EP2864717A2 - Absorberanordnung für einen rinnenkollektor - Google Patents

Absorberanordnung für einen rinnenkollektor

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EP2864717A2
EP2864717A2 EP13734643.3A EP13734643A EP2864717A2 EP 2864717 A2 EP2864717 A2 EP 2864717A2 EP 13734643 A EP13734643 A EP 13734643A EP 2864717 A2 EP2864717 A2 EP 2864717A2
Authority
EP
European Patent Office
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absorber
arrangement
fluid
length
assembly
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13734643.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gianluca AMBROSETTI
Sergio GRANZELLA
Andrea PEDRETTI-RODI
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Airlight Energy IP SA
Original Assignee
Airlight Energy IP SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Airlight Energy IP SA filed Critical Airlight Energy IP SA
Publication of EP2864717A2 publication Critical patent/EP2864717A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
    • F24S10/70—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • F24S10/70—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits
    • F24S10/75—Solar heat collectors using working fluids the working fluids being conveyed through tubular absorbing conduits with enlarged surfaces, e.g. with protrusions or corrugations
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    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/74—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with trough-shaped or cylindro-parabolic reflective surfaces
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    • F24S30/42—Arrangements for moving or orienting solar heat collector modules for rotary movement with only one rotation axis
    • F24S30/425—Horizontal axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/47—Mountings or tracking

Definitions

  • the present invention relates to an absorber arrangement for a trough collector according to the preamble of claim 1.
  • Solar tower power plant systems have a central, raised (on the "tower") mounted absorber for hundreds to thousands of individual mirrors with mirrored to him sunlight, so that the radiation energy of the sun over the many mirrors or concentrators point concentrated in the absorber and due to the achievable high concentration temperatures up to 1300 ° C can be achieved, which is favorable for the efficiency of the downstream thermal machines (usually a steam or fluid turbine power plant for power generation).
  • Solar tower power plants have (despite the achievable ho- hen Temperatures) because of their own, sometimes difficult technology until now also found no wider distribution.
  • parabolic trough power plants are widespread and have trough collectors which have long concentric transducers with small transverse dimensions, and thus have not a focal point but a focal line, which fundamentally differentiates them in their design from the Dish Sterling and solar tower power plants.
  • These line concentrators today have a length of 20 m to 150 m, while the width can reach 5 m or 10 m and more.
  • a absorber line for the concentrated heat up to 500 ° C
  • the absorber line is flowed through by a medium that absorbs the heat and transported via a pipeline network to the powerhouse of the power plant.
  • a heat-transporting medium is a fluid such. Thermal oil or superheated steam in question.
  • the aim is to increase the temperature in the heat-transporting medium as much as possible, since with its higher temperature, the conversion efficiency of the heat generated in the power plant in, for example, electricity is higher.
  • the highest possible temperatures are also targeted if the solar power plant is to supply process heat for industrial production.
  • heat losses For the efficiency of the power plant but also the emission or radiation of heat through the pipe network (heat losses) is to be considered, in which the heat-transporting medium circulates. This can reach 100 W / m, with a line length in a large system up to 100 km, so that the heat losses via the pipeline network are of considerable importance for the overall efficiency of the power plant, so that the air flows onto the absorber tubes. falling share of heat losses. From the above information it follows that the entire length of the trough collectors and correspondingly also that of the absorber tubes in such solar systems reaches tens of kilometers, thus their heat losses for the efficiency of the entire system can not be neglected.
  • the absorber lines are increasingly expensive to avoid such energy losses.
  • widespread conventional absorber lines are formed as a metal tube encased in glass, wherein there is a vacuum between glass and metal tube.
  • the metal tube carries in its interior, the heat-transporting medium and is provided on its outer surface with a coating that absorbs irradiated light in the visible range improved, but has a low radiation rate for wavelengths in the infrared range.
  • the enveloping glass tube protects the metal tube from cooling by wind and acts as an additional barrier to heat dissipation.
  • the disadvantage here is that the enveloping glass wall also partly reflects or absorbs incident concentrated solar radiation, which results in a reflection-reducing layer being applied to the glass.
  • the absorber line can be lent addition to a surrounding mechanical protective tube, which must be provided with an opening for the incident solar radiation, the Absorber line but otherwise quite reliable protection.
  • WO 2010/078 668 (which is hereby incorporated by reference in the present application) discloses an improved-efficiency outer-insulated absorber tube whose elongated thermal opening, formed as a slot opening by use in a trough collector, is optimized in terms of heat losses, in that the thermal opening is reduced over the length of the absorber tube, in accordance with the increasing temperature over the length of the medium transporting the absorber tube from the longitudinally flowing heat. As the heat radiation increases with the fourth power of the temperature is so avoided a major part of the total energy losses of the absorber tube, although the costly measures for the reduction of the thermal opening are made only in a relatively small portion of the absorber tube.
  • the object of the present invention is to provide an absorber arrangement suitable for high operating temperatures of the heat-absorbing medium, which has low heat losses and can be produced inexpensively in series.
  • a heat exchanger assembly which is designed for the flow of the heat-transporting fluid in the cross-flow, can be formed on the separation of the at least one absorber space from the fluid-carrying heat exchanger, the absorber space such that even at high temperatures of more than 500 ° C, for example to 650 ° C or even higher, the heat radiation is reduced by its thermal opening reduced, thereby the efficiency of the heat exchanger assembly is improved as a whole.
  • FIG. 2 shows a view of a section of a first embodiment of the absorber arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows a view of a section of a second embodiment of the absorber arrangement according to the invention
  • FIG. 4 shows a view of a section of a third embodiment of the absorber arrangement according to the invention
  • 5 shows a view of an absorber space formed by a part of the heat exchanger arrangement
  • FIG. 6 shows a cross section through a trough collector with an absorber arrangement according to the invention, which has at least two longitudinally extending absorber chambers arranged parallel to one another, and
  • FIG. 7 shows a cross-section through the absorber arrangement of FIG. 6.
  • FIG. 1 shows a trough collector 1 of a conventional type, with a concentrator 2 which is parabolically curved in cross-section and reflects incident solar rays 3, the reflected rays 4 being concentrated in a focal zone, in which an absorber tube 5 is arranged.
  • the absorber tube 5 Via a feed line 6, the absorber tube 5 is charged with a heat-transporting medium, which flows through it, thereby heated from an input temperature T E to an output temperature T A and finally discharged through a discharge line 7.
  • the course of the temperature T of the heat-transporting medium over the length L of the absorber tube 5 is qualitatively represented by the curve 15.
  • the temperature curve 15 is substantially linear, corresponding to the uniformly over the length L by the reflected rays 4 the absorber tube 5 (and thus the longitudinally flowing through this fluid) supplied heat.
  • the absorber tube 5 has a thermal opening, not shown for relieving the figure, through which the rays reach the interior of the absorber tube 5 and heat the heat-transporting fluid.
  • a thermal opening not shown for relieving the figure, through which the rays reach the interior of the absorber tube 5 and heat the heat-transporting fluid.
  • Such an arrangement is known to the person skilled in the art, for example from the abovementioned WO 2010/078 668.
  • the interior of the absorber tube 5 (including the heated heat-transporting fluid) heated by the reflected beams 4 radiates in the infrared zone.
  • Rarot Scheme heat wherein this heat-return or remission escapes through the thermal opening of the absorber tube. This reflection or remission increases with the fourth power of the temperature prevailing in the interior of the absorber tube 5.
  • the curve 16 qualitatively shows the course of the radiation intensity through the thermal opening of the absorber tube 5.
  • the absorber tube continuously loses energy with the fourth power of its internal temperature, so that a basically desirable further increase in the starting temperature T A from 500 ° C to, for example, 650 ° C or more, among other things problematic because the reflection or remission after a certain length of the absorber tube 5 is the same height as the irradiation by the reflected beams 4, so that a further increase in the temperature Fluid no longer takes place.
