DE69201878T2

DE69201878T2 - Solarempfänger.

Info

Publication number: DE69201878T2
Application number: DE69201878T
Authority: DE
Inventors: Jacob Karni
Original assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Current assignee: Yeda Research and Development Co Ltd
Priority date: 1991-01-14
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2012-01-10
Also published as: EP0495395B1; KR920015102A; AU1010492A; ATE120849T1; JP3095280B2; EP0495395A1; DE69201878D1; US5245986A; IL97091A0; DK0495395T3; AU647869B2; IL97091A; KR100267407B1; ZA9298B; CA2059192A1; ES2070529T3; JPH04313644A; CA2059192C

Description

Die Erfindung betrifft Zentralsolarempfänger mit volumetrischem Solarabsorber.
Einige Begriffe, die in der nachstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet werden, haben folgende Bedeutung:
Solarabsorber - ein Gehäuse oder eine Konstruktion zum Absorbieren und Umwandeln von auftreffender Sonnenstrahlung in Wärme.
Betriebs- oder Arbeitsfluid - ein Fluid, das beim Strömen Berührung mit einem Solarabsorber hat und durch indirekten oder direkten Wärmeaustausch von diesem Wärme aufnimmt. Das Betriebsfluid kann als Wärmeträger zum Abführen der im Solarabsorber erzeugten Wärme dienen. Außerdem oder als Alternative dazu kann es aus einem Gemisch aus zwei oder mehreren komponenten bestehen, die bei Berührung mit dem warmen Solarabsorber dazu gebracht werden, miteinander zu reagieren, d.h. einen sogenannten thermochemischen Vorgang ablaufen zu lassen.
Zentralsolarempfänger - eine Vorrichtung, die einen Solarabsorber und eine Einrichtung zum Umwälzen eines Betriebsfluids in einer indirekten oder direkten Wärmeaustauschbeziehung mit diesem aufweist; wird so bezeichnet, weil er in Betrieb in der Mitte, d.h. im Brennpunktbereich eines Sonnenstrahlungskonzentrators, angeordnet ist.
Volumetrischer Solarabsorber - ein Solarabsorber, der in Form einer dreidimensionalen Matrix hergestellt ist, die den Durchfluß eines Betriebsfluids in direkter Wärmeaustauschbeziehung mit diesem ermöglicht.
Ein Zentralsolarempfänger absorbiert konzentriertes Sonnenlicht mit einer hohen Temperatur, normalerweise etwa 700 bis 1500 ºC, und überträgt die vom Solarabsorber dort erzeugte Wärme an ein Betriebsfluid, das entweder als Wärmeträgerfluid dient oder geeignet ist, einen thermochemischen Vorgang ablaufen zu lassen. Bei einer bekannten Art von Zentralsolarempfänger, einem sogenannten rohrförmigen oder Rohrempfänger, strömt das Betriebsfluid in Rohren, die normalerweise nahe dem inneren Umfang des Solarempfängergehäuses angeordnet sind. In einem solchen Empfänger wird Sonnenstrahlung auf der Außenfläche der Rohre absorbiert und als Wärme an das sich darin befindliche Betriebsfluid übertragen, das dadurch erwärmt wird. Der Gesamtwärmeübergangswiderstand und der daraus resultierende Wärmeverlust in solchen Zentralsolar-Rohrempfängern ist relativ hoch.
Angesichts dieses Mangels der Zentralsolar-Rohrempfänger ist bereits vorgeschlagen worden, Zentralsolarempfänger mit volumetrischen Solarabsorbern zu entwickeln, und die Durchführbarkeit dieses Konzepts wurde u.a. in drei getrennten Publikationen von H. W. Fricker et al., R. Buck und W. Pritzkow dargestellt in "Solar Thermal Technology - Research Development and Application", Proceedings of the Fourth International Symposium, Santa Fe, New Mexico, USA, Juni 1988, Hemisphere Publishing Corp., New York, S. 265 bis 277, 279 bis 286 bzw. 635 bis 643. Diese Studien zeigen, daß es mit einem volumetrischen Solarabsorber-Zentralsolarempfänger möglich ist, durch Sonnenstrahlung verursachte oder Solarströme zu beherrschen, die etwa fünf- bis zehnmal größer sind als bei vorhandenen Rohrempfängern, und daß folglich die Empfängergröße und das Empfängergewicht verringert werden können. Es wurde auch dargestellt, daß bei volumetrischen Solarabsorbern die Temperaturdifferenz zwischen dem Absorber und dem Betriebsfluid relativ klein ist, was es ermöglicht, die durchschnittliche Absorbertemperatur herabzusetzen, wodurch Strahlungsver- luste verringert und Materialbeschränkungen in bestimmten Maße aufgehoben werden. Ferner wurde gezeigt, daß die Anlaufzeit und die Systemansprechzeit auf Sonnenlichtschwankungen relativ kurz sind, wodurch der Wirkungsgrad des Systems verbessert wird.
