Verfahren und Einrichtung zum Erhitzen eines durchsichtigen, gasförmigen Mediums mittels konzentrierter Sonnenstrahlung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.

Unter konzentrierter Sonnenstrahlung versteht man die Erhöhung der Leißtung der Sonnenbestrahlung, die pro Flächeneinheit auf einen Gegenstand.auftrifft. Die Leistung, die bei normaler Sonnenbestrahlung auf eine Fläche von

1 m eingestrahlt wird, beträgt etwa 800 W. Bei einer tausendfach konzentrierten Sonnenstrahlung ist- die Leistung,

2
die auf einen m eingestrahlt wird, 1000 χ 800 W gleich 800 kW. Das Konzentrieren der Sonnenstrahlung kann durch Linsen, Hohlspiegel oder, bei den bekannten Sonnenkraftwerken, durch eine Vielzahl von am Boden angeordneten Spiegeln, die die Sonnenstrahlen auf die Spitze eines zentral angeordneten Turmes reflektieren, erreicht werden. Hinweise auf solche Kraftwerke sind im Bericht "Solar thermal Power Stations" vom internationalen Symfosium vom 11. - 13. April 1978 in Köln der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DFVLR) sowie im Referat "Solar Heated Air-Receivers", das für den internationalen Sonnenenergiekongress und die Ausstellung vom 28. Juli bis 1. August 1975 in Los Angeles USA vorbereitet wurde, beschrieben. Bei diesen bekannten Sonnenkraftwerken oder im allgemeinen bei Einrichtungen, die zur Umsetzung von Sonnenenergie in mechanische Arbeit auf thermischen Wegen dienen, besteht wie bei anderen thermischen Kraftprozessen die Notwendigkeit, möglichst hohe Arbeitstemperaturen zu erreichen,

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damit ein hoher Wirkungsgrad für die Umsetzung von
thermischer Energie in Arbeit resultiert (Carnot vactor).

Normalerweise ergibt sich daraus, dass das Arbeitsmedium bei thermischen Kraftprozessen bei diesen hohen

Temperaturen nach Brayton, Otto, Stirling bei 600 bis 1000° C gasförmig bzw. nach Rankine dampfförmig ist, beispielsweise überhitzter Dampf von 500 bis 600° C. Die Erhitzung eines gas- oder dampfförmigen Mediums mittels stark konzentrierter Sonnenenergie bietet bei den heute bekannten Ausführungsformen von Sonnenkraftwerken ganz besondere Schwierigkeiten. Bei der Gestaltung der Strahlungsempfänger, die meist auf einem Turm angeordnet sind, kann beobachtet werden, dass riesige voluminöse Gebilde, sogenannte Kavitätsempfänger, gebaut werden, bei denen die hoch konzentrierte Sonnen-

strahlung nach Durchtritt durch eine Eingangsöffnung

"Deffokusiert" geschlossen wird und im Innern auf Rohre,
in denen das zu erhitzende Arbeitsmedium zirkuliert, auftrifft.

Wegen der schlechten Wärmeübergangszahl, mit der

die Wärme von einem festen Körper auf ein gasförmiges

Medium übertragen wird, sind einerseits bei den bekannten Bauarten und Verfahren zur Erwärmung des Gases grosse
Oberflächen notwendig. Daraus ergibt sich, dass relativ
grosse Volumen der Kavität, dessen innere Oberfläche

wesentlich grosser ist als die Fläche der Oeffnung,durch
welche die Strahlen eingefangen werden. Andererseits sind sehr hohe Temperaturen für die wärmeübertragenden Rohrwände notwendig, was zur Verwendung von hochwarmfesten Keramikstoffen führt. Diese Zusammenhänge seien im Folgenden anhand einer kurzen Rechnung aufgezeigt:

Die in die Kavität eintretende Strahlungsleistung
beträgt Q₅ tr = ^F _K ^ ^worin

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Fj. = Fläche des Strahlungsbündels am Eingang der

Kavitat (m²)

q = Strahlungsleistungsdichte (kW/m ), in der

Regel I 000 bis 2000 kW/m².

Diese Strahlungsleistung muss über die Rohrwände an das Gas übertragen werden, was nach der■· folgenden Gleichung geschieht:

Qn r. = Fnfv A T₁, . ., wobei Wan-Gas ROr** W minus M

F_R die totale Rohroberfläche, die für die

Wärmeübertragung zur Verfugung steht,

©Cdie Wärmeübergangszahl von der Wand zum Medium und

die Temperaturendifferenz T,, ,

^TMedium ^lst*

Somit ergibt sich die folgende Beziehung

(F_K q = F_R Of A T_w _ _M

Nimmt man beispielsweise eine zulässige Temperaturen differenz von 400 C zwischen Wand und Medium an, wenn beispielsweise das Gas auf 800 C erhitzt werden soll, so hätte die Wand eine Temperatur von 1200 C, und legt man eine sehr hohe Wärmeübergangszahlöf von 0,2 kW/rrr C zugrunde, was nur bei sehr hohem Druck und Gasgeschwindigkeiten erzielbar ist, dann ergibt sich bei einer Strahlungsdichte von 2000 kW/m folgendes Flächenverhältnis zwischen totaler Oberfläche der Absorberrohrwände und dem Querschnitt der Kavitätsöffnung