  • Figure 2 shows schematically an absorber assembly 20 according to the present invention, as it can be used in place of the absorber tube 5 in a trough collector 1 ( Figure 1). Only one longitudinal section 21 of the absorber arrangement 20 is shown in the figure, beginning with a cross section through the absorber arrangement 20 at an arbitrary position along its length and a view of the longitudinal section 21 following the cross section up to a section line 22, wherein the absorber assembly 20 continues after the cutting line 22 to the end of the respective trough collector.
  • absorber arrangements can be realized in a length greater than 100 m, preferably greater than 150 m and preferably up to 200 m or more, which allows correspondingly long trough collectors and for the industrial use of trough collectors in a solar power plant is cheap.
  • the pipes 26 are here next to each other in two rows 27 and 28 and form a heat exchanger assembly 29.
  • the row 28 is indicated by the contours of the juxtaposed pipes 26, the row 27 is hidden in the view shown.
  • Between the rows 27, 28 of pipes 26 of the heat exchanger assembly 29 is an absorber space 30 for concentrated, ie reflected radiation 4, through the thermal opening 35, the beams 4 are incident. Walls 36 of the absorber space 30 absorb the heat of the heat incident on the beams 4 and deliver them to the conduits 26 of the heat exchanger assembly 29 with which they are thermally connected, for example by direct contact with the walls 36, as shown in the figure is shown.
  • heat transporting fluid is supplied through inlet sections 38 from conduits 23,24 of the supply line to conduits 26 of heat exchanger assembly 29 over the length L at the inlet temperature T E , wherein the fluid in the conduits 26 is heated to the outlet temperature T A and is discharged at this temperature from the output sections 39 to the pipe 25 of the discharge arrangement, also over the length L of the absorber arrangement.
  • the supply line arrangement and the discharge line arrangement have a supply pipe 23, 24 and a discharge pipe 25, wherein the pipes 23, 24, 25 run parallel to one another and the at least one absorber space 30 is arranged between pipes 23, 24, 25 and extends over the length of the tubes 23,24,25.
  • the feed arrangement comprises a supply line 23,24 extending over the length of the absorber assembly for the heat exchanger to be heated over its length to be heated, the feed line 23,24 preferably over its length except for the feed openings the heated fluid is thermally insulated. This can be advantageous if the input temperature T E is above the ambient temperature.
  • the discharge arrangement the length of the absorber assembly along extending manifold 25 has for its over its length from the heat exchanger assembly 29 forth supplied heated fluid, wherein the manifold 25 along its length except for the openings for the supply of the heated fluid is thermally insulated.
  • the heat-transporting fluid still flows longitudinally through the absorber arrangement, but in two separate streams, once with the inlet temperature T E and once with the output temperature T A , as symbolized by the flow arrows in the figure. Furthermore, it follows that the heat-transporting fluid is moved transversely to the length of the absorber arrangement during the absorption of heat. In the heat exchanger arrangement, however, the fluid flows in cross-flow to the length L, with the result that over the entire length L of the absorber arrangement 20 in the line 25 of the discharge arrangement fluid with the Knoxtermatur T A is present.
  • the absorber space 30 can be designed in such a way by the person skilled in the art that, in the case of a given concentrator 2 (FIG.
  • the thermal opening 35 "sees" predominantly the entrance area with regard to the reverberation, but far less the wall (far away, rearmost) of the absorber space 30, which in turn is heated to the starting temperature T A It should be noted here, of course, that in all the embodiments according to the invention it may be advantageous to close the thermal opening by, for example, glass in order to reduce the heat return / re-emission.
  • the person skilled in the art can achieve that the heat exchanging surface becomes large.
  • the entire inner surface of the pipes 26 of the heat exchanger assembly serves as a heat exchanging surface.
  • the heat conduction in the material of the pipelines 26 for example, a good heat conductive material such as copper or a suitable, good heat conducting alloy at high temperatures
  • the pipes 26, however heat almost uniformly all around, so that the heat exchanging surface is correspondingly large.
  • a large heat exchanging surface serves the efficient heat transfer to the heat transporting fluid, so that a local overheating of the heat exchanging surface can be largely avoided.
  • the walls heated by the radiation often overheat, with the result that the reflection / emission is massively increased.
  • the reason for this lies in the longitudinal flow of the fluid to be heated, which in the high-temperature region of the conventional absorber tube, the heat-exchanging walls is already strongly heated itself, therefore, during the short time in which it flows through the end, whose walls can not cool enough. (An increase of the mass flow is not possible, since this must reach its target temperature T A for a given heat input by the reflected radiation 4. If the mass flow were increased, this temperature could no longer be reached).
  • the absorber arrangement according to the invention although over its length L, there is a heat return / re-emission through the thermal opening 35 corresponding to the output temperature T A.
  • the energy losses in the absorber arrangement according to the invention are, on the whole, lower than in the conventional absorber tube. Accordingly, the absorber arrangement in almost any length L can be performed without this would have negative consequences in terms of heat radiation.
  • the dormitortermperatur the T A is reduced corresponding heat reflection in comparison with a conventional absorber tube as relevant by the geometry of the absorber chamber parts of the heat reflective or heat re-emitting walls are kept cool.
  • the relevant wall regions of the absorber chamber located near the thermal opening remain cooler and overheating of the heat exchanging surfaces is substantially reduced compared to a conventional absorber tube.
  • thermal opening can be used to designate a physical opening to the absorber space according to FIG. 2, depending on the design of the absorber tube.
  • thermal opening also includes in other types of absorber space a physically closed area, which is designed for the heat transfer of concentrated solar radiation, for example, by suitable coatings at the site of heat radiation, a return of heat can be reduced.
  • the person skilled in such constructions are known. Nevertheless, it is necessarily the case that at the location of the thermal opening ultimately no good insulation can be achieved, so the corresponding relevant heat losses must be accepted by heat radiation / Reeimssion.
  • the absorber arrangement according to the invention can only be used in a trough collector at a short distance from its edge, for example after the fluid has reached a temperature of 100 ° C. or slightly more. However, an absorber arrangement extending over the entire length of the trough collector according to the present invention is preferred.
  • the pipes 26 of the heat exchanger arrangement 29 according to the invention can at least partially replace the walls of the absorber space 30, with the advantage that the pipes 26 are directly irradiated thereby, ie the heat transfer to the heat-transporting fluid is only minimally hindered.
  • at least sections of the wall of the at least one absorber space are also formed by the heat exchanger or its pipelines. It is also according to the invention that the heat exchanger has adjacent line sections for the fluid, which form at least one wall section for the at least one absorber space.
  • the absorber space can be formed by lines 42 of the heat exchanger assembly, as they extend in adjacent turns and so preferably completely envelop the interior of the absorber space.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the absorber assembly 40 according to the present invention, which basically corresponds to that of Figure 2, with the exception of the formation of the heat exchanger assembly 41, which formed as pipes 42 lines laid here in small loops, so each longer.
  • the heat exchanging fluid flows through the heat exchanger assembly 41 in cross-flow with respect to the longitudinal direction L.
  • the tube 24 (FIG. 2) is omitted in FIG. 3 to allow the view of the pipelines 42.
  • Longer pipes 42 have the advantage that the heat exchange surface for the flowing partial flow of the fluid increases, but the disadvantage that the pressure drop in the pipe 42 is greater.
  • the person skilled in the art can suitably determine the flow and thermodynamic design of the pipelines 42.
  • any suitable guidance of the heat-transporting fluid through the heat exchanger arrangement is according to the invention as long as it passes through the heat exchanger arrangement in its main direction transversely to the length L, such that the fluid heats up from an inlet temperature to the operating temperature in cross-flow operation and under this reaches the derivative arrangement.
  • any suitable design of lines in the heat exchanger arrangement according to the invention is provided which serves for the flow of the fluid according to the invention.
  • the small flow arrows 44 indicate the flow direction of the heat-transporting fluid.