Bekannte volumetrische Solarabsorber (vgl. CH-A-669 837 oder FR-A-2 463 947) sind Konstruktionen in Form von Schaum-, Bienenwaben- oder Drahtgittermatrizen, und sie sind aus Materialien, die hohen Temperaturen widerstehen können, z.B. aus Keramik oder speziellen Metallegierungen wie z.B. nichtrostender Stahl, hergestellt, und das Strömen des Betriebsfluids in derartigen bekannten Empfängern erfolgt im wesentlichen entweder in einer Richtung mit der einfallenden Sonnenstrahlung oder in entgegengesetzter Richtung mit dieser.
Untersuchungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung haben gezeigt, daß Zentralsolarempfänger mit bekannten volumetrischen Solarabsorbern eine Anzahl von Mängeln haben, die folgendermaßen zusammengefaßt werden können:
(1) Das Sonnenlicht kann nicht tief in die Absorber eindringen, und der größte Teil der Strahlung wird an oder in der Nähe ihrer Vorderseite absorbiert.
(2) Der Energieübergang zwischen Elementen der Absorbermatrix durch Wärmeleitung und Rückstrahlung ist sehr beschränkt. Demzufolge kann die Matrix die Energie, die sie absorbiert, nicht umverteilen und ist nicht in der Lage, sich an die normalerweise sehr ungleichmäßige ankommende Strahlung, die sie von den Konzentratoren empfängt, anzupassen. Folglich entwickeln sich über die Matrix große Temperaturgradienten und hohe lokale Temperaturen.
(3) Der Betriebsfluidstrom kann vor oder während des Betriebs nicht so angepaßt werden, wie es dem ankommenden Strahlungsfluß entspräche, und die Absorbertemperaturverteilung nicht ausgleichen.
(4) In den Fällen, wo die Absorberoberfläche als Katalysator für eine durch Wärme hervorgerufene Reaktion in einem Gasgemisch fungiert, ist die Berührungszeit zwischen dem Gas und der Oberfläche in dem dem direkten Sonnenlicht ausgesetzten Bereich relativ kurz. Deshalb läuft ein Teil der Reaktion unter weniger günstigen Bedingungen ab, wobei sich eine insgesamt geringere Ausbeute ergibt.
(5) Temperaturmessungen über dem und im Absorberbett sind schwer durchfünrbar.
(6) Beschädigungen des Absorbers, z.B. Oberflächenoxidation, Zerstörungen bei Drahtgitter-Absorberkonstruktionen und Risse bei Schaum- oder Honigwaben-Absorberkonstruktionen, treten schon nach wenigen Betriebstagen auf.
(7) Die Rückstrahlungsenergieverluste sind höher als erwartet, und zwar aufgrund der vorhandenen lokalen Temperaturspitzen, die die durchschnittliche Absorbertemperatur um mehrere hundert Grad überschreiten können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten volumetrischen Solarabsorber für einen Zentralsolarempfänger bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird ein Zentralsolareiitpfänger bereitgestellt mit einein Gehäuse mit einem Fensterteil zur Aufnahme von einfallender konzentrierter Sonnenstrahlung, einem volumetrischen Solarabsorber in dem Gehäuse aus einem Material, das hohen Temperaturen widerstehen kann, einer Betriebsfluidinjektoreinrichtung und einer Einrichtung zum Abführen von warmem Betriebsfluid, wobei der volumetrische Solarabsorber einen Basiskörper aufweist, der eine Anordnung von Absorberteilen hält, die voneinander beabstandet sind, sich von einer Seite des Basiskörpers erstrecken und freie Enden haben, die zu dem Fensterteil des Gehäuses gewandt sind, und die Betriebsfluidinjektoreinrichtung geeignet ist, das Betriebsfluid in den volumetrischen Solarabsorber in Strömungsrichtungen einströmen zu lassen, die sich mit den Absorberteilen kreuzen.
Die Betriebsfluidinjektoreinrichtungen sind vorzugsweise mit dem volumetrischen Solarabsorber verbunden und können bei Bedarf an dessen Basiskörper angeordnet sein. Außerdem können bei Bedarf mehrere Betriebsfluidinjektoreinrichtungen vorhanden sein, die gleichmäßig über den gesamten volumetrischen Solarabsorber und um dessen Umfang herum verteilt sein können.
Zur Verwendung in einem Zentralsolarempfänger der beschriebenen Art stellt die Erfindung ferner eine volumetrische Solarabsorbereinheit bereit mit einem Basiskörper, der eine Anordnung von Absorberteilen enthält, die voneinander beabstandet sind und von einer Seite sich erstrecken. Der volumetrische Solarabsorber ist vorzugsweise mit einem oder mehreren Betriebsfluidinjektoreinrichtungen verbunden, die bei Bedarf am Basiskörper angeordnet sind.