F_D q 2000 κ _ ' ; - 25

^FK " <*^ΔΤ " 0.2 · 400

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Wollte man diese Oberfläche der Kavität und damit deren Volumen und Gewicht verkleinern, dann bleibt etwas mehr Spielraum für die Steigerung der Temperaturdifferenz zwischen der Wand und dem Medium durch Ver-Wendung von Keramikwerkstoffen oder man ist gezwungen, ein flüssiges Medium zu verwenden. Wasser ist hiefür nicht geeignet, weil bei einer Temperatur von nur 300 C bereits ein sehr hoher Druck entsteht. Es kommen demnach nur flüssige Metalle oder beispielsweise flüssiges Natrium in Frage, die wesentlich höhere Temperaturen zulassen, aber andere entscheidende'Nachteile besitzen. Ganz sicher ist jedoch, dass jeder Versuch einer Energieübertragung im Bereich der hochkonzentrierten Sonnenstrahlung nach den bisher bekannten Verfahren sehr schwierig und umständlich ist, wobei selbst Keramikmaterialien den dabei auftretenden Temperaturen kaum mehr standhalten. Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Uebertragung der in der konzentrierten Sonnenstrahlung enthaltenen Energie auf ein durchsichtiges., gasförmiges Medium

ZO anzugeben, wobei die Wärmeübertragung direkt im Bereich der grössten Konzentration des Strahlenbündels stattfindet. Ausserdem soll das Volumen der Einrichtung bezogen auf das Volumen der bekannten Einrichtungen reduziert werden und die Möglichkeit geboten werden, dass auf den Einsatz von hochfesten Keramikmaterialien verzichtet werden kann. Ein weiteres Ziel ist, das Gas, beispielsweise Luft, auf eine Temperatur von wenigstens 600 C zu erhitzen .

Das erfindungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 2.

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Die Erfindung ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Teil eines Sonnenkraftwerkes mit einem Turm, auf dessen oberen Bereich die Sonnenstrahlung mittels am Boden angeordneten Spiegeln konzentriert wird,

Fig. 2· eine Frontansicht einer im oberen Bereich des Turmes gemäss der Fig. 1 angeordneten erfindungsgemässen Einrichtung zum Erhitzen eines gasförmigen Mediums mittels konzentrierter Sonnenstrahlung,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III bis III der Fig. 2,

Fig. 4 Ausschnitte aus der Fig. 2 in einem grösseren Masstab, welche Ausschnitte die Halterung von Quarzglasrohren der erfindungsgemässen Einrichtung zeigen, Fig. 5 Ausschnitte aus der Fig. 2 in einem grösseren Masstab, welche Ausschnitte eine andere Form der Halterung von Quarzglasrohren der erfindungsgemässen Einrichtungen zeigen zeigen,

Fig. 6 einen Querschnitt durch eines der Quarzglasrohre der Einrichtung gemäss der Fig. 2,

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine zweite Ajsführungsform eines der Quarzglasrohre der Einrichtung gernäss der Fig. 2,

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines der Quarzglasrohre der Einrichtung gemäss der Fig. 2,

Fig. 9 einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Quarzglasrohres der Einrichtung gemäss. der Fig. 2,

Fig.- 10 einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines Quarzglasrohres der Einrichtung gemäss der Fig. 2,

Fig. 11 die schaubildliche Darstellung einer Kreuzungsstelle des Gebildes innerhalb des Quarzglasrohres nach der Fig. 10 in einem grossen Masstab gezeichnet,

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Fig. 12 einen Quers.chnitt durch einen länglichen Glaskörper mit einer Vielzahl von parallelverlaufenden Durchtrittskanälen, welche Glaskörper anstelle der Quarzglasrohre in der Einrichtung gemäss der Fig. 2 verwendbar ist, Fig.-13 die prinzipielle Darstellung der Verwendung der Einrichtung gemäss der Fig. 2 in einer Sonnenkraftwerkanlage, Fig. 14 die vereinfachte Darstellung eines Sonnenkraftwerkes mit einem Turm in dessen oberen Bereich Strahlenempfänger angeordnet sind, die von allen Seiten von auf dem Boden angeordneten Spiegeln angestrahlt werden,

Fig. 15 einen Querschnitt durch den oberen Bereich des Turmes des Sonnenkraftwerkes gemäss der Fig. 14 und

Fig. 16 einen Querschnitt durch den oberen Teil des Turmes gemäss der Fig. 14, wobei die Strahlenempfänger anders ausgebildet sind, als jene die in der Fig. 15 dargestellt sind.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen dargelegt, die sich insbesondere für die Verwendung im Turm eines Sonnenkraftwerkes eignen. Die Fig. 1 zeigt einen Teil eines Sonnenkraftwerkes in stark vereinfachter Darstellung. An der Spitze eines Turmes 1 ist ein sogenannter Strahlenempfänger 2, beispielsweise die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Einrichtung, angeordnet.

Im Innern des rohrförmgien Turmes 1 sind eine nicht dargestellte Zuführleitung für ein zu erhitzendes durchsichtiges gasförmiges Medium, z.B. Luft, und eine nicht gezeichnete Abführleitung für die in der genannten Einrichtung erhitzte Luft angeordnet. Die einfallende Sonnenstrahlung ist durch Pfeile 3 angedeutet und wird durch am Boden 4 angeordnete Spiegel 5 auf die Frontfläche der Einrichtung konzentriert. Die Einrichtung ist so geneigt ausgerichtet, dass die .den Mittelpunkt der Frontfläche der Einrichtung senkrecht durchstossende Gerade den Zentrumsbereich des Spiegelfeldes durchstösst. Die auf die Einrichtung auftreffenden reflektierten Sonnenstrahlen sind nicht parallel, sondern können bis zum halben Winkel ©< gegenüber

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der genannten Geraden abweichen, welcher Winkel Of" durch die beiden Randstrahlen 6 und 7 eingeschlossen wird. Die Fig. 2 zeigt die Frontansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung und die Fig. 3 zeigt ei-nen Schnitt entlang der Linie III bis III der Fig. 2.