  • FIG 4 shows yet another embodiment of an absorber assembly 50 according to the present invention, which basically corresponds to that of Figure 2, again with the exception of the heat exchanger assembly 51, which are formed here as pipes 52 lines are laid in coils 53, that are each formed even longer.
  • the coils 53 are indicated only schematically in the figure and shown in Figure 5 in detail.
  • the spirals 53 formed from the pipes 52 are open at the bottom and thereby form absorber chambers 54, since a space section is enclosed by them. As a result, the heat exchanging surface for this space section and thus also over the length of the absorber arrangement 50 increases considerably, with the advantages mentioned above for FIG.
  • the lower open areas of the coils 53 form thermal openings 59.
  • the absorber chambers 54 are due to the arrangement of the coils 53 shown in a row 55. Also in Figure 4, the pipe 24 is omitted to relieve the figure, so that the view of the coils 53 is free. It can be seen that in the embodiment shown in the figure, the absorber arrangement 50 is designed such that the supply arrangement and the discharge arrangement have a supply pipe 23, 24 and a discharge pipe 25, the pipes 23, 24, 25 running parallel to one another and the here numerous, each formed by a spiral 53 Absorberhoff- me between these tubes 23 to 25 are arranged and extend over the length of the absorber assembly 50.
  • FIG. 5 shows a view of one of the spirals 53 indicated only schematically in FIG. 4, formed from the turns of a line 52 of the inventive heat exchanger arrangement 51 formed here as a pipeline 52.
  • the helix 53 here has an axis of symmetry 55 and encloses an absorber space 54 for the incident Radiation 4, wherein the bottom open end of the coil 53 forms a thermal opening 59.
  • FIG. 4 shows an absorber arrangement in which the supply line arrangement and the discharge line arrangement have a feed pipe 23, 24 and a discharge pipe 25, wherein the pipes 23, 24, 25 run parallel to one another and a number of absorber spaces 54 are provided, which in FIG at least one extending between these tubes 23,24,25 series 55 are arranged, wherein the at least one row 55 extends over the length of the tubes.
  • FIG. 4 shows an absorber arrangement in which the supply line arrangement and the discharge line arrangement have a feed pipe 23, 24 and a discharge pipe 25, wherein the pipes 23, 24, 25 run parallel to one another and a number of absorber spaces 54 are provided, which in FIG at least one extending between these tubes 23,24,25 series 55 are arranged, wherein the at least one row 55 extends over the length of the tubes.
  • FIG. 6 shows a cross-section through a trough collector 60 with an absorber arrangement 61 according to the invention, wherein two concentrators 62 and 63 are provided which are designed, for example, according to WO 2010/037 243 (which is incorporated herein by reference into the present application).
  • the frame of the trough collector 60 is designed, for example, according to WO 2009/135 330.
  • the absorber arrangement 61 has at least two absorber chambers 64 and 65, which extend over the length L of the absorber arrangement 61.
  • FIG. 7 shows a cross-section through the absorber arrangement 61 of FIG. 6.
  • a line 72 designed as a supply line arrangement for heat-transporting fluid, here a double-row heat exchanger arrangement 74 and a manifold 25 designed as a piping discharge arrangement for the heat-transporting fluid with an insulation 70 is provided.
  • the heat exchanger assembly 74 has in the illustrated embodiment, two rows 75 of successively arranged coils 53, as shown in Figure 5.
  • the fluid passes through the line 72 with the inlet temperature T E to the nozzle 57, thereby into each coil 53, flows through it and leaves it via the end portions 58 of the pipe 52 to the outlet temperature T A and thus enters the Pipe 25 of the discharge arrangement.
  • Frame and structural elements 71 support the arrangement shown in the figure and can be made suitable by the skilled person in the specific case.
  • a number of absorber spaces lying behind each other in a row are provided over the length of the absorber arrangement, which are arranged separately from one another at a distance from each other.
  • Such an embodiment is advantageous if the radiation reflected by the at least one concentrator (FIG. 1) or by a plurality of concentrators 62, 63 (FIG. 6) is longitudinally concentrated in front of the absorber arrangement by a further arrangement of longitudinal concentrators, so that instead of a focal line region a number of focus areas (one or more being longitudinal extending rows of focal areas are possible) with increased concentration.
  • modified turns are also provided in relation to the helix 53 shown in FIG.
  • These may, for example, instead of a round form an elliptical or angular absorber space, or be closed at the opposite wall of the thermal opening with a simple cover instead of the turns of the tube 52 shown in Figure 5.
  • the absorber rooms may, for example, each consist of a box instead of the spaces formed by lines).
  • helixes whose symmetry axis is inclined with respect to the thermal opening (and not perpendicularly as shown in FIG. 5) have the advantage that such helixes are advantageous for a skew-angle range.
  • the skew angle is known to those skilled in the art and refers to the angle at which the sun is incident on the concentrator aligned therewith.
  • the heat exchanger arrangement and thus the at least one absorber space can be adapted and designed constructively by the person skilled in the art according to the thermodynamic requirements present in the specific case, but with the heat exchanging fluid in cross flow at operating temperature ie at the outlet temperature T. A is heated, so that the discharge arrangement is fed to its length L fluid with the output temperature T A.
  • the person skilled in the art can, depending on the requirements in a specific case, combine the features explained in the various embodiments described above, since these are not bound to the respective embodiments shown.
  • the heat exchanger assembly can be formed not only by piping, but also by another suitable construction.
  • each segment has a connection for a fluid source. This reduces energy losses due to the pressure drop in a long line.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine langgestreckte Absorberanordnung für einen Rinnenkollektor, die im Betrieb über ihre Länge von konzentrierter Strahlung beaufschlagt wird, und die Mitteln zum Transport von Wärme transportierendem Fluid durch die Absorberanordnung hindurch aufweist. Die Absorberanordnung weist mindestens einen fluidfreien Absorberraum für konzentrierte Strahlung auf, der eine in sein Inneres führende thermische Öffnung und Wände zur Absorbtion der in ihn eingefallenen Wärme besitzt. Die Mittel zum Transport des Fluids weisen eine Zuleitungsanordnung und eine Ableitungsanordnung auf, die miteinander betriebsfähig durch eine fluiddurchflossene Wärmetauscheranordnung verbunden sind, wobei diese sich über die Länge der Absorberanordnung erstreckt, für den Durchfluss des Fluids im Querstrom zur Länge der Absorberanordnung ausgebildet ist und mit dem mindestens einen Absorberraum thermisch verbunden ist, derart, dass sich das Fluid im Betrieb im Querstrom von einer Eingangstemperatur auf die Betriebstemperatur erwärmt und unter dieser die Ableitungsanordnung erreicht.

Description

Absorberanordnung für einen Rinnenkollektor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absorberanordnung für einen Rinnenkollektor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Rinnenkollektoren der genannten Art finden u.a. in Sonnenkraftwerken Anwendung.
Bis heute ist es wegen der noch nicht überwundenen Nachteile der Fotovoltaik nicht gelungen, Solarstrom in Anwendung dieser Technologie in annähernd kostendeckender Art zu erzeugen. Solarthermische Kraftwerke hingegen produzieren schon seit einiger Zeit Strom im industriellen Massstab zu Preisen, die - gegenüber der Fotovoltaik - nahe an den heute üblichen kommerziellen Preisen für in herkömmlicher Art erzeugten Strom liegen.
In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben. Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling- Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme.
Die Dish-Sterling-Systeme als kleine Einheiten im Bereich von bis zu 50 kW pro Modul haben sich nicht generell durchgesetzt.
