WO2010015515A2 - Strahlungsreceiver - Google Patents

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WO2010015515A2
WO2010015515A2 PCT/EP2009/059454 EP2009059454W WO2010015515A2 WO 2010015515 A2 WO2010015515 A2 WO 2010015515A2 EP 2009059454 W EP2009059454 W EP 2009059454W WO 2010015515 A2 WO2010015515 A2 WO 2010015515A2
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radiation
inclined plane
particles
solid particles
receiver
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Reiner Buck
Lars Amsbeck
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • 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
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • F24S23/79—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors with spaced and opposed interacting reflective surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the invention relates to a radiation receiver for transmitting the energy of incident solar radiation to solid particles and a corresponding method.
  • Direct-absorbing receivers direct absorption receivers
  • DAR direct absorption receivers
  • Particle receivers containing solid particles eliminate the need for expensive heat exchangers to transfer the energy from a receiver medium such as air or water vapor to the storage material.
  • the solid particles form the storage material.
  • the energy storage integrated in the system allows the operation of continuous processes even with fluctuating solar radiation and at night.
  • the injected heat can be used for various purposes, such as gas or steam turbine processes or for chemical processes such as hydrogen production.
  • Receivers are known in which solid particles traverse a distance in free fall, in which highly concentrated radiation is introduced, which is absorbed by the particles. Such falling particle receivers work with small particles of 0.3 mm - 1 mm in diameter. These heat up as they go through the solar focus.
  • liquid salt film receivers are known in which liquid salt on the irradiated receiver side by gravity drops down and is heated.
  • the known receivers that work with solid particles have the disadvantage that the particle temperature achieved depends essentially on the radiation flux density. Therefore, it is necessary to change the mass flow of the particles to achieve a desired heat absorption.
  • a low mass flow density has the consequence that the particles are less shadowed and the individual particle is heated to the target temperature despite lower incident radiation flux density.
  • a reduction of the particle density also has the consequence that the transparency of the particle curtain increases and therefore more solar radiation is reflected from the rear wall to the environment. These losses lead to low partial load efficiencies.
  • Another disadvantage is the high susceptibility to wind. Particles are ejected from the falling curtain, especially with diagonally incoming winds.
  • the invention has for its object to provide a working with solid particles radiation receiver, which has good efficiencies even at partial load operation, and in which the susceptibility to wind is reduced.
  • the solar radiation receiver according to the present invention is defined by claim 1. Further, a method of transmitting the energy of incident radiation to solid particles according to the invention is defined by claim 12.
  • the solid particles are guided on an inclined plane on which they pass through the irradiated with concentrated solar radiation receiver track.
  • the receiver section forms an inclined plane with an inclination angle, which is generally between 20 ° and 50 °. Due to the size of the inclination of the inclined plane, the residence time of the particles in the irradiation path can be influenced.
  • the mass flow of the solid particles can be adjusted via adjustable inlet openings. At low solar irradiation, a smaller particle mass flow is supplied.
  • the optical absorption properties do not depend on the size of the mass flow.
  • the receiver has a high absorptivity even at low mass flow densities and therefore high efficiencies.
  • the mass flow can be changed by regulating or adjusting the inlet device. At low solar irradiation, a smaller particle mass flow is supplied.
  • the optical absorption properties do not depend on the size of the mass flow. The receiver shows a high absorptivity even at low mass flow densities, so that a high degree of efficiency is achieved.
  • An essential aspect of the invention consists in influencing the residence time of the particles in the radiation reception area of the receiver.
  • the efficiency of the receiver is not significantly reduced in partial load.
  • the receiver according to the invention has a low wind sensitivity. Further advantages are the simple structure and the direct coupling of the heat into the particles.
  • the inclination of the inclined plane is regulated variable.
  • the residence time of the particles and thus also the achievable at the respective radiation density temperature can be influenced.
  • the mass flow may be variable by regulating the inlet device.
  • the inclined plane may take the form of a funnel or crater. Alternatively, it may also have the shape of a cone. All these variants, which can also be combined with each other, have in common that the inclined plane is annular and surrounds a center. Another variant of the invention provides that the inclined plane is plate-shaped.
