CH713773A2 - Verfahren zum Betrieb eines Receivers und Receiver zur Ausführung des Verfahrens. - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Receivers (25) mit einem Erwärmungsbereich (26) für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung (29) für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich (26) hindurch, wobei im Erwärmungsbereich (26) eine Öffnung (3) für die Strahlung (4) der Sonne und ein im Pfad der einfallenden Strahlung (4) der Sonne angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber (27) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, und dass die Betriebsparameter des Receivers (25) derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während des Transports durch den Erwärmungsbereich (26) durch Absorption der Strahlung (32) des Absorbers (27) derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T 3 – T 2 ) durch Absorption vor dem Absorber (27) gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T 4 – T 2 ) durch die Absorption und Konvektion am Absorber ≥ 0,3 ist.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers und einen Receiver zur Ausführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6, sowie ein Herstellverfahren für einen Receiver nach dem Oberbegriff von Anspruch 18.

[0002] Receiver werden in Solarkraftwerken eingesetzt. Sie fangen die konzentrierte Sonnenstrahlung auf und erwärmen dadurch ein Wärme transportierendes Medium, über weiches die gewonnene Wärme in einem nachfolgenden technischen Prozess verwertet wird, sei dies über die Umwandlung in mechanische Arbeit, beispielsweise durch den Antrieb von Turbinen, für die Ausführung von Wärme benötigenden Prozessen in der Industrie oder für die Heizung, beispielsweise die Fernheizung von bewohnten Gebieten.

[0003] In Solar-Turmkraftwerken werden im Wesentlichen als Rohrbündel ausgebildete Receiver eingesetzt, die für Temperaturen bis zu 600 °C und Konzentrationen von 600 Sonnen geeignet sind. Für höhere Temperaturen werden vorwiegend räumlich ausgebildete Receiver verwendet, welche für Konzentrationen von 600 Sonnen, 1000 Sonnen oder mehr ausgelegt sind. Solche Temperaturen liegen in der Regel über 600 °C, reichen von 800 °C bis 1000 °C und darüber, und können in naher Zukunft den Bereich von 1200 °C bis 1500 °C erreichen. Solche Receiver können, allerdings in kleinerem Massstab, auch bei Dish-Konzentratoren verwendet werden. Als räumliche Receiver werden vorliegend Receiver bezeichnet, deren Abmessungen in alle drei Dimensionen vergleichbar gross sind, im Gegensatz zu rohrförmigen Receivern, die in Verbindung mit Trough- oder Rinnen-Kollektoren verwendet werden. Solche rohrförmigen Receiver besitzen eine Dimension, die Länge, die ein Vielfaches, im Bereich des Zehn- oder Hundertfachen oder mehr der Querschnittsabmessungen Breite bzw. Höhe beträgt. Receiver für Rinnenkollektoren sind nicht für die oben genannten Temperaturen ausgebildet, da der rinnenförmige Konzentrator in Bezug auf den Receiver in zwei Dimensionen konzentriert, das Feld der Heliostaten bei einem Turmkraftwerk oder ein Dish-Konzentrator jedoch in drei Dimensionen.

[0004] Solche Receiver sind dem Fachmann als volumetrische Receiver bekannt, die auch für Solar-Turmkraftwerke geeignet sind, wobei sich in solchen Receivern die geforderten Temperaturen von mehr als 500 °C, oder mehr als 1000 °C, beispielsweise bis 1200 °C erreichen lassen. Allerdings führen die hohen Betriebstemperaturen zu erheblichem konstruktivem Aufwand.

[0005] Volumetrische Receiver besitzen eine ausgedehnte (voluminöse, daher der Begriff «volumet-rischer» Reciever) Absorberstruktur, die beispielsweise aus einem voluminösen Drahtgeflecht oder einem offenporösen Keramikschaum bestehen kann. Die konzentrierte Sonnenstrahlung dringt dann in das Innere der (voluminösen) Absorberstruktur ein und wird dort absorbiert. Das Wärme transportierende Medium wie Luft oder ein geeigneter Reaktionspartner für einen nachfolgenden Reaktor wird durch die offenporöse Absorberstruktur hindurch geleitet und nimmt so mittels erzwungener Konvektion an der offenporösen Absorberstruktur Wärme auf. Die Absorberstruktur kann auch aus einer Röhrenstruktur, einer in die Tiefe gestaffelten Gitterstruktur oder einer an sich beliebigen Struktur mit grosser Oberfläche bestehen, welche den konvektiven Wärmeübergang von der Absorberstruktur zum Wärme transportierenden Medium bewirkt, wenn dieses den Absorber durchströmt.