Solarturmkraftwerksysteme besitzen einen zentralen, erhöht (auf dem "Turm") montierten Absorber für das durch hunderte bis tausende von einzelnen Spiegeln mit zu ihm gespiegelte Sonnenlicht, womit die Strahlungsenergie der Sonne über die vielen Spiegel bzw. Konzentratoren punktförmig im Absorber konzentriert und auf Grund der so erreichbaren hohen Konzentration Temperaturen bis zu 1300° C erreicht werden können, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampf- oder Fluidturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Solarturmkraftwerke haben (trotz der vorteilhaft erreichbaren ho- hen Temperaturen) wegen der ihnen eigenen, teilweise schwierigen Technik bis heute ebenfalls keine grössere Verbreitung gefunden.
Parabolrinnenkraftwerke sind jedoch verbreitet und besitzen Rinnenkollektoren in hoher An- zahl, die lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen, was diese in ihrer Konstruktion grundlegend von den Dish-Sterling- und Solarturmkraftwerken unterschiedet. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m, während die Breite 5 m oder 10 m und mehr erreichen kann. In der Brennlinie ist eine Absorberleitung für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500°C) angeordnet, wobei die Absorberleitung von einem Medium durchflössen wird, das die Wärme aufnimmt und über ein Leitungsnetz zum Maschinenhaus des Kraftwerks transportiert. Als Wärme transportierendes Medium kommt ein Fluid wie z.Bsp. Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage. Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk "Nevada Solar One" besitzt Rinnenkollektoren mit 182'400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW. Die Anlagen Andasol 1 bis 3 sollen eine Höchstleistung von 50 MW aufweisen (Andasol 3 hat Ende 2011 den Betrieb aufgenommen). Für die Gesamtanlage (An- dasol 1 bis 3) wird ein Spitzenwirkungsgrad von ca. 20% sowie ein Wirkungsgrad im Jahresmittel von rund 15% erwartet.
Natürlich ist es so, dass angestrebt wird, die Temperatur im Wärme transportierenden Medium so weit wie möglich zu erhöhen, da mit dessen höherer Temperatur der Wirkungsgrad der Um- Wandlung der im Kraftwerk gewonnenen Wärme in beispielsweise Strom höher ist. Möglichst hohe Temperaturen werden auch angestrebt, wenn das Solarkraftwerk Prozesswärme für die industrielle Produktion liefern soll.
Für den Wirkungsgrad des Kraftwerks ist aber auch die Emission oder Abstrahlung von Wärme über das Leitungsnetz (Wärmeverluste) zu berücksichtigen, in der das die Wärme transportierende Medium zirkuliert. Diese kann 100 W/m erreichen, bei einer Leitungslänge in einer Grossanlage bis 100 km, so dass die Wärmeverluste über das Leitungsnetz für den Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks von erheblicher Bedeutung sind, damit auch der auf die Absorberrohre ent- fallende Anteil an Wärmeverlusten. Aus den obigen Angaben ergibt sich, dass die gesamte Länge der Rinnenkollektoren und entsprechend auch diejenige der Absorberrohre in solchen Solaranlagen Dutzende von Kilometern erreicht, somit deren Wärmeverluste für den Wirkungsgrad der gesamten Anlage nicht vernachlässigt werden können.
Entsprechend werden die Absorberleitungen zunehmend aufwendig gebaut, um solche Energieverluste zu vermeiden. So sind weit verbreitete konventionelle Absorberleitungen als ein von Glas umhülltes Metallrohr ausgebildet, wobei zwischen Glas und Metallrohr ein Vakuum herrscht. Das Metallrohr führt in seinem Inneren das Wärme transportierende Medium und ist an seiner Aussenfläche mit einer Beschichtung versehen, die eingestrahltes Licht im sichtbaren Bereich verbessert absorbiert, aber eine tiefe Abstrahlungsrate für Wellenlängen im Infrarotbereich besitzt. Das umhüllende Glasrohr schützt das Metallrohr von der Kühlung durch Wind und wirkt als zusätzliche Barriere für Wärmeabstrahlung. Nachteilig ist dabei, dass die umhüllende Glaswand einfallende konzentrierte Sonnenstrahlung teilweise ebenfalls reflektiert oder auch absorbiert, was dazu führt, dass auf das Glas eine die Reflexion reduzierende Schicht aufgebracht wird.
Um den aufwendigen Reinigungsaufwand für solche Absorberleitungen zu senken, aber auch um das Glas vor mechanischen Beschädigungen zu schützen, kann die Absorberleitung zusätz- lieh mit einem sie umgebenden mechanischen Schutzrohr versehen werden, das zwar mit einer Öffnung für die einfallende Sonnenstrahlung versehen werden muss, die Absorberleitung aber sonst recht zuverlässig schützt.
Solche Konstruktionen sind aufwendig und entsprechend teuer, sowohl in der Herstellung, als auch im Unterhalt.
In WO 2010 / 078 668 (die hier durch Referenz in die vorliegende Anmeldung einbezogen ist) ist ein aussenisoliertes Absorberrohr mit verbessertem Wirkungsgrad offenbart, dessen durch den Einsatz in einem Rinnenkollektor gegebene, als Schlitzöffnung ausgebildete langgestreckte thermische Öffnung im Hinblick auf die Wärmeverluste optimiert ist, indem die thermische Öffnung über die Länge des Absorberrohrs verkleinert wird, entsprechend der über die Länge zunehmenden Temperatur des das Absorberrohr vom längs durchfliessenden Wärme transportierenden Mediums. Da die Wärmeabstrahlung mit der vierten Potenz der Temperatur steigt, wird so ein überwiegender Teil der gesamten Energieverluste des Absorberrohrs vermieden, obschon die aufwendigen Massnahmen für die Verkleinerung der thermischen Öffnung nur in einem vergleichsweise kleinen Teilbereich des Absorberrohrs vorgenommen werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine für hohe Betriebstemperaturen des Wärme absorbierenden Mediums geeignete Absorberanordnung bereit zu stellen, die geringe Wärmeverluste aufweist und kostengünstig in Serie hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Absorberanordnung gemäss den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, dass eine Wärmetauscheranordnung vorgesehen ist, die für den Durchfluss des Wärme transportierenden Fluids im Querstrom ausgebildet ist, kann über die Trennung des mindestens einen Absorberraums vom fluiddurchflossenen Wärmetauscher der Absorberraum derart ausgebildet werden, dass auch bei hohen Termperaturen von über 500°C, beispielsweise bis 650°C oder noch höher, die Wärmeabstrahlung durch dessen thermische Öffnung vermindert ausfällt, dadurch der Wirkungsgrad der Wärmetauscheranordnung im Ganzen verbessert ist.
Die Erfindung wird nachstehend durch die Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 einen Rinnenkollektor mit einem Absorberrohr konventioneller Art, Figur 2 eine Ansicht auf einen Abschnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäs- sen Absorberanordnung,
Figur 3 eine Ansicht auf einen Abschnitt einer zweiten Ausführungsform der erfindungsge- mässen Absorberanordnung,
Figur 4 eine Ansicht auf einen Abschnitt einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäs- sen Absorberanordnung, Figur 5 eine Ansicht auf einen durch einen Teil der Wärmetauscheranordnung gebildeten Absorberraum,
Figur 6 einen Querschnitt durch einen Rinnenkollektor mit einer erfindungsgemässen Absor- beranordnung, die mindestens zwei parallel neben einander angeordnete längs verlaufende Absorberräume aufweist, und
Figur 7 einen Querschnitt durch die Absorberanordnung von Figur 6. Figur 1 zeigt einen Rinnenkollektor 1 konventioneller Art, mit einem Konzentrator 2, der im Querschnitt parabolisch gekrümmt ist und einfallende Sonnenstrahlen 3 reflektiert, wobei die reflektierten Strahlen 4 in einen Brennlinienbereich konzentriert werden, in welchem ein Absorberrohr 5 angeordnet ist. Über eine Zuleitung 6 wird das Absorberrohr 5 mit einem Wärme transportierenden Medium beschickt, welches durch dieses hindurch fliesst, dabei von einer Eingangstempertur TE auf eine Ausgangstemperatur TA erwärmt und schliesslich durch eine Ableitung 7 abgeführt wird.