  • the invention is particularly suitable for radiation receivers which are mounted on a tower and receive solar radiation from a heliostat field of numerous arranged on the ground heliostat mirrors.
  • a secondary mirror can be provided, which distributes the incident radiation on the inclined plane.
  • the secondary mirror has on the one hand the task of concentrating the radiation on the inclined plane, or the particles sliding thereon, and on the other hand, the task of evenly distributing the radiation on the inclined plane in order to avoid local radiation peaks or sinks.
  • the invention further relates to a method of transmitting the energy of incident radiation to solid particles, characterized in that the solid particles slip over an inclined plane while being exposed to the radiation.
  • the solid particles may consist of any type of granules which is resistant to high temperatures. It can be ceramic particles or sand. Preferably, a composition is used which contains 83% Al 2 O 3 , 7% Fe 2 O 3 and the remainder SiO 2 and TiO 2 and others.
  • the particle size or grain size is preferably about 0.3 mm - 1 mm.
  • Figure 1 is a schematic representation of a funnel variant of
  • FIG. 3 is a plan view of FIG. 2,
  • FIG. 4 shows an embodiment as a combination of funnel and cone variant
  • FIG. 5 is a plan view of FIG. 4,
  • FIG. 6 shows an embodiment of the cone variant with a fixed-bed substrate
  • FIG. 7 shows a plan view of FIG. 6,
  • FIG. 9 is a plan view of FIG. 8.
  • the receiver of Figure 1 comprises a baffle 10 which forms a sliding surface for the controlled sliding of particles under the influence of gravity.
  • the guide device 10 is formed here in the manner of a funnel. It has an inclined plane SE, which extends from an upper edge 11 to a central lower drain 12. The inclination of the inclined plane is the same everywhere.
  • At the upper edge there are inlet devices distributed circumferentially, so that from each inlet device a particle flow 13 is introduced into the hopper.
  • a metering device 14 At the outlet 12 is a metering device 14, with which the particle flow can be influenced.
  • the residence time of the particles on the inclined plane can be controlled.
  • the hot particles fall into a tank 15, which forms a heat storage, from which the particles can be removed as needed.
  • a corresponding metering device may also be provided at the inlet to control the residence time and thus the irradiation time.
  • the guide device 10 and the tank 15 are surrounded in this embodiment by a jacket 16 which prevents heat radiation to the environment.
  • the entire radiation receiver is rotationally symmetrical with a vertical axis.
  • the guide device 10 Above the guide device 10 is a secondary mirror 18, which reflects the radiation 19 coming from a heliostat field, the reflected radiation 20 being distributed as evenly as possible over the inclined plane SE.
  • the secondary mirror 18 directs the incoming radiation from below onto the receiver from above. Its mirror surface is slightly curved so that it has a focusing effect.
  • the inclined plane SE is offset from the focus in the direction of the optical axis.
  • the secondary mirror can be made relatively small, with the advantage of low wind loads and low cost.
  • the slope of the inclined surface SE depends on the friction properties of the particles in combination with the guide. Generally, the slope is ⁇ 20 °. This slope angle ensures that there are always particles on the inclined surface SE.
  • the effective slope angle of the surface of the particle bed is between 20 ° and 40 °, in particular about 30 °.
  • the radiation receiver according to the invention can be referred to as a Flowing Particle Receiver, in contrast to the known Falling Particle Receiver.
  • the mass flow can be regulated without auxiliary equipment.
  • the slope - depending on the design of the receiver - increases or decreases, so that the sliding speed changes.
  • FIGS 2 and 3 show an embodiment according to the principle of craters or funnels, in which the inclined plane SE is formed by a fixed bed 25 which is arranged on a horizontal base 26 and forms a funnel with the required inclination angle. At the upper edge of the funnel is the inlet device 27 with circumferentially distributed slot-shaped inlets 28 and at the lower end is the central outlet. The cold particles 29 are fed to the sector via the inlets 28. The solid particles 30 form on the inclined plane SE a fluidized bed which slides down to the outlet 12.
  • FIG. 3 shows the trajectories of the particle flows 31 in the sectors which are each assigned to an inlet 28.
  • the inlets 28 may be independently controlled.