Zwischen zwei Platten 8 und 9, die über Distanzbolzen auf Abstand gehalten werden, erstreckt sich eine Anzahl Quarzglasrohre 11.

Die Platten 8 bzw. 9 sind mittels Schrauben 12 an den Enden der Distanzbolzen 10 befestigt. In den Platten 8 und 9 sind eine entsprechende Anzahl Löcher 13 bzw. vorgesehen, damit Luft den Quarzglasrohren 11 zugeführt beziehungsweise die erhitzte Luft aus diesen Quarzglasrohren abgeführt werden kann. Unterhalb der Platte 9 befindet sich eine Haube 15, die mit einem Zuführrohr 16 verbunden ist. Der Rand der grossen Oeffnung der Haube 15 ist mit der Platte 9 gasdicht verbunden, so dass die über das Zuführrohr 16 zugeführte Luft in die einzelnen Quarzglasrohre 11 eindringt. Oberhalb der Platte 8 befindet sich eine Haube 17, die mit einem Abführrohr 18 verbunden ist. Der Rand der grossen Oeffnung der Haube 17 ist mit der Platte 8 gasdicht verbunden, so dass die aus dem Quarzglasrohr 11 austretende, erhitzte Luft gesammelt und durch das Äbführrohr 18 abgeführt werden kann.

Da es nicht vorgesehen ist, die Hauben 15 und 16 und die Platten 8 und 9 der konzentrierten Sonnenbestrahlung auszusetzen, können diese Teile aus Metall bestehen. Das Prinzip der Halterung der einzelnen Quarzglasrohre 11 ist aus den Figuren 4 bzw. 5 ersichtlich, die entsprechende Ausschnitte aus der Fig. 2 in einem grösseren Masstab zeigen. Gemäss der Fig. 4 ist der Durchmesser der Löcher in der oberen Platte 8 grosser als der Durchmesser der Quarz-

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glasrohre 11. Auf der Oberseite der Platte 8 sind Rohrstücke 19 befestigt. Jedes Quarzglasrohr 11 erstreckt sich durch eines der Löcher 13 durch das entsprechende Rohrstück 19 hindurch. Auf der Innenseite der Rohrstücke 19 sind Nuten 20 eingelassen, in denen Dichtungsringe 21 angeordnet sind. Diese Dichtungsringe können von gleicher Art sein, wie die Kolbenringe eines Verbrennungsmotors. Die Dichtungsringe 21 verhindern, dass Luft aus der Einrichtung austritt und ermöglichen aber das durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoivizenten bedingte relative Verschieben zwischen dem Quarzgl'asrohr 11 und der Platte 8.

Der Durchmesser der Löcher 14 in der unteren Platte 9 ist kleiner als der Innendurchmesser der Quarzglasrohre 9. Konzentrisch zu jedem der Löcher 14 ist je ein Rohrstück 22 auf der Oberseite der Platte 9 befestigt. Durch jedes Rohrstück 22 erstreckt sich eines der Quarzglasrohre 11, so dass dessen Stirnfläche auf der Platte 9 aufliegt. Auf der Innenseite der Rohrstücke 22 sind ebenfalls Nuten 20 vorgesehen, in welchen sich Dichtungsringe 21 befinden, um das Austreten von Luft aus der Einrichtung zu verhindern.

Innerhalb jenes Quarzglasrohres 11 sind eine Anzahl Glasstreifen 23 angeordnet, wie dies mit Bezug auf die Fig. weiter unten näher beschrieben ist. Teile der unteren Stirnflächen der Glasstreifen 23 liegen auf dem Randbereich der Löcher 14 in der unteren Platte 9 auf. Sie können somit nicht aus den Quarzglasrohren 11 herausfallen.

Die.Fig. 5 zeigt eine andere Art der Halterung der Quarzglasrohre 11. Der Durchmesser der Löcher 14 in der unteren Platte 9 ist kleiner als der Innendurchmesser des Quarzglasrohres 11.Konzentrisch zu den Löchern 14 sind Rohrstücke 24 an der Platte 9 angeschweisst. Der Innendurchmesser der' Rohrstücke 24 ist grosser als der Aussendurchmesser der Quarzglasrohre, so dass die Quarzglasrohre mit

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Hilfe eines hitzebeständigen Bindemittels 25 in den Rohrstücken 24 gehalten werden* wobei die so hergestellte Verbindung auch gasdicht ist. In die Löcher 13 der oberen Platte 8 sind Rohrstücke 26 eingeschweisst, die den gleichen Aussendurchmesser wie die Quarzglasrohre 11 aufweisen. Die Enden der Muffe 27 sind einerseits über das Quarzglasrohre 11 und andererseits über den nach unten über die Platte 8 vorstehenden Teil des Rohrstückes 26 gestülpt. Mittels Spannringen 28 werden die Enden der Muffe 27 an den von ihr umgebenen Rohrstück 26 bzw, Quarzglasrohr 11 gehalten. Die Muffel 27 bildet- eine gasdichte Verbindung zwischen dem Quarzglasrohr 11 und dem Innenraum der oberen Haube 17. Die Nute 27 kompensiert ausserdem die von der Temperatur abhängigen unterschiedlichen Längenausdehnungen des Quarzglasrohres 11 und des Abstandes zwischen den Platten 8 und 9. "Aus Sicherheitsgründen kann unterhalb der Muffe 27 eine mit Löchern 29 versehene Führungsplatte 30 angeordnet sein, die ein Umkippen der Quarzglasrohre verhindert.