Schematisch dargestellte Gelenke 8 erlauben die Verschwenkung des Konzentrators 2 um die Verschwenkachse 10, so dass der Konzentrator 2 laufend dem aktuellen Sonnenstand nach ausgerichtet werden kann. Auflager 11 für den Konzentrator 2 und die Leitungen 6,7 sind ebenfalls schematisch dargestellt.
Im Diagramm D ist durch die Kurve 15 der Verlauf der Temperatur T des Wärme transportierenden Mediums über die Länge L des Absorberrohrs 5 qualitativ dargestellt. Die Temperaturkurve 15 ist im Wesentlichen linear, entsprechend der gleichmässig über die Länge L durch die reflektierten Strahlen 4 dem Absorberrohr 5 (und damit dem dieses längs durchfliessenden Fluid) zugeführten Wärme.
Das Absorberrohr 5 besitzt eine zur Entlastung der Figur nicht dargestellte thermische Öffnung, durch welche die Strahlen in das Innere des Absorberrohrs 5 gelangen und das Wärme transportierende Fluid erwärmen. Dem Fachmann ist solch eine Anordnung bekannt, beispielsweise aus der oben genannten WO 2010 / 078 668. Das durch die reflektierten Strahlen 4 erhitzte Innere des Absorberrohrs 5 (einschliesslich des erhitzten Wärme transportierende Fluids) strahlt im Inf- rarotbereich Wärme ab, wobei diese Wärme-Rückstrahlung oder Remission durch die thermische Öffnung aus dem Absorberrohr entweicht. Diese Rückstrahlung oder Remission steigt mit der vierten Potenz der im Innern des Absorberrohrs 5 herrschenden Temperatur. Die Kurve 16 zeigt qualitativ den Verlauf der Strahlungsintensität durch die thermische Öffnung des Absor- berrohrs 5. Es ist mit anderen Worten so, dass das Absorberrohr laufend Energie verliert, mit der vierten Potenz seiner Innentemperatur, so dass eine grundsätzlich wünschenswerte weitere Erhöhung der Ausgangstemperatur TA von 500°C auf beispielsweise 650°C oder mehr unter anderem darum problematisch wird, weil die Rückstrahlung oder Remission nach einer gewissen Länge des Absorberrohrs 5 gleich hoch ist wie die Einstrahlung durch die reflektierten Strahlen 4, so dass eine weitere Erhöhung der Temperatur im Fluid nicht mehr stattfindet.
Figur 2 zeigt schematisch eine Absorberanordnung 20 gemäss der vorliegenden Erfindung, wie sie an Stelle des Absorberrohrs 5 in einem Rinnenkollektor 1 (Figur 1) verwendet werden kann. Von der Absorberanordnung 20 ist in der Figur nur ein Längenabschnitt 21 dargestellt, begin- nend mit einem Querschnitt durch die Absorberanordnung 20 an einer beliebigen Stelle über deren Länge und einer Ansicht des nach dem Querschnitt folgenden Längenabschnitts 21 bis hin zu einer Schnittlinie 22, wobei sich die Absorberanordnung 20 nach der Schnittlinie 22 bis an das Ende des jeweiligen Rinnenkollektors fortsetzt. An dieser Stelle sei angefügt, dass sich erfin- dungsgemäss Absorberanordnungen in einer Länge grösser als 100 m, bevorzugt grösser als 150 m und bevorzugt bis 200 m oder mehr realisieren lassen, was entsprechend lange Rinnenkollektoren erlaubt und für den industriellen Einsatz von Rinnenkollektoren in einem Solarkraftwerk günstig ist.
Ersichtlich sind Mittel zum Transport des Wärme transportierenden Fluids, mit einer hier als Rohrleitungen 23,24 ausgebildeten Zuleitungsanordnung und einer hier als Rohrleitungen 25 ausgebildeten Ableitungsanordnung, die sich der Länge L der Absorberanordnung 20 entlang erstrecken und miteinander durch hier als Rohrleitungen 26 ausgebildeten Leitungen betriebsfähig verbunden sind. Die Rohrleitungen 26 liegen hier neben einander in zwei Reihen 27 und 28 und bilden eine Wärmetauscheranordnung 29. Die Reihe 28 ist durch die Konturen der neben einander liegenden Rohrleitungen 26 angedeutet, die Reihe 27 ist in der dargestellten Ansicht verdeckt. Zwischen den Reihen 27, 28 von Rohrleitungen 26 der Wärmetauscheranordnung 29 liegt ein Absorberraum 30 für konzentrierte, d.h. reflektierte Strahlung 4, durch dessen thermische Öffnung 35 die Strahlen 4 einfallen. Wände 36 des Absorberraums 30 absorbieren die Wärme der über die Strahlen 4 eingefallenen Wärme und geben diese an die Rohrleitungen 26 der Wärme- tauscheranordnung 29 ab, mit welchen sie thermisch verbunden sind, beispielsweise durch direkten Kontakt mit den Wänden 36, wie dies in der Figur dargestellt ist.
Im Betrieb wird Wärme transportierendes Fluid durch die Eingangsabschnitte 38 von den Rohrleitungen 23,24 der Zuleitungsanordnung den Rohrleitungen 26 der Wärmetauscheranordnung 29 über die Länge L mit der Eingangstemperatur TE zugeführt, wobei das Fluid in den Rohrleitungen 26 auf die Ausgangstermperatur TA erwärmt wird und mit dieser Temperatur aus den Ausgangsabschnitten 39 an die Rohrleitung 25 der Ableitungsanordnung abgegeben wird, ebenfalls über die Länge L der Absorberanordnung. Mit anderen Worten ist es so, dass
■ die Zuleitungsanordnung und die Ableitungsanordnung in einer Ausführungsform der Erfindung ein Zuleitungsrohr 23,24 und ein Ableitungsrohr 25 aufweisen, wobei die Rohre 23,24,25 parallel zu einander verlaufen und der mindestens eine Absorberraum 30 zwischen Rohren 23,24,25 angeordnet ist und sich über die Länge der Rohre 23,24,25 erstreckt.
■ In einer Ausführungsform der Erfindung die Zuleitungsanordnung eine sich über die Länge der Absorberanordnung erstreckende Speiseleitung 23,24 für dem Wärmetauscher über seine Länge zuzuführendes, zu erhitzendes Fluid aufweist, wobei die Speiseleitung 23,24 vorzugsweise über ihre Länge bis auf die Öffnungen für die Zufuhr des erhitzten Fluids thermisch isoliert ist. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Eingangstermperatur TE über der Um- gebungstemperatur liegt.
■ In einer Ausführungsform der Erfindung die Ableitungsanordnung eine sich der Länge der Absorberanordnung entlang erstreckende Sammelleitung 25 für ihr über ihre Länge von der Wärmetauscheranordnung 29 her zugeführtes erhitztes Fluid aufweist, wobei die Sammelleitung 25 über ihre Länge bis auf die Öffnungen für die Zufuhr des erhitzten Fluids thermisch isoliert ist.