  • the mass flow distribution in the receiver can be adjusted zone by zone to the currently existing solar flux density distribution, so that the particle flows which converge at the outlet 12 reach their setpoint temperature. In this embodiment, the procedure is unregulated.
  • the also made of particles fixed bed 25 forms a thermal insulation.
  • the receiver has a simple structure and is easily adjustable via the individual inlets 28. It has a good cold start behavior, is depressurised, does not require hazardous materials and is used only in limited quantities Areas of expensive high-temperature materials. It has a good partial load behavior, since the optical efficiency is independent of the particle mass flow.
  • an inner conical inclined plane SEI and this surrounding outer inclined plane SE2 is provided.
  • the inclined plane SEI has a central inlet device 27a above its vertex.
  • the inclined plane SE2 has a circumferentially distributed inlet device 27 with let-in 28, as in the embodiment of Figures 2 and 3.
  • the sleeping levels SEI and SE2 meet at their lower ends.
  • slots or round holes arranged on a circle, through which the particles fall from both inclined planes.
  • Underneath is a drain ring which collects the falling particles and feeds them to a central drain 12.
  • This embodiment is also referred to as "plane" because the particle surface tends to approach a horizontal distribution.
  • the surface of this distribution is solar irradiated and then covered by trailing particles.
  • the main advantage of this variant is that the mass flow can be adjusted individually to the local solar flux density by the mass flow control on the processes.
  • FIG. 5 shows the trajectories of the flow paths 31, which run in the central area of the receiver from the inside to the outside and in the peripheral area from outside to inside.
  • FIGS. 6 and 7 show the variant "cone”.
  • the inclined plane SE is formed by a fixed bed 25 and has the shape of a cone or mountain. Above the vertex is the central inlet device 27a. On the fixed bed, a layer of particles 30 is formed, the thickness of which decreases towards the outlet 12a.
  • the drain 12a is here arranged annularly and it consists of numerous drainage slots 33, which are each associated with a sector of the inclined plane SE. The particles flow off via the outlet 12a in the radial direction.
  • FIGS 8 and 9 show an embodiment which may be referred to as a "conveyor belt".
  • the inclined plane SE here has the shape of a flat plate which forms an inclined surface, wherein the inlet device 27 is provided at the upper end and the drain 12 at the lower end.
  • the direction of flow of the particles is designated by "34".
  • a secondary mirror 18 reflects the incident radiation from below onto the oblique surface SE or the particles sliding down thereon.
  • Another embodiment (not shown) provides, instead of the inclined plane SE, at least one conveyor belt on which the particles are conveyed through the irradiation zone.
  • a conveyor belt can be arranged horizontally. It is also possible to run several conveyor belts, which are individually controllable in their speed, parallel to each other.
  • various measures can be carried out, such as the application of vibrations by vibrators or impactors, in particular to stabilize the flow of particles.
  • the change of the slope force is made by regulating the inclination angle of the inclined plane. This is relatively easy to do in a fixed bed. It is also possible to provide braking structures in the particle path.
  • Another option is that magnetic particles are used, whereby the running speed is influenced by the application of magnetic fields.

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Abstract

Ein Strahlungsreceiver zur Übertragung der Energie einfallender Solarstrahlung auf Feststoffpartikel weist eine schiefe Ebene (SE) auf, auf der die Feststoffpartikel kontrolliert von einer Einlassvorrichtung zu einem Ablauf (12) hinabgleiten. Die Strahlung eines Heliostatfeldes wird von einem Sekundärspiegel (18) auf die schiefe Ebene (SE) reflektiert. Die auf der schiefen Ebene herabgleitenden Partikel werden durch die Solarstrahlung aufgeheizt und in einen Tank (15) abgeführt. Die Partikel bilden einen Wärmespeicher, dem Wärme je nach Bedarf entzogen werden kann.

Description

Strahlunqsreceiver
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsreceiver zur Übertragung der Energie einfallender Solarstrahlung auf Feststoffpartikel sowie ein entsprechendes Verfahren.
Generell befasst sich die Erfindung mit der konzentrierenden Solartechnik (CSP = Concentrating Solar Power) unter Verwendung solarer Turmanlagen.