[0006] Ein volumetrischer Receiver ist beispielsweise durch das REFOS Projekt bekannt geworden (Receiver for solarhybrid gas turbine and combined cycle Systems; R. Buck, M. Abele, J. Kun-berger, T. Denk, P. Heller and E. Lüpfert, in Journal de Physique IV France 9 (1999) ), der unten in Zusammenhang mit Fig. 1 näher beschrieben wird.

[0007] Solche Receiver weisen den Nachteil auf, dass die Absorberstruktur aufwendig herzustellen und die Durchströmung des Absorbers instabil werden kann, insbesondere auf Grund einer sich im Betrieb unerwünscht einstellenden Temperaturverteilung.

[0008] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Receiver zu schaffen.

[0009] Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.

[0010] Dadurch, dass nach dem erfindungsgemässen Verfahren das ausgewählte, Wärme transportierende Gas in den Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorptiv ist, und die Betriebsparameter derart eingestellt werden, dass ein erheblicher Teil der Wärmezunahme durch Absorption im Wärme transportierenden Gas erfolgt, lässt sich ein vereinfachtes Konzept des Receivers realisieren, da der Wärmeübergang durch Konvektion nur noch verringert erfolgt.

[0011] Dadurch, dass die Absorptionsanordnung als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet ist, vereinfacht sich die Ausbildung des Absorbers, und damit Aufbau und Betrieb des Receivers, da der Absorber nicht mehr über seine Tiefe die über die Sonnenstrahlung eingebrachte Wärme konvektiv an das Wärme transportierende Gas abgeben muss.

[0012] Bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf. Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a einen Receiver gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 1b schematisch ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Receiver von Fig. 1a,

Fig. 2 schematisch einen Receiver gemäss der vorliegenden Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 3 schematisch ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Receiver von Fig. 2,

Fig. 4 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers,

Fig. 5 schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers,

Fig. 6a und 6b Diagramme mit dem Temperaturverlauf in einem erfindungsgemässen Receiver,

Fig. 7a bis 7c Diagramme mit dem Wirkungsgrad sowie der Temperatur der absorbierenden Oberfläche in einem erfindungsgemässen Receiver

Fig. 8 die Schritte eines erfindungsgemässen Betriebsverfahrens für einen Receiver, und

Fig. 9 die Schritte eines Herstellverfahrens für einen erfindungsgemässen Receiver.

[0013] Fig. 1 a zeigt eine Versuchsanordnung für einen volumetrischen Receiver 1 gemäss dem REFOS Projekt, mit einem Erwärmungsbereich 2 für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, hier Luft, der eine als Quarzfenster ausgebildete Öffnung 3 für die Strahlung der Sonne bzw. Sonnenlicht 4 und einen im Pfad der einfallenden Strahlung 4 hinter dem Quarzfenster 3 angeordneten, diese Strahlung 4 absorbierenden Absorber 5. Eine Transportanordnung 6 für den Transport des Wärme transportierenden Mediums durch den Erwärmungsbereich 2 weist in der gezeigten Ausführungsform einen Einlass 7 auf, durch den das Medium mit einer Eintrittstemperatur Tin in den Receiver 1 gelangt und einen Auslass 8, durch den es diesen mit der Austrittstemperatur Tout verlässt.