Wenn die Betriebsfluidinjektionseinrichtungen am Basiskörper angeordnet sind, können sie rohrförmig sein mit irgendeinem geeigneten Profil und einen mit Löchern versehenen Abschnitt oder mehrere seitliche Öffnungen oder Düsen haben. Die Unterseite eines solchen Rohrinjektors ist geeignet zur Verbindung mit einer Betriebsfluidliefereinrichtung, und der entfernte Endabschnitt ist vorzugsweise verschlossen, um lediglich seitliches Ausströmen des Betriebsfluids sicherzustellen. In Abhängigkeit von der Größe des volumetrischen Solarabsorbers und von anderen Konstruktionsparametern kann der volumetrische Solarabsorber mit einem oder mehreren solchen Injektoren ausgestattet sein. Wenn nur ein Injektor vorhanden ist, ist er vorzugsweise in dem Bereich der maximalen ankommenden Strahlung angeordnet, der sich normalerweise in der Mitte des Absorbers befindet. Bei mehreren Injektoren sind diese zwischen den Absorberteilen und um den Umfang herum in Bereichen entsprechend den hohen ankommenden Strahlungsströmen verteilt.
Der Basiskörper und die Absorberteile des erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorbers sind aus einem Material hergestellt, das der hohen Temperatur, die in einem Zentralsolarabsorber vorherrscht, widerstehen kann, z.B. aus keramischen Materialien, keramikbeschichteten Metallegierungen, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, speziellen Arten von nichtrostendem Stahl, Nickellegierungen usw. Die Absorberteile können auch mit Material beschichtet sein, die eine durch Wärme hervorgerufene chemische Reaktion zwischen Komponenten des Betriebsfluids katalysieren können.
In einem erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorber sind die Absorberteile im wesentlichen langgestreckt und haben die äußere Form von Dornen oder Rippen, wobei sich jedes Teil im wesentlichen normal vom Basiskörperabschnitt erstreckt, an dem es befestigt ist; sie können massiv oder hohl sein und irgendein geeignetes Profil, z.B. ein zylindrisches, konisches oder prismatisches, oder auch die Form von flachen Lamellen haben. Die Verwendung von hohlen Absorberteilen hat den vorteil, daß die von der absorbierten Sonnenstrahlung erzeugte Wärme in der relativ dünnen Wand konzentriert wird, die für einen relativ hohen Wirkungsgrad des Wärmeübergangs in das Betriebsfluid sorgt, und verringert außerdem die thermischen Gradienten, die mechanische Spannungen erzeugen.
In Abhängigkeit von der Konstruktion des Zentralsolarempfängers kann die Seite des Basiskörpers des volumetrischen Solarabsorbers, von der sich die Absorberteile erstrecken, flach, konkav oder konvex sein.
Bei Betrieb des erfindungsgemäßen Zentralsolarempfängers strömt das Betriebsfluid seitlich aus den Injektoreinrichtungen aus, und das ausgeströmte Betriebsfluid strömt in Richtungen, die sich mit den Absorberteilen und auch mit der einfallenden Sonnenstrahlung kreuzen, indem sie zwischen den Absorberteilen hindurchströmen und diese umströmen, wodurch über die gesamte Länge jedes Absorberteils Wärme aus dem Betriebsfluid abführt wird. Während des Strömens überstreicht das Betriebsfluid auch den Basiskörper. Da der Basiskörper auch erwärmt ist, entweder direkt durch einfallende Sonnenstrahlung oder als Folge der Rückstrahlung aus den Absorberteilen, wird demzufolge auch Wärme aus dem Basiskörper an das Arbeitsfluid abgeben.
Bei einem erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorber wird Energie zwischen Absorberteilen ohne weiteres durch Rückstrahlung übertragen. Dadurch wird im Unterschied zu bekannten volumetrischen Solarabsorbern die absorbierte Energie umverteilt, und der Absorber kann sich an die Nichtgleichmäßigkeit der ankommenden konzentrierten Sonnenstrahlung anpassen und überall eine relativ gleichmäßige horizontale Temperaturverteilung aufrechterhalten.