Es ist bekannt, Solarstrahlung, die auf ein größeres Areal fällt, mit Heliostatspiegeln auf einen Solarstrahlungsempfänger (Receiver) zu reflektieren. p _
Direkt absorbierende Receiver (DAR = Direct Absorption Receiver) besitzen den Vorteil, dass die Solarstrahlung direkt auf das zu beheizende Gut fällt. Hierdurch kann auf hochtemperaturstabile und teuere Rohre oder volumetrische Strukturen aus Metall oder Keramik verzichtet werden. Die direkte Einkopplung von Solarstrahlung in das zu erhitzende Gut ermöglicht sehr hohe solare Strahlungsflussdichten und hohe Endtemperaturen. Dadurch ist der Wirkungsgrad von DAR und daran angekoppelten Kraft-Wärmeprozessen besonders hoch. Bei Partikelreceivern, die Feststoffpartikel enthalten, entfallen teuere Wärmetauscher, um die Energie von einem Receivermedium wie Luft oder Wasserdampf an das Speichermaterial weiterzugeben. Die Feststoffpartikel bilden das Speichermaterial. Die in das System integrierte Energiespeicherung erlaubt den Betrieb kontinuierlicher Prozesse auch bei fluktuierender Solarstrahlung und bei Nacht. Die eingekoppelte Wärme kann für verschiedene Zwecke genutzt werden, beispielsweise für Gas- oder Dampfturbinenprozesse oder für chemische Prozesse, wie die Wasserstofferzeugung.
Bekannt sind Receiver, bei denen Feststoffpartikel im freien Falle eine Strecke durchlaufen, in welche hochkonzentrierte Strahlung eingeleitet wird, die von den Partikeln absorbiert wird. Solche Falling Particle Receiver arbeiten mit kleinen Partikeln von 0,3 mm - 1 mm Durchmesser. Diese erwärmen sich beim Durchlaufen des solaren Fokus.
Ferner sind Flüssigsalz-Filmreceiver bekannt, bei denen flüssiges Salz auf der bestrahlten Receiverseite durch Schwerkraft nach unten sinkt und dabei erwärmt wird.
Die bekannten Receiver, die mit Feststoffpartikeln arbeiten, haben den Nachteil, dass die erreichte Partikeltemperatur wesentlich von der Strahlungsflussdichte abhängt. Daher ist es erforderlich, zur Erzielung einer gewünschten Wärmeaufnahme den Massenstrom der Partikel zu verändern. Eine geringe Massenstromdichte hat zur Folge, dass sich die Partikel weniger abschatten und der einzelne Partikel trotz geringerer einfallender Strahlungsflussdichte bis zur Solltemperatur erhitzt wird. Eine Verringerung der Partikeldichte hat auch zur Folge, dass die Transparenz des Partikelvorhangs zunimmt und daher mehr Solarstrahlung von der Rückwand an die Umgebung reflektiert wird. Diese Verluste führen zu niedrigen Teillastwirkungsgraden. Ein weiterer Nachteil besteht in der hohen Windanfälligkeit. Vor allem bei schräg einfallenden Winden werden Partikel aus dem fallenden Vorhang ausgetragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Feststoffpartikeln arbeitenden Strahlungsreceiver zu schaffen, der auch bei Teillastbetrieb gute Wirkungsgrade hat, und bei dem die Windanfälligkeit verringert ist.
Der Solarstrahlungsreceiver nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Ferner ist ein Verfahren zur Übertragung der Energie einfallender Strahlung auf Feststoffpartikel gemäß der Erfindung durch den Patentanspruch 12 definiert.
Erfindungsgemäß werden die Feststoffpartikel auf eine schräge Ebene geführt, auf der sie die mit konzentrierter Solarstrahlung bestrahlte Receiverstrecke durchlaufen. Die Receiverstrecke bildet eine schiefe Ebene mit einem Neigungswinkel, der in der Regel zwischen 20° und 50° beträgt. Durch die Größe der Neigung der schiefen Ebene kann die Verweildauer der Partikel in der Bestrahlungsstrecke beeinflusst werden.