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Einrichtung nach der Fig. 2 entlang der Linie III bis III. Dementsprechend sind im wesentlichen nur die Quarzrohre 11, die untere Platte 9 und die untere Haube 15 mit dem nach hinten gerichteten Zuführrohr 16 sichtbar. Die Quarzglasrohre 11 sind in 2 Reihenangeordnet, wobei die Quarzglasrohre der hinteren Reihe gegenüber den vorderen Quarzglasrohren versetzt sind. Der Hauptanteil der konzentrierten Sonnen-. strahlung fällt in Richtung des Teiles 31 in die Einrichtung gemäss der Fig. 3 ein. Durch die versetzte Anordnung der Quarzglasrohre 11 werden auch jene Strahlen erfasst, die zwischen den vorderen Quarzglasrohren 9 hindurchtreten. Obwohl in der Fig. 3 nur 2 Reihen von Quarzglasrohren 11 gezeichnet sind, können Ausführungen mit drei oder mehr Reihen

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vorgesehen werden.

Die für die Erfindung sehr wesentlichen Glaskörper bzw. Glasstreifen 23, die innerhalb der Quarzglasrohre 9 angeordnet sind, wurden in der Fig. 3 nicht eingezeichnet.

Wenn nur eine oder zwei Reihen von-Quarzglasrohren 11 vorgesehen sind, so ist es vorteilhaft, hinter diesen Quarzglasrohren einen Reflektor 31 anzuordnen, welcher den allfällig aus den Quarzglasrohren nach hinten austretenden Strahlenanteil wieder zurück in die Quarzglasrohre reflektiert.

Aus der Fig. 6 ist eine erste mögliche Anordnung der Glassteifen 23 innerhalb des Quarzglasrohres 11 dargestellt. Die einzelnen Glasstreifen 23 werden durch Abstandhalter 32 aus Glas auf Abstand gehalten. Diese Abstandhalter 32 erstrecken sich nicht über die gesamte Länge der Glassteifen, sondern sie sind quadratische oder runde Scheiben, deren Dicke den Abstand zwischen den benachbarten Glassteifen 23 bestimmt. Die Abstandhalter 32 sind gleichmässig auf die ganze Länge der Glassteifen 23 verteilt angeordnet und mit einem der beiden benachbarten Glassteifen beispielsweise durch Anschmelzen fest verbunden .

In der Querrichtung sind die Glassteifen 23 in den Quarzglasrohren 11 so ausgerichtet, dass sie mit der durch den Pfeil 31 in der Fig. 3 angedeutete Richtung einen spitzen Winkel von 20 bis 70° einschliessen. Die Glassteifen 23 sind leicht gefärbt und absorbieren die Energie der durch sie hindurchtretenden Sonnenstrahlung nur teilweise.

Mit Bezug auf die Fig. 6 ist nachstehend die Arbeitsweise der Einrichtung nach der Fig. 2 beschrieben. Ein Strahlenbündel trifft von Aussen auf das Quarzglasrohr 11

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auf. Ein verschwindend kleiner Anteil des Strahlenbündels 33 wird an der Aussenfläche des Quarzglasrohres 9 reflektiert, was durch einen Pfeil 34 angedeutet ist. Der Hauptanteil des Strahlenbündels 33 wird durch die Wandung des Quarzglasrohres 11 gebrochen und an der Innenfläche des Quarzglasrohres findet nochmals eine Brechung statt, bevor das Lichtbündel in das Innere des Quarzglasrohres 9 eintritt. Das Quarzglas aus dem die Quarzglasrohre 11 bestehen, absorbiert sowenig Wärmeenergie wie möglich, damit 'praktisch alle Energie des Lichtbündels in das Innere des Quarzglasrohres 11 gelangt. Danach trifft das Lichtbündel auf einen der Glassteifen 23 auf, ein Teil des auf dem Glassteifen 23' auftreffenden Lichtbündels wird von diesem reflektiert und der andere Teil durchdringt den Glassteifen 23'. Weil die Glassteifen 23 leicht gefärbt sind, wird ein Anteil der Energie beispielsweise 3.bis 15 % des den Glassteifen 23* durchdringenden Lichtbündels im Glassteifen 23' absorbiert. Der Anteil des Strahlenbündels, welches aus dem Glasstreifen 23' austritt, trifft auf den nächsten Glassteifen auf, wobei wiederum ein Teil reflektiert, ein Anteil der Energie absorbiert und ein Teil des Lichtbündels wieder aus diesem nächsten Glassteifen austritt. Das aus diesem Glassteifen austretende restliche Lichtbündel trifft wiederum auf einen der Glassteifen 2.3„auf, wobei sich der oben beschriebene Vorgang immer wieder wiederholt. Der vom Glasstreifen 23" reflektierte Teil des Lichtbündels trifft wieder auf den Glasstreifen 23' auf, wobei sich der oben beschriebene Vorgang ebenfalls wiederholt.

.Der besseren Uebersicht wegen sind in der Fig. 6 nur. einige wenige Reflektionsstellen und Durchtrittsstellen

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des Lichtbündels dargestellt. Eine Erwärmung der Glasstreifen 23 erfolgt nur an den Durchtrittsstellen, wobei diese durch die vielen Reflektionsstellen auf den ganzen Volumenbereich der Glasstreifen 23 verteilt sind. Aus diesem Grunde werden die Glasstreifen 23 gleichmässig an allen Stellen erhitzt, aber an keiner Stelle überhitzt. Die in das Innere des Quarzglasrohres 11 eingestrahlte Energie wird nicht an der ersten auf einem Körper auftreffenden Stelle voll absorbiert, sondern subsekzive an einer Vielzahl von Stellen verteilt allmählich absorbiert, wobei die Vielzahl von Stellen"nur auf eine Temperatur von beispielsweise 1000 C, aber nicht auf viel höhere Temperatur erhöht werden.