[0014] Über randseitige Kanäle 9 der Transportanordnung 6 wird die Luft mit der Eintrittstemperatur Temperatur Tin zur Stirnseite des Receivers 1 geleitet, wo sie durch geeignet ausgebildete Öffnungen 10 in einen vor dem Absorber 5 gelegenen Verteilungsraum 11 gelangt, sich verteilt, danach den Absorber 5 durchströmt, durch diesen dabei konvektiv erhitzt wird, und schliesslich mit der Temperatur Tout in einen Sammelraum 13 und von dort in den Auslass 8 gelangt, durch welchen sie den Receiver 1 verlässt. Das Quartzfenster 3 ist gegen innen gewölbt, sodass der Receiver 1 mit erhöhtem Druck betrieben werden kann, damit die erwärmte Luft unter Druck einem nachgeschalteten Verbraucher zugeführt werden kann, beispielsweise einer Turbine.

[0015] Der als volumetrischer Absorber aufgebaute, raumsparend der Kontur des Quartzfensters 3 nachgeführte Absorber 5 weist eine Anzahl Schichten eines feinen Drahtgeflechts auf, in welche das Sonnenlicht 4 tief eindringen kann, sodass sich der Absorber 5 über seine ganze Tiefe erwärmt und damit die durch ihn durchströmende Luft konvektiv auf Tout erwärmt. Wie oben erwähnt, kann ein konventioneller Absorber in anderen Ausführungsformen aus einem offenporösen Keramikschaum oder einer anderen Anordnung mit im Vergleich zum im Absorber sich befindenden Luftvolumen sehr grosser Oberfläche gebildet werden, um den erforderlichen konvektiven Wärmeübergang zu erzielen.

[0016] Eine Isolation 12 umgibt den Receiver 1, an welchen vor seiner optischen Öffnung 3 ein zur Entlastung der Figur weggelassener Sekundärkonzentrator angeschlossen ist, der den Fluss der Sonnenstrahlung 4 zum Quarzfenster 3 konzentriert. Zur Entlastung der Figur ist weiter eine Steuerung für den Receiver 1 und die Transportanordnung 6 weggelassen, über welche der Betrieb des Receivers 1 bzw. die Zu- und Abfuhr von Luft geeignet geregelt wird, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Durch einen Receiver in der Art des gezeigten REFOS Receiver lässt sich eine Austrittstemperatur Tout von 800 °C, mit einem keramischen Absorber von 1000 °C erreichen.

[0017] Fig. 1b zeigt ein Diagramm 15 mit einer Temperaturkurve 16, die in Verbindung mit Fig. 1a schematisch den Temperaturverlauf der durch den Receiver 1 strömenden Luft zeigt. Im Abschnitt A vom Einlass 7 bis zum Ende der randseitigen Kanäle 9 erfolgt eine geringe konvektive Erwärmung der Luft von Tin auf T-ι (Teil 17 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt B, während dem Durchgang der Luft durch die Öffnungen 10 im Absorber 5 erfolgt eine erste, relevante und konvektive Erwärmung von T-ι auf T2 (Teil 18 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt C, d.h. im Verteilungsraum 11, erwärmt sich die Luft absorptiv, aber nur wenig, da Luft als Gasgemisch beispielsweise eine geringe Menge C02 (oder ein anderes Gas) enthält, das im Infrarotbereich absorbiert, sonst jedoch für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchsichtig ist (Teil 19 der Temperaturkurve 16). Schliesslich durchströmt die Luft im Abschnitt D den Absorber 5, wo sie konvektiv auf die Temperatur T4 erwärmt wird, die der Austrittstemperatur Tout entspricht (Teil 20 der Temperaturkurve 16). Im Abschnitt E gelangt die Luft durch den Sammelraum 13 in den Auslass 8, wobei sich wiederum eine geringe absorptive Temperaturerhöhung durch den infrarot absorbierenden Gasbestandteil ergibt. Der Temperatursprung von Tin auf Tout ist im Wesentlichen konvektiv bedingt.