Der Massenstrom der Feststoffpartikel kann über regelbare Eintrittsöffnungen eingestellt werden. Bei geringen solaren Einstrahlungen wird ein kleinerer Partikel-Massenstrom zugeführt. Die optischen Absorptionseigenschaften hängen nicht von der Größe des Massenstromes ab. Damit besitzt der Receiver auch bei geringen Massenstromdichten eine hohe Absorptivität und daher hohe Wirkungsgrade. Der Massenstrom kann durch Regelung beziehungsweise Verstellung der Einlassvorrichtung verändert werden. Bei geringen solaren Einstrahlungen wird ein kleinerer Partikel-Massenstrom zugeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Konzept hängen die optischen Absorptionseigenschaften nicht von der Größe des Massenstromes ab. Der Receiver zeigt auch bei geringen Massenstromdichten eine hohe Absorptivität, so dass ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in der Beeinflussung der Aufenthaltszeit der Partikel im Strahlungsempfangsbereich des Receivers. Der Wirkungsgrad des Receivers wird in Teillast nicht wesentlich verringert. Der erfindungsgemäße Receiver hat eine geringe Windempfindlichkeit. Weitere Vorteile sind der einfache Aufbau und die direkte Einkopplung der Wärme in die Partikel.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Neigung der schiefen Ebene geregelt veränderbar ist. Auf diese Weise kann die Verweildauer der Partikel und somit auch die bei der jeweiligen Strahlungsdichte erreichbare Temperatur beeinflusst werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Massenstrom durch Regelung der Einlassvorrichtung veränderbar sein.
Die schiefe Ebene kann die Form eines Trichters oder Kraters haben. Alternativ hierzu kann sie auch die Form eines Kegels haben. All diesen Varianten, die auch miteinander kombinierbar sind, ist gemeinsam, dass die schiefe Ebene ringförmig ist und ein Zentrum umgibt. Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass die schiefe Ebene plattenförmig ist.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Strahlungsreceiver, die auf einem Turm angebracht sind und Solarstrahlung von einem Heliostatfeld aus zahlreichen am Boden angeordneten Heliostatspiegeln empfangen. Am Strahlungsreceiver kann ein Sekundärspiegel vorgesehen sein, der die einfallende Strahlung auf die schiefe Ebene verteilt. Der Sekundärspiegel hat einerseits die Aufgabe, die Strahlung auf die schiefe Ebene, beziehungsweise die darauf herabgleitenden Partikel, zu konzentrieren und andererseits die Aufgabe, die Strahlung gleichmäßig auf die schiefe Ebene zu verteilen, um örtliche Strahlungsspitzen oder -senken zu vermeiden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Übertragung der Energie einfallender Strahlung auf Feststoffpartikel, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Feststoffpartikel über eine schiefe Ebene rutschen, während sie der Strahlung ausgesetzt werden.
Die Feststoffpartikel können aus jeglicher Art von Granulat bestehen, das hochtemperaturbeständig ist. Es kann sich um Keramikpartikel oder Sand handeln. Bevorzugt wird eine Zusammensetzung verwendet, die 83% AI2O3, 7% Fe2O3 und als Rest SiO2 und TiO2 und andere enthält. Die Partikelgröße beziehungsweise Korngröße beträgt vorzugsweise etwa 0,3 mm - 1 mm.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen :
Figur 1 eine Prinzipdarstellung einer Trichter-Variante des
Strahlungsreceivers,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Trichter-Variante mit Festbett,
Figur 3 eine Draufsicht von Figur 2,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel als Kombination von Trichter- und Kegel- Variante, Figur 5 eine Draufsicht von Figur 4,
Figur 6 ein Ausführungsbeispiel der Kegel-Variante mit Festbettsubstrat,
Figur 7 eine Draufsicht von Figur 6,
Figur 8 einen plattenförmigen Receiver und
Figur 9 eine Draufsicht von Figur 8.