Es ergibt sich, dass das Wärme transportierende Fluid nach wie vor die Absorberanordnung längs durchströmt, jedoch in zwei getrennten Strömen, einmal mit der Eingangstemperatur TE und einmal mit der Ausgangstermperatur TA , wie dies durch die Strömungspfeile in der Figur symbolisiert ist. Ferner ergibt sich, dass das Wärme transportierende Fluid während der Aufnahme von Wärme quer zur Länge der Absorberanordnung bewegt wird. In der Wärmetauscheranordnung fliesst das Fluid jedoch im Querstrom zur Länge L, mit der Folge, dass über die ganze Länge L der Absorberanordnung 20 in der Leitung 25 der Ableitungsanordnung Fluid mit der Ausgangstermperatur TA vorhanden ist. Durch dieses Querstromprinzip ergeben sich folgende Vorteile: Der Absorberraum 30 kann einmal vom Fachmann in seiner Form derart ausgelegt werden, dass bei einem gegebenen Konzentrator 2 (Figur 1) vor allem der Eingangsbereich des Absorberraums 30 von den Strahlen 4 beleuchtet wird. Im Eingangsbereich, nahe der thermischen Öffnung 35 besitzt das Fluid noch eine tiefe Temperatur nahe der Eingangstemperatur TE , mit der Folge, dass der Eingangsbereich stark gekühlt, somit dessen Wärmerückstrahlung/Reemission entsprechend gering ist. Die thermische Öffnung 35„sieht" im Hinblick auf die Rückstrahlung überwiegend den Eingangsbereich, weit weniger aber die dem Eingangsbereich gegenüberliegende (weit weg liegende, hinterste) Wand des Absorberraums 30, welche ihrerseits auf die Ausgangstermperatur TA erwärmt wird. Die in den Figuren dargestellten Absorberräume sind in dieser Hinsicht günstig ausgebildet. Hier sei angemerkt, dass es natürlich auch hier bei allen er- findungsgemässen Ausführungsformen vorteilhaft sein kann, die thermische Öffnung durch beispielsweise Glas zu verschliessen, um die Wärmerückstrahlung / Reemission zu reduzieren.
Zum anderen ist es so, dass der Fachmann durch die Gestaltung des Absorberraums (hier vor allem dessen Höhe, oder in Richtung der Strahlen 4 gesehen, dessen Tiefe) erreichen kann, dass die Wärme tauschende Fläche gross wird. Beispielsweise ist es so, dass die gesamte Innenfläche der Rohrleitungen 26 der Wärmetauscheranordnung als Wärme tauschende Fläche dient. Zwar wird durch die Strahlung 4 nur eine Seite der Rohrleitungen 26 bestrahlt, durch die Wärmeleitung im Material der Rohrleitungen 26 (beispielsweise ein gut Wärme leitendes Material wie Kupfer oder eine geeignete, bei hohen Temperaturen gut wärmeleitende Legierung) erwärmen sich die Rohrleitungen 26 jedoch nahezu gleichmässig rundum, so dass die Wärme tauschende Fläche entsprechend gross ist. Eine grosse Wärme tauschende Fläche dient dem effizienten Wärmeübergang zum Wärme transportierenden Fluid, so dass eine lokale Überhitzung der Wärme tauschenden Fläche weitgehend vermieden werden kann. Hier sei angemerkt, dass nach der Erkenntnis der Anmelderin in konventionellen Absorberrohren im Endbereich (Bereich hoher Temperatur des Fluids) die von der Strahlung erwärmten Wände oft stark überhitzen, mit der Folge, dass die Rückstrahlung/ eemission massiv erhöht ist. Der Grund dafür liegt im Längsstrom des zu erwärmenden Fluids, das im Hochtemperaturbereich des konventionellen Absorberrohrs die Wärme tauschenden Wände bereits selbst stark erhitzt ist, deshalb während der kurzen Zeit, in der es den Endbereich durchströmt, dessen Wände nicht mehr genügend kühlen kann. (Eine Erhöhung des Massenstroms ist nicht möglich, da dieser bei gegebenem Wärmeeintrag durch die reflektierte Strahlung 4 seine Solltemperatur TA erreichen muss; würde der Massenstrom erhöht, könnte diese Temperatur nicht mehr erreicht werden).
Im Ergebnis ist es so, dass bei der erfindungsgemässen Absorberanordnung zwar über deren Länge L eine der Ausgangstermperatur TA entsprechende Wärmerückstrahlung/Reemission durch die thermische Öffnung 35 herrscht. Da jedoch durch das Querstromprinzip kaum oder nur wenig Überhitzung auftritt, sind die Energieverluste in der erfindungsgemässen Absorberanordnung über alles gesehen geringer als im konventionellen Absorberrohr. Entsprechend kann die Absorberanordnung in fast beliebiger Länge L ausgeführt werden, ohne dass dies im Hinblick auf die Wärmeabstrahlung negative Konsequenzen hätte. Zudem wird im Vergleich mit einem konventionellen Absorberrohr auch die der Ausgangstermperatur TA entsprechende Wärmerückstrahlung gesenkt, da durch die Geometrie des Absorberraums relevante Teile der Wärme rückstrahlenden bzw. die Wärme reemittierenden Wände kühl gehalten sind.
Es folgt, dass erfindungsgemäss die relevanten, weil nahe der thermischen Öffnung gelegenen Wandbereiche des Absorberraums kühler bleiben und eine Überhitzung der Wärme tauschenden Flächen wesentlich reduziert ist gegenüber einem konventionellen Absorberrohr.
An dieser Stelle sei noch angefügt, dass mit dem Begriff "thermische Öffnung" je nach Bauform des Absorberrohrs eine physische Öffnung zum Absorberraum gemäss Figur 2 bezeichnet wer- den kann. Der Begriff "thermische Öffnung" umfasst aber auch bei anderen Bauformen des Absorberraums einen physisch geschlossenen Bereich, der für den Wärmedurchgang der konzentrierten Sonnenstrahlung konstruiert ist, wobei beispielsweise durch geeignete Beschichtun- gen am Ort der Wärmeeinstrahlung eine Rückstrahlung der Wärme vermindert werden kann. Dem Fachmann sind solche Konstruktionen bekannt. Dennoch ist es notwendigerweise so, dass am Ort der thermischen Öffnung letztlich keine gute Isolation erzielbar ist, also die entsprechenden relevanten Wärmeverluste durch Wärmerückstrahlung / Reeimssion hingenommen werden müssen.
Weiter sei angefügt, dass die erfindungsgemässe Absorberanordnung in einem Rinnenkollektor erst in einem kurzen Abstand von dessen Rand eingesetzt werden kann, beispielsweise nach dem das Fluid eine Temperatur von 100° C oder etwas mehr erreicht hat. Eine über die ganze Länge des Rinnenkollektors sich erstreckende Absorberanordnung gemäss der vorliegenden Er- findung wird jedoch bevorzugt.
Hier sei erwähnt, dass die Rohrleitungen 26 der erfindungsgemässen Wärmetauscheranordnung 29 die Wände des Absorberraums 30 wenigstens teilweise ersetzen können, mit dem Vorteil, dass dadurch die Rohrleitungen 26 direkt bestrahlt sind, also der Wärmeübergang zum Wärme transportierenden Fluid nur minimal behindert ist. Erfindungsgemäss ist es ebenfalls, wenigstens Abschnitte der Wand des mindestens einen Absorberraums durch den Wärmetauscher bzw. dessen Rohrleitungen gebildet werden. Weiter ist es auch erfindungsgemäss, dass der Wärmetauscher neben einander liegende Leitungsabschnitte für das Fluid aufweist, die mindestens einen Wandabschnitt für den mindestens einen Absorberraum bilden.
Bei der in der Figur 3 dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise der Absorberraum durch Leitungen 42 der Wärmetauscheranordnung gebildet werden, da diese in an einander liegenden Windungen verlaufen und so das Innere des Absorberraums vorzugsweise vollständig umhüllen.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Absorberanordnung 40 gemäss der vorliegenden Erfindung, welche grundsätzlich derjenigen von Figur 2 entspricht, mit Ausnahme der Ausbildung der Wärmetauscheranordnung 41, deren als Rohrleitungen 42 ausgebildete Leitungen hier in kleine Schlingen gelegt, also jeweils länger ausgebildet sind. Trotz diesen in Längsrich- tung laufenden Schlingen durchfliesst das Wärme tauschende Fluid die Wärmetauscheranordnung 41 im Querstrom gegenüber der Längsrichtung L. Das Rohr 24 (Figur 2) ist in der Figur 3 weggelassen, um die Sicht auf die Rohrleitungen 42 zu ermöglichen. Längere Rohrleitungen 42 besitzen den Vorteil, dass die Wärme tauschende Oberfläche für den durchfliessenden Teilstrom des Fluids vergrössert, aber den Nachteil, dass der Druckabfall in der Rohrleitung 42 grösser ist. Der Fachmann kann im konkreten Fall die strömungs- und thermody- namische Auslegung der Rohrleitungen 42 geeignet bestimmen. Grundsätzlich ist jede geeigne- te Führung des Wärme transportierenden Fluids durch die Wärmetauscheranordnung erfin- dungsgemäss, solange dieses in seiner Hauptrichtung quer zur Länge L durch die Wärmetauscheranordnung hindurch gelangt, derart, dass sich das Fluid im Betrieb im Querstrom von einer Eingangstemperatur auf die Betriebstemperatur erwärmt und unter dieser die Ableitungsanordnung erreicht. Ebenfalls ist generell jede geeignete Ausbildung von Leitungen in der erfin- dungsgemässen Wärmetauscheranordnung erfindungsgemäss, die dem erfindungsgemässen Durchfluss des Fluids dient.