Außerdem dringt bei einem erfindungsgemäßen zentralen Solarempfänger die einfallende konzentrierte Sonnenstrahlung in die Tiefe des volumetrischen Absorbers ein, und erzeugt dabei eine relativ gleichmäßige vertikale Temperaturverteilung. Eine solche vertikale Gleichmäßigkeit zusammen mit der oben erwähnten horizontalen Gleichmäßigkeit führt zu einem relativ gleichmäßigen Temperaturfeld über den gesamten Absorber, wodurch die Absorption und die Wärmeerzeugungskapazität eines erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorbers im Vergleich zu bekannten volumetrischen Solarabsorbern mit ähnlichen Abmessungen erhöht wird. Ferner erhöht das Strömungsregime des Betriebsfluids gemäß der Erfindung außerdem den Wirkungsgrad des Wärmedurchgangs vom Absorber in das Betriebsfluid. Das Gesamtergebnis von all diesem besteht darin, daß die Leistungsfähigkeit des Zentralsolarempfängers, der mit einem erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorber ausgestattet ist, einen höheren Wirkungsgrad hat und effektiver ist als die bekannte Technik.
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachstehend lediglich anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt eines bekannten Zentralsolarempfängers mit volumetrischen Solarabsorber;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zweier Strömungsregime des Betriebsfluids in bekannten volumetrischen Solarabsorbern;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Sonnenofens mit einem erfindungsgemäßen Zentralsolarempfänger;
Fig. 4 einen maßstäblich vergrößerten axialen Schnitt des Zentralsolarempfängers des Ofens gemäß Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Zentralsolarempfängers;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorbers;
Fig. 7 ein Schnitt des Absorbers gemäß Fig. 6;
Fig. 8 eine Draufsicht des Absorbers gemäß Fig. 6;
Fig. 9 eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines volumetrischen Solarabsorbers;
Fig. 10 eine schematische Ansicht zweier Strömungsregime des Betriebsfluids in erfindungsgemäßen volumetrischen solarabsorbern; und
Fig. 11 und 12 Ergebnisse von Messungen der Temperaturverteilung über einen volumetrischen Solarabsorber gemäß Fig. 6 bis 8, der in einem Ofen gemäß Fig. 3 angeordnet ist.
Fig. 1 zeigt einen typischen bekannten Zentralsolarempfänger mit einem volumetrischen Solarabsorber. Wie dargestellt, hat der Empfänger 1 ein Gehäuse 2, das mit einem Quarzglasfenster 3 ausgestattet ist, das konzentrierte Sonnenstrahlung aufnehmen und dabei der hohen Temperatur widerstehen kann. Eine Rückwand 4, die in einen Rahmen 5 übergeht, teilt den Innenraum des Gehäuses 2 in einen mittleren Teil 6 und einen Außenrandteil 7. Der Rahmen 5 hält einen volumetrischen Solarabsorber, der aus mehreren parallelen Stahldrahtgittern besteht. Das Gehäuse 1 weist ferner ein Eintrittsrohr 9 auf, das zur Zufuhr eines Betriebsfluids, z.B. Umgebungsluft, dient und eine Öffnung 10 zum Austritt des erwärmten Betriebsfluids. Das Eintrittsrohr 9 und die Öffnung 10 sind mit einer geeigneten Rohrleitungseinrichtung verbindbar.
Das Betriebsfluid, das über das Eintrittsrohr 9 zugeführt wird, strömt durch den Außenrandteil 7 des Gehäuses 2 und wird vom Fenster 3 abgelenkt, um im wesentlichen in einer Richtung mit der einfallenden konzentrierten Sonnenstrahlung durch den volumetrischen Solarabsorber 8 zu strömen, und das Regime dieses Strömens ist in Fig. 2(a) dargestellt.
Es sind außerdem Zentralsolarempfänger mit volumetrischen Solarabsorbern bekannt, bei denen die Strömungsrichtung des Betriebsfluids durch den volumetrischen Solarabsorber im wesentlichen entgegengesetzt der Richtung der einfallenden Sonnenstrahlung liegt, und ein solches Strömungsregime ist in Fig. 2(b) dargestellt.
Wir betrachten nun Fig. 3, die eine schematische Darstellung eines Sonnenofens mit einem erfindungsgemäßen Zentralsolarempfänger ist.
Wie dargestellt, ist der Konzentrator 11, der mit mehreren Spiegeln 12 ausgestattet ist, geeignet, einfallende Sonnenstrahlung in einem Brennpunktbereich 13 zu konzentrieren, der auf der Mittelachse 14 liegt, wobei die äußere Grenze der reflektierten konzentrierten Sonnenstrahlung mit der Achse 14 einen Winkel α von etwa 60º bildet.