Die von den Glasstreifen 23 aufgenommene Wärme wird von einem Luftstrom, der durch das Quarzglasrohr 11 und zwischen den Glasstreifen 23 hindurch geführt wird, aufgenommen und weggeführt. Bei den bekannten Einrichtungen Wird die durch die Sonnenstrahlung erhitzte Wand nur einseitig mit Luft in Berührung gebracht. Bei.der oben beschriebenen Einrichtung werden die Glasstreifen 23 auf beiden Seiten mit der Luftströmung in Berührung gebracht, wodurch sich eine wesentlich bessere Wärmeübertragung von den Glasstreifen auf die Luft ergibt.

In der Fig. 6 sind der Einfachheit wegen nur einige wenige Glasstreifen 23 dargestellt. In Wirklichkeit werden bei einer Einrichtung, die eine Strahlungsenergie von 5 HW verarbeiten kann, zehn Quarzglasrohre 11 mit einem Aussendurchmesser von 25 cm einer Wandstärke von 5 mm und einer wirksamen Länge von 2,5 m in der vorderen Reihe vorgesehen.

In der zweiten Reihe sind dementsprechend neun Quarzglasrohre mit denselben Abmessungen angeordnet. Derartige Quarzglasrohre halten einen Innendruck von 100 psi bei einer Arbeitstemperatur von 1000° C ohne weiteres aus.

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Innerhalb eines Quarzglasrohres 9 sind beispielsweise fünfundzwanzig Glasstreifen 23 mit einer Dicke von 5 mm angeordnet, wobei zwischen benachbarten Glasstreifen 23 ein Abstand von 5 mm vorhanden ist. Die durchschnittliche Gesamtoberfläche pro Glasstreifen 23 beträgt somit 0,24 m

χ 2,5 m χ "V2"* χ 2 = 0,78 m . Die gesamte Oberfläche der

2 Glasstreifen 23 pro Quarzglasrohr 11 beträgt 0,78 m χ 25

2
= 19,5 m . Dementsprechend ist die totale Oberfläche der

Gesamtheit aller Glasstreifen 19 χ 19,5 m = 370 m². Dies stellt die gesamte Kühlfläche der Einrichtung dar, über welche der Wärmeaustausch zwischen den Glasstreifen 23 und der durchströmenden Luft erfolgt.

Im vorliegenden Beispiel müssen pro Quadratmeter der Kühloberfläche 5¹OOO¹OOO W/370 m² = 13'500 W/m² über-

tragen werden. Bei einem massigen Luftstrom kann mit einem

2 °
Wärmeübergang von 30 W/m C gerechnet werden. Wenn also,

wie im vorliegenden Beispiel, pro m 13'5OO W übertragen werden sollen, so ist dazu eine durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen den Glasstreifen 23 und der zwischen den- selben hindurchströmenden Luft von entwa 450° C notwendig.

Diese Zahlen zeigen, dass es sehr wohl möglich ist, die Luft auf etwa 6Ö0 bis 800° C zu erhitzen, ohne dass dabei die Temperatur an irgend einer Stelle der Einrichtung grosser wird als 1'05O bis l'250° C. Diese Werte können dadurch gesenkt werden, indem die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes etwas erhöht wird. Die gleiche Wirkung ergibt sich auch, wenn die Anzahl Glasstreifen 23 pro Quarzglasrohr erhöht oder die Anzahl der Quarzglasrohre selbst vergrössert wird.

Die auf die Einrichtung gemäss der Fig. 2 einfallenden konzentrierten Sonnenstrahlen werden auf dem durch die gestrichelte Linie 35 umgrenzten Bereich beschränkt, tfobei die Fläche dieses Bereiches 2,5 m χ 2,5 m gleich etwa 6 m be-

trägt. Um die oben angeführte Leistung von 5 MW auf die Fläche des Wirkbereiches einzustrahlen, ist eine Leistungs-

2
dichte von 836 kW/m notwendig, was einer Konzentration der Sonnenstrahlung von etwa 1000 entspricht. " Die Fig. 7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel von Glasstreifen 36, die in einem Quarzglasrohr 11 angeordnet sind. In der Querrichtung erstrecken sich die einzelnen Glasstreifen 36 etwas über die Mitte des Quarzglasrohres 11 hinaus, so dass sich die benachbarten Glasstreifen 36 einige wenige mm überlappen. Im Ueberlappungsbereich werden die Glasstreifen 36 durch sich selbst auf Abstand gehalten. Im aeusseren Bereich der Glasstreifen 36 sind anstelle der Abstandhalter 33 gemäss der Ausführung nach der Fig. 6 Buckel 37 vorgesehen, die dadurch entstanden sind, indem noch im weichen Zustand der Glasstreifen mit einem nicht dargestellten Gegenstand Vertiefungen in die Glasstreifen 36 eingepresst wurden. Einer dieser Buckel 37 ist im Schnitt dargestellt.

Ein auf das Quarzglas auftreffendes Strahlenbündel 38 wird ähnlich wie das Strahlenbündel 33 in der Fig. 6 mehrmals reflektiert und allmählich von den Glasstreifen absorbiert. Der Vorteil dieser Ausführung gegenüber jener der Fig. 6 ist der, dass allfällig parallel zu den Platten gerichtete Strahlenbündel 39 nicht ohne weiteres durch das Quarzglasrohr 11 durchtreten können, sondern von den zueinander versetzten Glasscheiben 36 absorbiert werden.