Die kleinen Strömungspfeile 44 zeigen die Strömungsrichtung des Wärme transportierenden Fluids an.
Figur 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Absorberanordnung 50 gemäss der vorliegenden Erfindung, welche grundsätzlich derjenigen von Figur 2 entspricht, wiederum mit Ausnahme der Wärmetauscheranordnung 51, deren hier als Rohrleitungen 52 ausgebildete Leitungen in Wendeln 53 gelegt sind, also jeweils noch länger ausgebildet sind. Die Wendeln 53 sind in der Figur nur schematisch angedeutet und in Figur 5 im Detail dargestellt.
Die aus den Rohrleitungen 52 gebildeten Wendeln 53 sind gegen unten offen und bilden dadurch Absorberräume 54, da durch sie ein Raumabschnitt umschlossen ist. Dadurch vergrössert sich die Wärme tauschende Oberfläche für diesen Raumabschnitt und damit auch über die Länge der Absorberanordnung 50 erheblich, mit den Vorteilen, wie sie oben zu Figur 1 erwähnt sind. Die unten offenen Bereiche der Wendeln 53 bilden thermische Öffnungen 59.
Die Absorberräume 54 liegen durch die gezeigte Anordnung der Wendeln 53 in einer Reihe 55. Auch in Figur 4 ist die Rohrleitung 24 zur Entlastung der Figur weggelassen, so dass die Sicht auf die Wendeln 53 frei wird. Es ergibt sich, dass die Absorberanordnung 50 bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform derart ausgebildet ist, dass die Zuleitungsanordnung und die Ableitungsanordnung ein Zu- leitungsrohr 23,24 und ein Ableitungsrohr 25 aufweisen, wobei die Rohre 23,24,25 parallel zu einander verlaufen und die hier zahlreichen, je durch eine Wendel 53 gebildeten Absorberräu- me zwischen diesen Rohren 23 bis 25 angeordnet sind und sich über die Länge der Absorberanordnung 50 erstrecken.
Figur 5 zeigt eine Ansicht einer der in Figur 4 nur schematisch angedeuteten Wendeln 53, gebildet aus den Windungen einer hier als Rohrleitung 52 ausgebildeten Leitung der erfindungsge- mässen Wärmetauscheranordnung 51. Die Wendel 53 besitzt hier eine Symmetrieachse 55 und umschliesst einen Absorberraum 54 für die einfallende Strahlung 4, wobei das unten offene Ende der Wendel 53 eine thermische Öffnung 59 bildet. Durch den Stutzen 57 der Rohrleitung 52 fliesst Wärme transportierendes Medium mit der Eingangstermperatur TE in die Wendel 53 ein, durchmesst diese und wird durch den Endabschnitt 58 der Rohrleitung 52 mit der Ausgangs- tempreratur TA in eine hier als Rohrleitung 25 ausgebildete Sammelleitung abgegeben.
Zusammen mit Figur 4 ergibt sich eine Absorberanordnung, bei der die Zuleitungsanordnung und die Ableitungsanordnung ein Zuleitungsrohr 23,24 und ein Ableitungsrohr 25 aufweisen, wobei die Rohre 23,24,25 parallel zu einander verlaufen und eine Anzahl von Absorberräumen 54 vorgesehen ist, die in mindestens einer zwischen diesen Rohren 23,24,25 verlaufenden Reihe 55 angeordnet sind, wobei sich die mindestens eine Reihe 55 über die Länge der Rohre erstreckt. Es sind also vorteilhaft generell mehrere Absorberräume (an sich beliebiger Ausführung) vorgesehen, die zwischen der Zuleitungs - und der Ableitungsanordnung parallel geschaltet sind. Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch einen Rinnenkollektor 60 mit einer erfindungsgemässen Absorberanordnung 61, wobei zwei Konzentratoren 62 und 63 vorgesehen sind, die beispielsweise gemäss der WO 2010 / 037 243 (die hier durch Referenz in die vorliegende Anmeldung einbezogen ist) ausgestaltet sind. Das Gestell des Rinnenkollektors 60 ist beispielsweise gemäss der WO 2009 / 135 330 ausgebildet.
Den zwei Konzentratoren 62,63 entsprechend besitzt die Absorberanordnung 61 mindestens zwei Absorberräume 64 und 65, die sich über die Länge L der Absorberanordnung 61 erstrecken. Erfindungsgemäss ist es aber auch, zwei Reihen von hinter einander angeordneten Absor- berräumen vorzusehen, analog zu den Ausführungsformen gemäss den Figuren 3 bis 5, in denen in Reihen angeordnete Absorberräume dargestellt sind. An dieser Stelle sei angefügt, dass es ebenfalls erfindungsgemäss ist, bei Rinnenkollektoren mit noch mehr neben einander liegenden Konzentratoren mehr als zwei Reihen von Absorberräumen in einer Absorberanordnung vorzu- sehen.
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch die Absorberanordnung 61 von Figur 6. Dargestellt ist eine als Rohrleitung 72 ausgebildete Leitung einer Zuleitungsanordnung für Wärme transportierendes Fluid, eine hier zweireihige Wärmetauscheranordnung 74 sowie eine als Sammelleitung ausgebildete Rohrleitung 25 einer Ableitungsanordnung für das Wärme transportierende Fluid, die mit einer Isolation 70 versehen ist. Die Wärmetauscheranordnung 74 besitzt in der dargestellten Ausführungsform zwei Reihen 75 von hinter einander angeordneten Wendeln 53, wie sie in Figur 5 dargestellt sind. Das Fluid gelangt durch die Leitung 72 mit der Eingangstemperatur TE zu den Stutzen 57, dadurch in jede Wendel 53 hinein, fliesst durch diese hindurch und ver- lässt diese über die Endabschnitte 58 der Rohrleitung 52 mit der Ausgangstemperatur TA und gelangt so in die Rohrleitung 25 der Ableitungsanordnung. Dem Fachmann als Trumpets bekannte Sekundärkonzentratoren 73 laufen in geeigneter Art über die Länge L der Absorberanordnung 61 den thermischen Öffnungen 59 entlang und konzentrieren so die von den Konzentratoren 62,63 bereits in Querrichtung des Rinnenkollektors konzentrierte Strahlung ein zweites Mal in Querrichtung, was erlaubt, die Breite der thermischen Öffnungen zu reduzieren.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es erfindungsgemäss ist,
Rahmen und Strukturelemente 71 stützen die in der Figur gezeigte Anordnung und können durch den Fachmann im konkreten Fall geeignet ausgebildet werden.
Bei einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist über die Länge der Absorberanordnung eine Anzahl von hinter einander in einer Reihe liegender Absorberräumen vorgesehen, die voneinander getrennt im Abstand zu einander angeordnet sind. Solch eine Ausfüh- rungsform ist vorteilhaft, wenn die vom mindestens einen Konzentrator (Figur 1) oder von mehreren Konzentratoren 62,63 (Figur 6) reflektierte Strahlung vor der Absorberanordnung durch eine weitere Anordnung von Längskonzentratoren längs konzentriert wird, so dass an Stelle eines Brennlinienbereichs eine Anzahl Brennpunktbereiche (wobei eine oder mehrere sich längs erstreckende Reihen von Brennpunktbereichen möglich sind) mit erhöhter Konzentration vorliegen.