Nahe dem Brennpunktbereich 13 befindet sich ein Zentralsolarempfänger 15, der mit einem erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorber 16 ausgestattet ist. Ein Umgebungstemperatur aufweisendes Betriebsfluid wird in den Empfänger 15 bei 17 eingeführt und strömt in den volumetrischen Solarabsorber 16 ein, und das warme Betriebsfluid wird bei 18 abgeführt.
Die Konstruktion des Zentralempfängers 15 im Ofen gemäß Fig. 3 ist in Fig. 4 genauer dargestellt. Wie dargestellt, weist der Zentralempfänger ein becherförmiges Quarzgehäuse 20 mit einem kuppelförmigen Endabschnitt 21 auf, der als Fenster für die Aufnahme von konzentrierter Sonnenstrahlung dient. Das Gehäuse 20 ist in einem Mantel 22 angeordnet, der mit Isoliermaterial 23 gefüllt ist und auf einer Befestigungseinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet ist. Im Gehäuse 20 ist ein volumetrischer Solarabsorber 24 angeordnet, der einen Basiskörper 25 aufweist, der mehrere Rohrabsorberteile 26 hält, die sich von der Vorderseite gegenüber dem Fenster 21 erstrecken. Sowohl die Basis als auch die Absorberteile sind aus einem geeigneten wärmebeständigen Material hergestellt.
Der Basiskörper 25 hält außerdem ein Injektorrohr 27 mit einem Kopfabschnitt 28 mit mehreren seitlichen Düsen 29, durch die Betriebsfluid in den volumetrischen Solarabsorber 24 einströmt, um sich mit den Absorberteilen 26 im wesentlichen senkrecht zu kreuzen, wobei auch die einfallende Sonnenstrahlung gekreuzt und die Vorderseite des Basiskörpers 25 überstrichen wird. Das Injektorrohr 27 ist an ein Rohr 30 zur Zufuhr des Betriebsfluids gekoppelt. Ein zweites Rohr 31 dient zum Austritt des warmen Betriebsfluids.
Hinter dem volumetrischen Solarabsorber 24 ist eine Trennwand 32 angeordnet, die aus zwei nebeneinander angeordneten Platten besteht und u.a. zum Halten des Injektorrohrs 27 und des Austrittsrohrs 31 dient. Zwischen der Trennwand 32 und dem Basiskörper 25 des volumetrischen Solarabsorbers 24 ist eine Kammer 33 ausgebildet, die über Durchgänge 34 mit der Vorderseite der Basisplatte 25 in Verbindung steht.
In einer Schutzhülle 35 sind mehrere elektrische Leiter untergebracht, die zu Thermoelementen führen, die an verschiedenen Stellen des volumetrischen Solarabsorbers 24 angeordnet sind und zu Temperaturmessungen dienen.
In Betrieb wird das Umgebungstemperatur aufweisende Betriebsfluid über das Rohr 30 zugeführt und strömt über Düsen 29 in den volumetrischen Solarabsorber 24 ein. Das eingeströmte Betriebsfluid umströmt alle Rohrabsorberteile 26 und uberstreicht die Vorderseite des Basiskörpers 25, und das warme Betriebsfluid strömt über die Durchgänge 34 in die Kammer 33 und wird über das Rohr 31 abgeführt.
Fig. 5 stellt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Zentralsolarempfängers grafisch dar.
Wie dargestellt, ist in einem zylindrischen, z.B. aus nichtrostendem Stahl bestehenden Gehäuse 40, das mit einer Isolierschicht 42 und mit einem zylindrischen Quarzfenster 41 zur Aufnahme konzentrierter Sonnenstrahlung ausgestattet ist, ein volumetrischer Solarabsorber 43 mit einem konkaven Basiskörper 44 untergebracht, der mehrere konische Solarabsorberteile 45 hält, die sich von seiner Vorderseite gegenüber dem fenster 41 erstrecken. In der Mitte des Basiskörpers 44 ist ein Injektorteil 46 angeordnet, das einen verschlossenen Endabschnitt und mehrere seitliche Düsen (nicht dargestellt) aufweist und hinten mit einem Druckausgleichsbehälter 47 verbunden ist, der in ein Rohr 48 zur Zufuhr des Betriebsfluids übergeht. Das Rohr 48 ist konzentrisch in einer rohrförmigen Öffnung 49 zum Austritt des warmen Betriebsfluids angeordnet und mit einer geeigneten Austrittsrohrleitungseinrichtung (nicht dargestellt) verbunden.
Der volumetrische Solarabsorber 43 teilt das Gehäuse 40 in eine vordere Kammer 50 und eine hintere Kammer 51, wobei Ablenkbleche vorhanden sind zum Ablenken des warmen Betriebsfluids, das aus dem volumetrischen Solarabsorber 43 aus der vorderen Kammer 50 in die hintere Kammer 51 eintritt, von wo es durch eine rohrförmige Öffnung 49 abgeführt wird.
Das Fenster 41 ist mit einem Konzentrationsreflektor 53 verbunden, der ein sogenannter Sekundärkonzentrator ist, der die Sonnenstrahlung, die bereits mittels eines Hauptkonzentrators (nicht dargestellt) vorkonzentriert ist, weiter konzentriert.