Die Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform von innerhalb einem Quarzglasrohr 11 angeordneten Glasstreifen 40 und 41. Der Querschnitt der Mehrzahl der Glasstreifen 40 ist winkelförmig-und nur jene Glasstreifen 41, die zum Auffüllen des restlichen Teiles des Querschnittes des Innenraumes des Quarzgläsrohres 11 sind flache Glasstreifen. Der Winkel den die Glasstreifen 40 einschliessen ist ein

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spitzer Winkel, vorzugsweise 60°. Die Glasstreifen 40 und 4"1 können entweder durch in der Fig. 6 dargestellte Abstandhalter oder durch in der Fig. 7 dargestellte Buckel gegenüber einander auf Abstand gehalten werden. Diese Abstandselemente sind in der Fig. 8 nicht dargestellt. Die flachen Glasstreifen 41 sind an dem der Strahlung ausgesetzten Ende abgeschrägt, damit die von der Schmalseite reflektierten Strahlenanteile in das Innere des Quarzglasrohres 11 gelangen. Die Glasstreifen 41 werden so gerichtet, dass die Spitze des von ihnen eingeschlossenen Winkels-in Richtung auf die Strahlenquelle zeigt. Genau auf die Spitze des genannten Winkels eintreffende Strahlenbündel 42 werden der Reihe nach von den Scheitelbereichen der Glasstreifen 40 allmählich absorbiert. Ein dazu parallel verlaufendes versetztes Strahlenbündel 43 wird wie das Strahlenbündel 33 gemäss der Fig. 6 mehrmals reflektiert und ebenfalls allmählich durch die Glasstreifen 40 und 41 absorbiert. Ein schräg einfallendes Strahlenbündel 44 wird wie dargestellt ebenfalls mehrfach reflektiert und allmählich absorbiert.

Bei der in der Fig. 9 dargestellten Ausführungsform eines Quarzglasrohres 73 sind anstelle von Glasstreifen eine Vielzahl■von Glimmerstreifen 74 vorgesehen, deren Längsränder in Nuten 75, die in der Innenfläche des Quarzglasrohres 73 eingelassen, gehalten sind. Die mittleren Bereiche der Glimmerstreifen 74 werden durch Glasstäbe 76 mit rechteckigem Querschnitt auf Abstand gehalten. Die Glimmerstreifen 74 werden aus Spaltglimmer hergestellt, und der auf dem Markt unter der Bezeichnung "Phogopit" erhältlich ist und wird durch die Firma Mineral A.G. Schwyz, CH, hergestellt.

Die Glimmerstreifen sind für die Sonnenstrahlung, die durch den Pfeil 77 angedeutet ist, teildurchlässig, so dass die Sonnenstrahlung ähnlich wie bei den Glasstreifen 23 der Ausführungsform in der Fig. 6 mehrmals reflektiert und über alle Glimmerstreifen 74 verteilt von diesen absorbiert wird. Weil die Glimmerstreifen 74 hitzebeständiger

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sind als die Glasstreifen, kann eine höhere Arbeitstemperatur erzielt werden.

Die bevorzugte weitere Ausführungsform zeigt die Fig. 10. Innerhalb des Quarzglasrohres 76 ist ein wabenförmiges Gebilde aus Glimmerstreifen 79 und 80 ange- · ordnet. Eine Kreuzungsstelle des wabenförmigen Gebildes ist in der Fig. 11 vergrössert dargestellt. In bestimmten Abständen sind Einschnitte 81 und 82 in den Glimmerstreifen 79 bzw. 80 eingelassen. Die"Tiefe der Einschnitte 81 und 82 beträgt einen Viertel der Breite der Glimmerstreifen. Mit derartigen·Streifen lassen sich beliebig lange wabenförmige Gebilde herstellen", die sich wie die in den Fig. 4 und 5 dargesteLlten.Glassteifen 23 praktisch über die ganze Länge der Quarzglasrohre erstrecken.

Vorteilhafterweise sind die Abstände in der Längsrichtung der Glimmerstreifen nicht gleich, sondern werden von einem Ende der Streifen zum anderen Ende immer enger. Dadurch wird erreicht, dass die "Dichte" des wabenförmigen Gebildes in einem Teil grosser ist als in einem anderen Teil. Die durch einen Pfeil 83 angedeutete Strahlung wird auf jenen Bereich des wabenförmigen Gebildes gerichtet, der die geringere "Dichte" aufweist. -

Die Glimmerstreifen 79 und 80 sind so angeordnet, dass sie eine Vielzahl von Kanälen 84 begrenzen, die im wesentlichen einen rombusförmigen Querschnitt aufweisen. Eine jener Ecken, die einen spitzen Winkel einschliessen, weist gegen die Bestrahlungsrichtung hin.-Auf diese Weise ergeben sich günstigere Reflexionsbedingungen.

In der Fig. 12 ist ein Glasstab 45 mit rundem Querschnitt dargestellt. Das Glas aus dem der Glasstab 45 besteht ist leicht gefärbt, um die "in ihn eintretende Sonnenstrahlung allmählich zu absorbieren. Im Innern des Glasstabes 45 erstrecken sich praktisch parallel verlaufende Längskanäle 46 für den Durchtritt der zu erhitzenden Luft.

Der Querschnitt dieser Kanäle kann grundsätzlich jede beliebige Form aufweisen, aber vorzugsweise sind diese Quer-

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- anrombusförmig.■Die-der Hauptstrahlungsrichtung zugewendeten spitzen Winkel der rombusförmigen Kanäle schliessen einen Winkel von 60° ein. Ein Strahlenbündel 47, welches auf den Glasstab 45 auftritt, wird wie dies in der Fig. 12 sehr vereinfacht dargestellt ist auf eine vielfältige Weise reflektiert 'und im Innern des Glasstabes an einer Vielzahl von Stellen allmählich absorbiert. Da~äTle~Längskanäle 46 geschlossen sind, kann im einfachen Fall auf das dem Glasstab umgebende Quarzglasrohr verzichtet werden. In diesem Fall wird der Glasstab 46 ähnlich wie dies in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, in die Einrichtung nach der Fig. 2 eingesetzt.