Erfindungsgemäss sind auch gegenüber der in Figur 5 gezeigten Wendel 53 modifizierte Wen- dein. Diese können beispielsweise statt einem runden einen elliptischen oder eckigen Absorberraum bilden, oder an der der thermischen Öffnung gegenüberliegenden Wand mit einem einfachen Deckel an Stelle der in Figur 5 gezeigten Windungen des Rohrs 52 abgeschlossen sein. (Ebenso können die Absorberräume beispielsweise durch je einen Kasten an Stelle der durch Leitungen gebildeten Räume bestehen).
Ebenfalls erfindungsgemäss sind Wendeln, deren Symmetrieachse gegenüber der thermischen Öffnung schräg liegt (und nicht senkrecht gemäss der Darstellung in Figur 5), mit dem Vorteil, dass solche Wendeln für einen Skew-Angle Bereich vorteilhaft sind. Der Skew-Angle ist als solcher dem Fachmann bekannt und bezeichnet den Winkel, unter dem die Sonne auf den auf sie ausgerichteten Konzentrator einfällt.
Zusammenfassend ist es so, dass erfindungsgemäss die Wärmetauscheranordnung und damit der mindestens eine Absorberraum vom Fachmann je nach den im konkreten Fall vorliegenden thermodynamischen Anforderungen angepasst und konstruktiv ausgestaltet werden kann, da- bei aber das Wärme tauschende Fluid im Querstrom auf Betriebstemperatur d.h. auf die Ausgangstemperatur TA erwärmt wird, so dass der Ableitungsanordnung auf deren Länge L Fluid mit der Ausgangstemperatur TA zugespiesen wird. Der Fachmann kann je nach den Anforderungen im konkreten Fall die in den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen erläuterten Merkmale kombinieren, da diese nicht an die jeweils gezeigten Ausführungsformen gebunden sind. Ebenso kann die Wärmetauscheranordnung nicht nur durch Rohrleitungen gebildet werden, sondern auch durch eine andere geeignete Konstruktion.
Schliesslich ist es auf Grund der Druckversorgung vorteilhaft, gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Zuleitungsanordnung zu segmentieren, wobei jedes Segment eine Verbindung für eine Fluidquelle aufweist. Dadurch werden Energieverluste aufgrund des Druckabfalls in einer langen Leitung vermindert.

Claims

Patentansprüche
Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) für einen Rinnenkollektor (1,60), die im Betrieb über ihre Länge von konzentrierter Strahlung (4) beaufschlagt wird, mit Mitteln zum Transport von Wärme transportierendem Fluid durch die Absorberanordnung (20,40,50,61) hindurch, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberanordnung (20,40,50,61) mindestens einen fluidfreien Absorberraum (30,54,67) für konzentrierte Strahlung (4) aufweist, der eine in sein Inneres führende thermische Öffnung (35,59,66) und Wände (36) zur Absorbtion der in ihn eingefallenen Wärme aufweist, und die Mittel zum Transport des Fluids eine Zuleitungsanordnung und eine Ableitungsanordnung aufweisen, die miteinander betriebsfähig durch eine fluiddurchflossene Wärmetauscheranordnung (29,41,51,64) verbunden sind, wobei diese sich der Länge der Absorberanordnung (20,40,50,61) entlang erstreckt, für den Durchfluss des Fluids im Querstrom zur Länge der Absorberanordnung (20,40,50,61) ausgebildet ist und mit dem mindestens einen Absorberraum (30,54,67) thermisch verbunden ist, derart, dass sich das Fluid im Betrieb im Querstrom von einer Eingangstemperatur TE auf die Betriebstemperatur TA erwärmt und unter dieser die Ableitungsanordnung erreicht.
Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei über die Länge der Absorberanordnung (20,40,50,61) eine Anzahl von hinter einander in einer Reihe liegender Absorberräume (30,54,67) vorgesehen sind, die unmittelbar an einander an- schliessen.
Langestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei über die Länge der Absorberanordnung eine Anzahl von hinter einander in einer Reihe liegender Absorberräume (30,54,67) vorgesehen sind, die voneinander getrennt im Abstand zu einander angeordnet sind.
Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei wenigstens Ab-schnitte der Wand des mindestens einen Absorberraums (54,67) durch die Wärme- tauscher-anordnung (51,64) gebildet werden.
5. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei die Wärme- tau-scheranordnung neben einander liegende Leitungsabschnitte für das Fluid aufweist, die mindestens einen Wandabschnitt für den mindestens einen Absorberraum bilden. 6. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 2 und 5, wobei ein Ab- sor-berraum durch eine Leitung (52) der Wärmetauscheranordnung (51,64) gebildet ist, die in an einander liegenden Windungen verläuft und so das Innere des Absorberraums (54,67) vorzugsweise vollständig umhüllt. 7. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei die Ableitungsanordnung eine sich über die Länge der Absorberanordnung (20,40,50,61) erstreckende Sammelleitung (25,65) für ihr über ihre Länge von der Wärmetauscheranordnung (29,41,51,64) her zugeführtes erhitztes Fluid aufweist, wobei die Sammelleitung (25,65) über die Länge bis auf die Öffnungen für die Zufuhr des erhitzten Fluids ther- misch isoliert ist.
8. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei die Zulei- tungsan-ordnung eine sich über die Länge der Absorberanordnung erstreckende Speiseleitung (23,24,62) für der Wärmetauscheranordnung über ihre Länge zuzuführendes, zu erhitzendes Fluid aufweist, wobei die Speiseleitung (23,24,62) über ihre Länge bis auf die Öffnungen für die Zufuhr des erhitzten Fluids thermisch isoliert ist.
9. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei die Zulei- tungsan-ordnung und die Ableitungsanordnung ein Zuleitungrohr (23,24,62) und ein Ab- leitungsrohr (25,75) aufweisen, wobei die Rohre (23 bis 25,62,75) parallel zu einander verlaufen und der mindestens eine Absorberraum (30,54,67) zwischen solchen Rohren (23 bis 25,62,75) angeordnet ist und sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Absorberanordnung (20,40,50,61) erstreckt. 10. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei die Zulei- tungsan-ordnung und die Ableitungsanordnung ein Zuleitungrohr (23,24,62) und ein Ableitungsrohr (25,75) aufweisen, wobei die Rohre (23 bis 25,62,75) parallel zu einander verlaufen und eine Anzahl von Absorberräumen (54,67) vorgesehen ist, die in mindes- tens einer zwischen sol-chen Rohren (23 bis 25,62,75) verlaufenden Reihe angeordnet sind, wobei sich die mindestens eine Reihe vorzugsweise über die gesamte Länge der Rohre erstreckt.
11. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei mehrere Ab- sor-berräume (54,67) vorgesehen sind, die zwischen der Zuleitungs - und der Ableitungsanordnung parallel geschaltet sind.
12. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei die Zulei- tungsan-ordnung ein Zuleitungsrohr (23,24,62) aufweist, das segmentiert ist und wobei jedes Segment eine Verbindung für eine Quelle von Wärme transportierendem Fluid aufweist.
13. Langgestreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei deren Länge grösser ist als 100 m, bevorzugt grösser ist als 150 m und besonders bevorzugt 200 m oder mehr beträgt.
14. Langgetreckte Absorberanordnung (20,40,50,61) nach Anspruch 1, wobei Sekundärkon- zentratoren vorgesehen sind, die vor dem mindestens einen Absorberraum die einfallende Strahlung in Längsrichtung der Absorberanordnung konzentriert.
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