Der Receiver von Figur 1 weist eine Leitvorrichtung 10 auf, die eine Gleitfläche zum kontrollierten Gleiten von Partikeln unter Schwerkrafteinfluss bildet. Die Leitvorrichtung 10 ist hier nach Art eines Trichters ausgebildet. Sie weist eine schiefe Ebene SE auf, die sich von einem oberen Rand 11 bis zu einem zentralen unteren Ablauf 12 erstreckt. Die Neigung der schiefen Ebene ist an allen Stellen gleich. An dem oberen Rand befinden sich Einlassvorrichtungen, die umfangsmäßig verteilt angeordnet sind, so dass von jeder Einlassvorrichtung ein Partikelfluss 13 in den Trichter eingeleitet wird. An dem Ablauf 12 befindet sich eine Dosiervorrichtung 14, mit der der Partikelstrom beeinflusst werden kann. Dadurch kann die Verweildauer der Partikel auf der schiefen Ebene kontrolliert werden. Von der Dosiervorrichtung 14 fallen die heißen Partikel in einen Tank 15, der einen Wärmespeicher bildet, aus dem die Partikel bedarfsabhängig entnommen werden können. Alternativ hierzu kann eine entsprechende Dosiervorrichtung auch am Einlass vorgesehen sein, um die Verweildauer und damit die Bestrahlungsdauer zu kontrollieren.
Die Leitvorrichtung 10 und der Tank 15 sind bei diesem Ausführungsbeispiel von einem Mantel 16 umgeben, der eine Wärmeabstrahlung an die Umgebung verhindert. Der gesamte Strahlungsreceiver ist rotationssymmetrisch mit vertikaler Achse ausgebildet.
Über der Leitvorrichtung 10 befindet sich ein Sekundärspiegel 18, der die von einem Heliostatfeld kommende Strahlung 19 reflektiert, wobei die reflektierte Strahlung 20 auf die schiefe Ebene SE möglichst gleichmäßig verteilt wird. Der Sekundärspiegel 18 lenkt die von unten her einfallende Strahlung von oben auf den Receiver. Seine Spiegelfläche ist leicht gekrümmt, so dass er eine fokussierende Wirkung hat. Die schiefe Ebene SE ist jedoch gegenüber dem Fokus in Richtung der optischen Achse versetzt. Der Sekundärspiegel kann relativ klein gebaut werden, mit dem Vorteil geringer Windlasten und niedriger Kosten.
Die Hangneigung der Schrägfläche SE hängt ab von den Reibungseigenschaften der Partikel in Kombination mit der Leitvorrichtung. Generell beträgt die Hangneigung < 20°. Durch diese Hangneigung wird sichergestellt, dass stets Partikel auf der Schrägfläche SE liegen. Der effektive Böschungswinkel der Oberfläche der Partikelschüttung beträgt zwischen 20° und 40°, insbesondere etwa 30°.
Der erfindungsgemäße Strahlungsreceiver kann als Flowing Particle Receiver bezeichnet werden, im Gegensatz zu dem bekannten Falling Particle Receiver. Beim Flowing Particle Receiver kann der Massenstrom ohne Hilfseinrichtungen geregelt werden. Bei erhöhter Zufuhr von Partikeln nimmt die Hangsteigung - je nach Bauart des Receivers - zu oder ab, so dass die Rutschgeschwindigkeit sich verändert.
Da beim Flowing Particle Receiver keine Partikel frei herabfallen, ist die Windanfälligkeit gering. Auch die Abrasion der Partikel ist relativ niedrig, weil die Partikel nicht im Anschluss an einen freien Fall aufeinanderprallen, sondern aneinander abgleiten. Figuren 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip Krater oder Trichter, bei dem die schiefe Ebene SE von einem Festbett 25 gebildet wird, das auf einem horizontalen Boden 26 angeordnet ist und einen Trichter mit dem erforderlichen Neigungswinkel bildet. Am oberen Rand des Trichters befindet sich die Einlassvorrichtung 27 mit umfangsmäßig verteilt angeordneten schlitzförmigen Einlassen 28 und am unteren Ende befindet sich der zentrale Ablauf. Über die Einlasse 28 werden sektormäßig unterteilt die kalten Partikel 29 zugeführt. Die Feststoffpartikel 30 bilden auf der schiefen Ebene SE ein Fließbett, das zum Ablauf 12 hin hinabgleitet. Je nach Dosierung von Zu- und Ablauf können sich die Feststoffpartikel 30 am unteren Ende aufstauen und dadurch den Böschungswinkel verkleinern. Figur 3 zeigt die Trajektorien der Partikelflüsse 31 in den Sektoren, die jeweils einem Einlass 28 zugeordnet sind. Die Einlasse 28 können unabhängig voneinander gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Somit kann die Massenstromverteilung im Receiver zonenweise an die aktuell vorliegende solare Flussdichteverteilung angepasst werden, so dass die sich am Ablauf 12 vereinigenden Partikelströme ihre Solltemperatur erreichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ablauf ungeregelt.