In Betrieb strömt das Betriebsfluid, das im Injektor 46 ankommt, seitlich aus diesem aus, so daß das ausströmende Fluid sich mit den Absorberteilen 45 und der einfallenden Sonnenstrahlung kreuzt, die von dem zylindrischen Fenster 41 kommt. Das strömende Betriebsfluid umströmt die verschiedenen Solarabsorberteile 45 und überstreicht die Vorderseite des Basiskörpers 44. Das warme Betriebsfluid, das vom Umfang des volumetrischen Solarabsorbers 43 kommt, wird von den Ablenkblechen 52 in die hintere Kammer 51 abgelenkt, von wo es durch die rohrförmige Öffnung 49 austritt.
Fig. 6, 7 und 8 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines volumetrischen Solarabsorbers. Der volumetrische Solarabsorber 54, der hier dargestellt ist, weist einen zylindrischen Basiskörper 55 auf, der einen Radius R aufweist und mehrere Solarabsorberrohrteile 56 (von denen einige im Schnitt dargestellt sind, andere jedoch nicht) aufweist, die sich vertikal von der einen Seite des Basiskörpers erstrecken. Der Solarabsorber 54 weist in der Mitte einen Injektor 57 auf, der einen verschlossenen Endabschnitt und mehrere seitliche Düsen 58 aufweist. Eine Anzahl von Thermoelementen 59 für Temperaturmessungen (von denen nur wenige in Fig. 7 und 8 dargestellt sind) sind in einigen der Absorberteile 56 angeordnet. Ein bestimmtes Absorberteil ist nur mit einem einzigen Thermoelement 59 ausgestattet, das in der Nähe des oberen Endes, in der Mitte, oder in der Nähe des unteren Endes sein kann. Wenn der volumetrische Solarabsorber in einem Zentralsolarempfänger angeordnet ist, werden die Leiter der Thermoelemente durch geeignete Umhüllungen hindurch aus dem Empfänger, z.B. durch die Schutzhülle 35 in Fig. 4, herausgeführt.
Fig. 9 ist eine Draufsicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines volumetrischen Solarabsorbers, bei dem ein rechteckiger Basiskörper 60 mehrere flache lamellenähnliche Solarabsorberelemente 61 trägt, die mit einem geeigneten Abstand in einer honigwabenähnlichen Art angeordnet sind, wobei der Injektor bzw. die Injektoren hier nicht dargestellt ist bzw. sind, sie können in der Mitte oder in der Nähe der einen Seite der Basisplatte angeordnet sein.
Fig. 10 zeigt das Betriebsfluidströmungsregime in erfindungsgemäßen volumetrischen Solarabsorbern. Gemäß Fig. 10(a) dehnt sich ein zentral eingeströmtes Betriebsfluid radial aus, um sich mit den einzelnen Absorberteilen zu kreuzen, was den erfindungsgemäßen Ausführungsformen in Fig. 3 bis 9 entsprechen. Als Alternative können die Injektoren im Umfang angeordnet sein, und Warmluft kann über ein zentrales Abführrohr abgeführt werden, und ein solches Strömungsregime ist in Fig. 10(b) dargestellt, wobei das eingeströmte Betriebsfluid sich wiederum mit den Absorberteilen und der einfallenden Sonnenstrahlung kreuzt. Die Lösung für eine Strömungssteuerung und ein Anpassen der Strömung an die Solarflußverteilung ist die Strömungsrichtung quer durch den Absorber und nicht einfach, wie bekannt, durch ihn hindurch (Fig. 2).
In Fig. 11 und 12 sind die Ergebnisse von Temperaturmessungen in drei verschiedenen Ebenen entlang den Rohrteilen dargestellt, und zwar als Funktion des Abstands von der Mitte des Absorbers, wobei die Messung in einem Zentralsolarempfänger der in Fig. 3 und 4 dargestellten Art durchgeführt worden ist, die mit einem volumetrischen Solarabsorber der in Fig. 6 bis 8 dargestellten Art ausgestattet ist. Der Abstand von der Mitte ist als relative Radien, d.h. r/R, dargestellt, wobei r der Abstand des bestimmten Thermoelements von der Mitte und R der Radius des kreisförmigen volumetrischen Solarabsorbers ist.
In den Messungen, die in Fig. 11 dargestellt sind, war das obere Ende des Injektors unter dem oberen Ende der Absorberteile, während bei den Messungen, die in Fig. 12 dargestellt sind, der Injektor und die Solarabsorberteile sich gleichmäßig erstreckten. Man erkennt, daß in beiden Fällen die vertikale und die horizontale Wärmeverteilung ziemlich gleichmäßig ist, wobei die Ergebnisse in Fig. 12 geringfügig besser sind als die in Fig. 11.