[0018] Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen, als räumlichen Receiver ausgebildeten Receiver 25, mit einem Erwärmungsbereich 26, der eine Öffnung 3 für die Strahlung der Sonne, beispielsweise ein Quarzfenster, und einen hier plattenförmigen Absorber 27 aufweist, wobei zwischen dem Quarzfenster 3 und dem Absorber 27 ein Absorptionsraum 28 vorgesehen ist, der vom Wärme transportierenden Medium den eingezeichneten Pfeilen entsprechend von rechts nach links, d.h. gegen den Absorber 27, durchströmt wird. Dazu weist die Transporteinrichtung 29 um das Quarzfenster 3 herum angeordnete Einlassstutzen 30 für Wärme transportierendes Medium auf, die in den Absorptionsraum 28 führen, und einen zentralen Auslassstutzen 31 hinter dem Absorber 27. Zur Entlastung der Figur ist hier wie auch in den folgenden Figuren die Isolation des Receivers weggelassen.

[0019] Der Absorber 27 isterfindungsgemäss als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung ausgebildet, d.h. er besitzt eine im Pfad des einfallenden Sonnenlichts bzw. der einfallenden Sonnenstrahlung 4 angeordnete, diese Strahlung absorbierende Oberfläche 27', die derart ausgebildet ist, dass er sich auf Grund der auf die Oberfläche 27' einfallenden Sonnenstrahlung 4 betriebsfähig erhitzt und dann über seine Oberfläche 27' entsprechend Infrarotstrahlung in den Absorberraum 28 abgibt.

[0020] Damit gibt der Absorber 27 seine Wärmeleistung zu einem wesentlichen Teil in Form von Infrarotstrahlung in den Absorberraum 28 ab, wo das auf ihn zuströmende Wärme transportierende Medium sich im Hinblick auf Tout schon weitgehend oder überwiegend absorptiv erhitzt, bevor es ihn erreicht.

[0021] Eine reale Struktur strahlt nur annähernd so, wie dies der ideale schwarze Körper tut. Vorliegend wird unter einer «Schwarzkörper-Strahlungsanordnung» verstanden, dass die einfallende Sonnenstrahlung 4 zu einem möglichst grossen Teil an der Oberfläche des Absorbers absorbiert wird (also grundsätzlich nur wenig in den Absorber eindringt, im Gegensatz zu den bekannten volumetrischen Absorbern), sodass diese Oberfläche sich hoch erhitzt und dadurch in der Art eines schwarzen Körpers mit der betreffenden, hohen Temperatur in den Absorberraum 28, mit gegenüber der Sonnenstrahlung anderem Frequenzspektrum, strahlt. Der überwiegende Anteil der in den Absorberraum 28 abgegebenen Schwarzköper-Strahlung liegt bei Temperaturen des Absorbers 27 bis 2000 °K (oder auch darüber) im Infrarotbereich, d.h. wie erwähnt, in gegenüber dem sichtbaren Licht tieferen Frequenzen.

[0022] Mit anderen Worten ist es so, dass der erfindungsgemässe Absorber ausgebildet ist, soweit über seine Schwarzkörper-Strahlung gekühlt zu werden, dass sich das Verhältnis χ erreichen lässt (s. dazu die Beschreibung unten).

[0023] Eine aufwendige, insbesondere für volumetrische Receiver vorgesehene, in die Tiefe gestaffelte Absorberstruktur, die über ihre Tiefe einfallende Solar-Strahlung bzw. Strahlung der Sonne entsprechend auch über ihre Tiefe absorbiert, indem diese im Inneren wenigstens teilweise gestreut und nach mehrfacher Reflektion zunehmend absorbiert wird, entfällt somit. Damit entfallen auch die häufig bei solchen Absorberstrukturen auftretenden, komplexen thermischen Probleme.

[0024] Damit ist der Absorber 27 weiter bevorzugt konvektionsarm ausgebildet, d.h. beispielsweise leicht durchströmbar, ohne dass erhöhte konvektive Eigenschaften für den Wärmetausch von Wichtigkeit sind. Es entfällt damit auch die Ausbildung für maximierte Konvektion des durchströmenden Mediums, d.h. die für einen möglichst effizienten Wärmetauscher notwendige Struktur mit im Vergleich zum durchströmenden Volumen des Wärme tauschenden Mediums grosser Oberfläche, welche bei hoher Effizienz aufwendig und damit kostenintensiv herzustellen ist und im Betrieb einen erheblichen Druckabfall des durchströmenden Mediums zur Folge hat, was wiederum für den Wirkungsgrad des entsprechenden Receivers nachteilig ist.