Das ebenfalls aus Partikeln bestehende Festbett 25 bildet eine thermische Isolierung.
Aufgrund der Trichterform des Receivers trifft ein Teil der von den Partikeln ausgesandten Wärmestrahlung auf die Gegenwand beziehungsweise andere Teile der Trichterwand. Auf diese Weise können die Strahlverluste vermindert werden. Dies trägt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Receivers bei.
Der Receiver besitzt einen einfachen Aufbau und ist über die individuellen Einlasse 28 einfach regelbar. Er besitzt ein gutes Kaltstartverhalten, ist drucklos, benötigt keine gefährlichen Materialien und verwendet nur in eingeschränkten Bereichen teuere Hochtemperatur-Materialien. Er hat ein gutes Teillastverhalten, da der optische Wirkungsgrad unabhängig vom Partikel-Massenstrom ist.
Die nachstehende Tabelle 1 gibt typische Werte eines Flowing Particle Receivers vom Typ "Krater" an:
Tabelle 1
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 ist eine innere kegelförmige schiefe Ebene SEI und eine diese umgebende äußere schiefe Ebene SE2 vorgesehen. Die schiefe Ebene SEI hat eine zentrale Einlassvorrichtung 27a über ihrem Scheitelpunkt. Die schiefe Ebene SE2 hat eine umfangsmäßig verteilte Einlassvorrichtung 27 mit Einlassen 28, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 3. Die schliefen Ebenen SEI und SE2 treffen sich an ihren unteren Enden. Hier befinden sich Schlitze oder auf einem Kreis angeordnete runde Öffnungen, durch die die Partikel von beiden schiefen Ebenen herabfallen. Darunter befindet sich ein Ablaufring, der die herabfallenden Partikel sammelt und einem zentralen Ablauf 12 zuführt.
Dieses Ausführungsbeispiel wird auch als "Ebene" bezeichnet, da die Partikeloberfläche sich eher einer waagerechten Verteilung annähert. Die Oberfläche dieser Verteilung wird solarbestrahlt und dann von nachkommenden Partikeln abgedeckt. Der Hauptvorteil dieser Variante liegt darin, dass durch die Massenstromregelung an den Abläufen der Massenstrom individuell an die lokal vorliegende solare Flussdichte angepasst werden kann.
Figur 5 zeigt die Trajektorien der Fließwege 31, die im zentralen Bereich des Receivers von innen nach außen und im Umfangsbereich von außen nach innen verlaufen.
Die Figuren 6 und 7 zeigen die Variante "Kegel". Die schiefe Ebene SE wird von einem Festbett 25 gebildet und hat die Form eines Kegels oder Berges. Über dem Scheitelpunkt befindet sich die zentrale Einlassvorrichtung 27a. Auf dem Festbett bildet sich eine Schicht aus Partikeln 30 aus, deren Dicke zu dem Ablauf 12a hin abnimmt. Der Ablauf 12a ist hier ringförmig angeordnet und er besteht aus zahlreichen Ablaufschlitzen 33, die jeweils einem Sektor der schiefen Ebene SE zugeordnet sind. Die Partikel fließen über den Ablauf 12a in radialer Richtung ab.
Die Figuren 8 und 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel, das als "Förderband" bezeichnet werden kann. Die schiefe Ebene SE hat hier die Form einer ebenen Platte, die eine Schrägfläche bildet, wobei am oberen Ende die Einlassvorrichtung 27 und am unteren Ende der Ablauf 12 vorgesehen ist. Die Fließrichtung der Partikel ist mit "34" bezeichnet. Durch Unterteilung der Einlassvorrichtung 27 in mehrere Einlasse 28 kann die Dicke der Partikelschicht auf der Schrägfläche SE in Breitenrichtung variiert werden.