Claims

1. Zentralsolarempfänger mit einem Gehäuse (20, 40) mit einem Fensterteil (21, 41) zur Aufnahme von einfallender konzentrierter Sonnenstrahlung, einem volumetrischen Solarabsorber (24, 43) in dem Gehäuse aus einem Material, das gegen hohe Temperatur widerstandsfähig ist, einer Betriebsfluidinjektoreinrichtung (28, 46, 57) und einer Einrichtung zum Abführen von heißem Betriebsfluid (31, 49), wobei der volumetrische Solarabsorber (24, 43) einen Basiskörper (25, 44, 55) aufweist, der eine Anordnung von Absorberteilen (26, 45, 56) hält, die voneinander beabstandet sind, sich von der einen Seite des Basiskörpers erstrecken und freie Enden aufweisen, die dem Fensterteil (21, 41) des Gehäuses (20, 40) zugewandt sind, und die Betriebsfluidinjektoreinrichtung (28, 46, 57) geeignet ist, das Betriebsfluid in Strömungsrichtungen, die sich mit den Absorberteilen (26, 45, 56) kreuzen, in den volumetrischen Solarabsorber (24, 43) einströmen zu lassen.

2. Zentralsolarempfänger nach Anspruch 1, bei dem die Betriebsfluidinjektoreinrichtung (28, 46, 57) Teil einer volumetrischen Solarabsorberanordnung ist.