[0025] An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein gewisser konvektiver Wärmeübergang am Absorber 27 durch Berührung mit dem Wärme tauschenden Medium natürlich unvermeidlich ist, insbesondere bei der gezeigten Ausführungsform von Fig. 2, da dieser dort einen Wandabschnitt des Absorptionsraums 28 bildet. Der entsprechende konvektive Wärmeübergang an das Wärme transportierende Gas ist an sich, wie jeder Wärmeübergang, durchaus auch willkommen-jedoch soll die Auslasstemperatur Tout zu einem wesentlichen bzw. überwiegenden Teil (s. dazu unten) auf Absorption basieren und so einen vereinfachten Aufbau des Receivers 25 ermöglichen. Der vereinfachte Aufbau des Absorbers 27 eröffnet unter anderem, wie oben erwähnt, die Möglichkeit für eine kostengünstige Herstellung (low-cost Receiver für hohe Temperaturen) und auch einen stabileren Betrieb beispielsweise in thermischer Hinsicht (Temperaturverteilung über dem Absorber 27), was zu einer verbesserten Industrietauglichkeit des Receivers führt.

[0026] Erfindungsgemäss ergibt sich ein Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine Öffnung für die Strahlung der Sonne, und einen im Pfad des einfallenden Strahlung der Sonne angeordneten, diese absorbierenden Absorber aufweist, mit einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei ausserhalb des Absorbers ein Absorptionsraum für die Erwärmung des Wärme transportierenden Mediums vorgesehen ist und der Absorber als konvektionsarme Schwarzkörper-Strahlungsanordnung und die Transportanordnung für den Transport eines Gases als Wärme transportierendes Medium ausgebildet ist.

[0027] Bevorzugt ist dabei der als konvektionsarme Schwarzkörper-Strahlungsanordnung ausgebildete Absorber für die Durchströmung des Wärme transportierenden Gases ausgebildet und liegt weiter bevorzugt der optischen Öffnung 3 gegenüber.

[0028] Bevorzugt ist weiter, wie Fig. 2 zeigt, der Absorberraum 28 zwischen der Öffnung 3 für die Strahlung der Sonne und dem Absorber 27 vorgesehen, wobei das Verhältnis χ das Verhältnis ist von der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers 27 in diesem Absorberraum 28 zu der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber 27, nach dem das Gas diesen passiert hat. Das Gas hat den Absorber 27 dann passiert, wenn es entweder durch den Absorber 27 gerade hindurchgetreten ist und so den Sammelraum 33 erreicht, oder wenn es am Ort des Absorbers 27 gerade seitlich entnommen worden ist (beispielsweise durch Öffnungen 92'" oder 93'" nach Fig. 5), wobei natürlich in einer konkreten Ausführungsform beide Möglichkeiten gleichzeitig vorgesehen werden können.

[0029] In einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform ist der Sammelraum 33, der sich auf der Rückseite des Absorbers 27 befindet, als weiterer Absorberraum ausgebildet. Im Fall eines wenigstens teilweise gasdichten Absorbers (s. unten) wird Gas um den Absorber herum zu einer Rückseite des Absorbers und dann von dieser weggeführt.

[0030] Dann durchströmt das bereits absorptiv und konvektiv erwärmte, Wärme transportierende Gas diesen weiteren Absorberraum und erwärmt sich zusätzlich, absorptiv und konvektiv, bevorzugt erfindungsgemäss mit einem Temperaturverhältnis χ > 0,3. Dies erlaubt letztlich, die strahlende Oberfläche 27' zu vergrössern und so den absorptiven Wärmeübergang zu optimieren.

[0031] Damit weist der Erwärmungsbereich zwei Absorberräume mit einem gemeinsamen Absorber auf, wobei das Verhältnis χ für einen oder für beide der Absorberräume vorgesehen wird.