Die Fig. 13 zeigt das Prinzip eines Sonnenkraftwerkes in stark vereinfachter Form* Der Strahlenempfänger 2 kann eine Einrichtung gemäss der Fig. 2 sein. Mittels eines Kompressors 47 wird durch Pfeile 48 angedeutete Luft angesogen und über ein Zuführrohr 49 einem Verteiler 50 zugeführt, der der unteren Haube 15 der Einrichtung nach der Fig. 2 entspricht. Vom Verteiler 50 gelangt die Luft in die Quarzglasrohre 11 mit gemäss den Fig. 6, 7 oder 8 angeordneten Glasstreifen. Anstelle der Quarzglas!öhre 11 können auch Glasstäbe 45 nach der Fig. 12 verwendet werden. In dem durch die Pfeile 51 angedeutete Sonnenstrahlung ausgesetzten Quarzglasrohr·11 wird die Luft erhitzt und in einem Sammler 52, der der oberen Haube 17 der Einrichtung gemäss

.25 der Fig. 2 entspricht, gesammelt und über ein Abführrohr 53 einer Gasturbine zugeführt. Die Rotoren der Gasturbine 54, des Kompressors 47 und eines Generators 55 sind auf einer gemeinsamen Welle 56 festangeordnet, so dass die Gasturbine 54 den-Kompressor-47 und den Generator 55 antreibt. Die Differenz der von der Turbine 54 angegebenen mechanischen Leistung weniger die Antriebsleistung des Kompressors 47 wird im Generator 45 in elektrische Leistung umgesetzt-und einem -symbolisch dargestellten Verteilnetz 57 zugeführt.

Die Fig. 14 zeigt schematisch und in stark vereinfachter Darstellung ein anderes Sonnenkraftwerk. Auf einem

Turm 58 ist ein zylindrisch ausgebildeter Strahlenempfänger 59 angeordnet. Am Boden 60 und rund um den Turm 58 herum sind Spiegel 61 aufgestellt, welche die einfallenden Sonnenstrahlen 62 auf den Strahlenempfänger reflektieren, wodurch eine tausend-·bis zweitausendfach konzentrierte Sonnenstrahlung auf den Strahlenempfänger 5^9 auftrifft. Zuoberst befindet sich ein ringförmig ausgebildeter Verteiler 63 zum Zuführen der durch einen im Innern des Strahlenempfängers 59 angeordneten Kompressors 64 komprimierten Luft in die in der Fig. 15 im Querschnitt dargestellten, längskonzentrischen Kreislinien angeordneten Quarzglasrohre 11. Die in den Quarzglasrohren 11 erhitzte Luft wird in einem ebenfalls ringförmig ausgebildeten Sammler 65 gesammelt und einer im Innern des Strahlenempfängers 59 angeordneten Gasturbine 66 zugeführt. Der Verteiler 63 und der Sammler 65 werden durch einen Hohlzylinder 67 auf Abstand gehalten. Die Mantelfläche des Hohlzylinders- 67 ist poliert, so dass der Hohlzylinder gleichzeitig als Reflektor für die allfällig durch die Quarzglasrohre 11 nach innen durchtretenden Strahlungsanteile dient.

Die zu erhitzende Luft wird durch den Kompressor 64 von obendurch den ringförmigen Verteiler 63 hindurch angesogen, durch die Quarzglasrohre 11 hindurch gepresst und dabei erhitzt und im Sammler 65 gesammelt und der Gasturbine 66 zugeführt. Die in der Gasturbine 66 nur z.T. abgekühlte Luft wird in Richtung der Pfeile 68 nach unten ausgestossen.

Wenn die der Gasturbine 66 zugeführte Luft beispielsweise eine Temperatur von 800° C aufweist, so beträgt die Temperatur der aus der Gasturbine 66 ausgestossenen Luft etwa 300 bis 400° C. Dieser noch recht wärme Luftstrom wird zur besseren Ausnutzung der Sonnen-

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energie einen Wärmeaustauscher 69 zugeführt. In diesem Wärmeaustauscher wird Wasser verdampft und der erzeugte Dampf wird auf eine Temperatur von etwa 300° C erhitzt. Dieser Dampf wird einer Dampfturbine 70 zugeleitet, die ihrerseits einen nicht dargestellten weiteren Generator antreibt.

Die Fig. 16 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des Strahlenempfängers 59, dieser unterscheidet sich gegenüber demjenigen, welcher in der Fig. 12 dargestellt ist, lediglich dadurch, dass anstelle der Quarzglasrohre 1Ϊ Glaskörpersegmente 71 verwendet werden. Die Glaskörpersegmente 71 weisen ähnlich wie der Glasstab 45 gemäss der Fig. 9 Längskanäle 72 auf. Die Längskanäle 72· besitzen einen rombusförmigen Querschnitt, wobei die längere Diagonale radial gerichtet ist.

Wenn die Mantelfläche des Glasstabes 45 gemäss der Fig.12 ebenfalls zur Wärmeübertragung an die Luft herangezogen werden soll, so wird der Glasstab 45 innerhalb eines Quarzglaszylinders 72 angeordnet, dessen Innendurchmesser grosser ist, als der Aussendurchmesser des Glasstabes 45, so dass die zu erhitzende Luft auch die Mantelfläche des Glasstabes 45 umspült.

Das Grundprinzip der Einrichtung nach der Fig. 2 kann auch zum Antrieb von Hub- oder Dreh.kolbenmotor.en- verwendet werden.