3. Zentralsolarempfänger nach Anspruch 2, bei dem die Betriebsfluidinjektoreinrichtung einen einzelnen Betriebsfluidinjektor (28, 46, 57) aufweist, der in der Mitte des volumetrischen Solarabsorbers (24, 43) angeordnet ist.

4. Zentralsolarempfänger nach Anspruch 2, bei dem die Betriebsfluidinjektoreinrichtung mehrere Betriebsfluidinjektoren aufweist, die über den gesamten volumetrischen Absorber verteilt sind.

5. Zentralsolarempfänger nach Anspruch 2, bei dem die Betriebsfluidinjektoreinrichtung mehrere Betriebsfluidinjektoren aufweist, die gleichmäßig um den Umfang des volumetrischen Absorbers verteilt sind.

6. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der oder jeder Betriebsfluidinjektor ein rohrförmiger Körper (28, 46, 57) mit einem verschlossenen Endabschnitt und einem perforierten Bereich oder mehreren seitlichen Öffnungen oder Düsen (29, 58) ist.

7. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Seite des Basiskörpers (25, 55), von der sich die Absorberteile (26, 56) erstrecken, flach ist.

8. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Seite des Basiskörpers (44), von der sich die Absorberteile (45) erstrecken, konkav ist.

9. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Seite des Basiskörpers, von der sich die Absorberteile erstrecken, konvex ist.

10. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Absorberteile (45) massiv sind.

11. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Absorberteile (26, 56) hohl sind.

12. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Absorberteile (61) flache Lamellen sind.

13. Zentralsolarempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Absorberteile des Zentralsolarabsorbers aus einem Material hergestellt oder mit einem Material beschichtet sind, das eine durch Wärme hervorgerufene chemische reaktion zwischen Komponenten des Betriebsfluids katalysieren kann.

14. Volumetrischer Solarabsorber (24, 43) zur Verwendung in einem Zentralsolarempfänger mit einem Basiskörper (25, 44, 55), der eine Anordnung von Absorberteilen (26, 45, 56) hält, die sich von seiner einen Seite erstrecken, und einer Betriebsfluidinjektoreinrichtung (28, 46, 57), die geeignet ist, das Betriebsfluid in Strömungsrichtungen, die sich mit den Absorberteilen (26, 45, 56) kreuzen, in den volumetrischen Solarabsorber einströmen zu lassen.

15. Volumetrischer Solarabsorber nach Anspruch 14, der mit einer rohrförmigen Betriebsfluidinjektoreinrichtung (28, 46, 57) ausgestattet ist, die sich in einer Richtung mit den Absorberteilen erstreckt und einen verschlossenen Endabschnitt und einen perforierten Bereich oder mehrere seitliche Öffnungen oder Düsen (29, 58) aufweist.

16. Volumetrischer Solarabsorber nach Anspruch 15 mit einem einzelnen, zentral angeordneten Betriebsfluidinjektor (28, 46, 57).

17. Volumetrischer Solarabsorber nach Anspruch 15 mit mehreren Betriebsfluidinjektoren, die zwischen den Absorberteilen verteilt sind.

18. Volumetrischer Solarabsorber nach Anspruch 15 mit mehreren Betriebsfluidinjektoren, die um den Umfang herum verteilt sind.

19. Volumetrischer Solarabsorber nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem die Seite des Basiskörpers (24, 55), von der sich die Absorberteile (26, 56) erstrecken, flach ist.

20. Volumetrischer Solarabsorber nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem die Seite des Basiskörpers (44), von der sich die Absorberteile (45) erstrecken, konkav ist.

21. Volumetrischer Solarabsorber nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem die Seite des Basiskörpers, von der sich die Absorberteile erstrecken, konvex ist.

22. Volumetrischer Solarabsorber nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem die Absorberteile (45) massiv sind.

23. Volumetrischer Solarabsorber nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem die Absorberteile (26, 56) hohl sind.

24. Volumetrischer Solarabsorber nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem die Absorberteile (61) flache Lamellen sind.

25. Volumetrischer Solarabsorber nach einem der Ansprüche 14 bis 24, der mit Thermoelementen (59) für Temperaturmessungen ausgestattet ist.