Ein Sekundärspiegel 18 reflektiert die von unten her einfallende Strahlung auf die Schrägfläche SE beziehungsweise die darauf hinabgleitenden Partikel.
Eine andere (nicht dargestellte) Ausführungsform sieht anstelle der schiefen Ebene SE mindestens ein Förderband vor, auf dem die Partikel durch die Bestrahlungszone hindurchgefördert werden. Ein derartiges Förderband kann horizontal angeordnet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere Förderbänder, die in ihrer Geschwindigkeit einzeln regelbar sind, parallel zueinander laufen zu lassen.
Zur zusätzlichen Regulation der Partikel-Massenströme können verschiedene Maßnahmen durchgeführt werden, wie das Aufbringen von Vibrationen durch Rüttler oder Schlagwerke, insbesondere zur Verstetigung des Partikelflusses. Die Änderung der Hangabtriebskraft erfolgt durch Regulierung des Neigungswinkels der schiefen Ebene. Dies ist bei einem Festbett relativ einfach durchführbar. Ferner besteht die Möglichkeit, im Partikelweg Bremsstrukturen vorzusehen. Eine weitere Option sieht vor, dass magnetische Partikel benutzt werden, wobei die Laufgeschwindigkeit durch Aufbringen von Magnetfeldern beeinflusst wird.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsreceiver zur Übertragung der Energie einfallender Solarstrahlung auf Feststoffpartikel (30),
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h
eine schiefe Ebene (SE), die am oberen Ende einer Einlassvorrichtung (27) für kalte Partikel und am unteren Ende einen Ablauf (12) für heiße Partikel aufweist.
2. Strahlungsreceiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der schiefen Ebene (SE) geregelt veränderbar ist.
3. Strahlungsreceiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom der Partikel durch Regelung der Einlassvorrichtung (27) oder einer Auslassvorrichtung veränderbar ist.
4. Strahlungsreceiver nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der schiefen Ebene (SE) beziehungsweise die Durchlassfähigkeit der Einlassvorrichtung (27) in Abhängigkeit von der Intensität der Strahlung und/oder der Temperatur der Partikel geregelt ist.
5. Strahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schiefe Ebene (SE) die Form eines Trichters oder Kraters hat.
6. Strahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schiefe Ebene (SE) die Form eines Kegels hat.
7. Strahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei schiefe Ebenen (SE1,SE2) vorgesehen sind, von denen die eine die andere ringförmig umgibt.
8. Strahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schiefe Ebene (SE) von einem Festbett (25), vorzugsweise bestehend aus den Feststoffpartikeln, gebildet ist.
9. Strahlungsreceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sekundärspiegel (18) vorgesehen ist, der einfallende Strahlung auf die schiefe Ebene (SE) verteilt.
10. Strahlungsreceiver nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Receiver zusammen mit dem Sekundärspiegel auf einem Turm angeordnet ist, wobei der Sekundärspiegel über dem Receiver angeordnet ist und von unten kommende Strahlung von oben auf den Receiver lenkt.
11. Strahlungsreceiver nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärspiegel (18) die einfallende Strahlung aus einem Heliostatfeld empfängt.
12. Verfahren zur Übertragung der Energie einfallender Strahlung auf Feststoffpartikel,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Feststoffpartikel (30) über eine schiefe Ebene (SE) rutschen oder die Feststoffpartikel auf einem Förderband transportiert werden, während sie der Strahlung ausgesetzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der schiefen Ebene (SE) in Abhängigkeit von der Intensität der einfallenden Strahlung und/oder der Temperatur der Feststoffpartikel geregelt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einlassvorrichtung oder eine Auslassvorrichtung - gegebenenfalls in Sektoren unterteilt - in Abhängigkeit von der Intensität der einfallenden Strahlung und/oder der Temperatur der Feststoffpartikel geregelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Solarstrahlung von zahlreichen Heliostatspiegeln auf einen die schiefe Ebene (SE) enthaltenden Strahlungsreceiver gelenkt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung von einem Sekundärspiegel (18) auf der schiefen Ebene (SE) verteilt wird.
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