Der Vorteil der oben beschriebenen Einrichtungen zum Erhitzen eines durchsichtigen gasförmigen Mediums mittels konzentrierter Sonnenstrahlung besteht darin, dass die konzentrierte Sonnenstrahlung nicht an der ersten Stelle an.der sie auf die Glasstreifen 23, 36, 40, 41 oder auf den Glaskörper 45 bzw. 71 auftrifft in Wärme umgewandelt wird, wobei diese Stelle übermässig erhitzt würde, sondern dass durch die vielen Reflektionssteilen die konzentrierte

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Sonnenstrahlung zu allen Bereichen der genannten Glasstreifen und Glaskörper gelangt, und dass die Wärme allmählich vom ganzen Glaskörper absorbiert wird, wobei dieser Glaskörper möglichst homogen auf die gleiche Temperatur erwärmt wird, so dass sich keine Stelle des Glaskörpers übermässig erhitzt. Um die Gleichmässigkeit der Verteilung der absorbierten Energie zu verbessern, können jene Bereiche der Glasstreifen, die bereits einer abgeschwächten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, stärker gefärbt sein, als jene Bereiche, die noch der nicht abgeschwächten Strahlung ausgesetzt sind. Beim Glaskörper 45 bzw. 71 kann eine homogenere Verteilung der absorbierten Energie dadurch erzielt werden, indem die Grosse der Querschnitte der Längskanäle 45 bzw. 72 in der Strahlungsrichtung gesehen abnehmen.

Ein weiterer Vorteil der oben beschriebenen Einrichtungen ist der, dass die für die Uebertragung der Wärme von den Glasstreifen bzw. den Glaskörpern an das gasförmige Medium verantwortliche Oberfläche wesentlich vergrössert ist, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums relativ klein gehalten werden kann. Daraus resultiert ein geringerer Strömungswiderstand, welchem der Mediumstrom ausgesetzt ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

ίϊΛ Verfahren zum Erhitzen eines durchsichtigen, gasförmigen Mediums mittels konzentrierter Sonnenstrahlung, gekennzeichnet durch Richten der Sonnenstrahlung auf wenigstens einen für die Sonnenstrahlung teildurchlässigen Körper zum Zwecke der Verteilung der absorbierten Energie auf alle Bereiche des genannten Körpers und durch Abführen der vom Körper aufgenommenen Wärme indem wenigstens der grösste Teil der Oberfläche des Körpers einer Strömung des gasförmigen Mediums ausgesetzt wird.
2. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit ersten Mitteln (15, 16) zum Zuführen des gasförmigen Mediums zu einer Anzahl Rohre, die der konzentrierten Sonnenstrahlung ausgesetzt sind, und zweiten Mitteln (17,"18) zum Abführen des erhitzten gasförmigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Rohre die ersten und zweiten.Mittel verbindende Quarzglasrohre (11) sind, dass innerhalb jedes Quarzglasrohres eine Anzahl teildurchsichtiger Körper (23, 36, 40, 41) angeordnet sind, und dass Abstandselemente (32, 37) zum Halten der benachbarten Körper vom gasförmigen Medium umspült wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die teildurchlässigen Körper aus Glimmer bestehen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glimmerkörper wabenförmig angeordnete Glimmerstreifen sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die teildurchlässigen Körper aus einem Material bestehen, welches einen Absorptionskoeffizient von . 0,05 bis 0,30 aufweist.

809846/0512
6. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasrohre (11) einen runden Querschnitt aufweisen, und dass die teildurchlässigen Körper Glasstreifen (23) aus gefärbtem Glas sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptflächen der teildurchlässigen Körper mit der Frontfläche der Einrichtung einen Winkel von 20 bis 70° einschliessen.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Glasstreifen (40) einen winkelförmigen Querschnitt aufweisen, die einen spitzen Winkel von vorzugsweise 160° einschliessen.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasrohre (11) in wenigstens zwei Reihen angeordnet und die Quarzglasrohre der zweiten Reihe gegenüber jener der ersten Reihe versetzt angeordnet sindj damit der zwischen den Quarzglasrohren der ersten Reihe hindurchtretende Strahlenanteil in die Quarzglasrohre der zweiten Reihe eintreten.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einstrahlungsrichtung gesehen hinter den Quarzglasrohren ein Reflektor (31; 67) zum Rückstrahlen des durch die Quarzglasrohre hindurch getretenen Strahlungsanteil auf die Quarzglasrohre angeordnet ist.

809845/0512

OHSGlMAL INSPECTED
11. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit ersten Mitteln (15, 16; 63) zum Zuführen des gasförmigen Mediums zu einem der konzentrierten Sonnenstrahlung ausgesetzten Körper und zweiten Mitteln (17, 18; 65). zum Abführen des erhitzten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Körper (45; 71) -aus-gefärbtem Glas besteht und eine Vielzahl von etwa parallel verlaufenden Längskanälen (46; 72) zum Hindurchführen des gasförmigen Mediums aufweist, und dass die ersten und zweiten Mittel über die Längskanäle miteinander in Verbindung stehen.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskanäle einen rombusförmigen Querschnitt aufweisen und dass die längere Diagonale der rombusförmigen Querschnitte senkrecht zur Frontfläche der Einrichtung gerichtet ist.

-13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (45) einen runden Querschnitt aufweist und innerhalb eines Querglasrohres (.73) angeordnet ist, dessen Innendurchmesser grosser ist als der Aussendurchmesser des Glaskörpers.

"14. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper (71) einen kreisringsegmentförmigen Querschnitt aufweist, und dass die einzelnen - Glaskörper zu einem Hohlzylinder zusammen gefügt sind, dessen Mantelfläche ringsum der konzentrierten Sonnenstrahlung aussetzbar ist.