[0032] Als Wärme transportierendes Medium wird erfindungsgemäss weiter ein Infrarotabsorbierendes Gas oder Gasgemisch verwendet, das in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbiert. Solche Gase sind beispielsweise heteropolare Gase, bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02, oder ein Gemisch davon, wie ein Gemisch aus Wasserdampf und C02. Bei der Verwendung solcher Gase ergibt sich letztlich ein durch den Receiver 25 nutzbarer bzw. genutzter Treibhauseffekt, da diese Gase für das sichtbare Licht hoch durchsichtig sind, das damit den Absorber 27 im Wesentlichen erreicht, aber für die Infrarotstrahlung des Absorbers wenig bis kaum durchsichtig sind, sodass sie sich also vor dem Absorber 27 absorptiv betreffend Tout in erheblichem oder überwiegenden Mass erwärmen. Es sei hier angemerkt, dass reale Gase sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung nicht gleichmässig über alle Frequenzen absorbieren oder für diese durchsichtig sind, sondern vor allem in für ein jeweiliges Gas spezifischen Frequenzbändern unterschiedlich stark. Zusätzlich fällt die Absorption mit dem Abstand von der Strahlungsquelle ab. Dadurch wird oben im Hinblick auf die Absorption bzw. Durchsichtigkeit von Strahlung von «hoch durchsichtig» bzw. von «wenig bis kaum durchsichtig» gesprochen.

[0033] Der erfindungsgemässe Absorber kann als Lochplatte, bevorzugt als doppelte Lochplatte oder als einfache, flächige Gitterstruktur ausgebildet sein. Im Fall der Lochplatte wird ein Lochmuster über deren Ausdehnung verteilt, sodass das Wärme transportierende Gas leicht durchströmen kann, aber genügend bzw. möglichst viel der Oberfläche der Lochplatte für die Absorption der einfallenden Sonnenstrahlung und der Infrarot-Rückstrahlung in den Absorberraum gegeben ist. Zusätzlich kann das Lochmuster für leichte Durchströmbarkeit ausgelegt werden, da die Notwendigkeit der Konvektion entfällt, und verminderter Strömungswiderstand vorteilhaft ist. Der Fachmann kann das Lochmuster im konkreten Fall leicht optimal bestimmen. Ebenso für den Fall einer Gitterstruktur oder doppelten Lochplatte mit zwei zu einander parallelen Platten, wobei dann die Löcher der einen Platte gegenüber denjenigen der anderen Platte gegeneinander versetzt angeordnet werden, derart, dass trotz konvektionsarmem Durchgang des Wärme tauschenden Gases dem Absorptionsraum eine möglichst durchgehende, strahlende Fläche des Absorbers zugewendet ist. In diesem Fall wird das Gas durch den Absorber hindurch geführt. Alternativ kann auch der Absorber gasdicht ausgebildet werden, wobei dann das Gas wie beispielsweise in Fig. 5 gezeigt, seitlich aus dem Absorberraum 26 ausströmt. Dann wird das Gas am Absorber vorbei geführt. Der Fachmann kann im konkreten Fall eine Mischform vorsehen, sodass ein Teil des Gases durch den Absorber hindurch fliesst und ein Teil an ihm vorbei fliesst. Der Absorber weist dann wenigstens teilweise eine gasdichte Oberfläche auf und ist bevorzugt plattenförmig, ausgebildet (eine vollständig gasdichte Oberfläche liegt vor, wenn das Gas am Absorber vorbeigeführt wird).

[0034] Ein geeigneter Werkstoff für den Absorber weist sowohl einen hohen Absorptionsgrad von Solarstrahlung als auch eine hohe Emissivität von Infrarotstrahlung auf, welche - falls nötig - mit geeigneter Texturierung der Oberfläche 27' wie zum Beispiel V-grooves, in die Oberfläche hinein- oder herausragende Pyramiden, oder anderen Strahlungsfallen zusätzlich erhöht werden können. Zudem werden hohe Temperatur(wechsel)- und Korrosionsbeständigkeit (z.B. gegen Oxidation durch Wasserdampf oder C02 bei hohen Temperaturen) vorausgesetzt. Geeignete Werkstoffe sind Siliziumcarbid (SiC), Cerdioxid (Ce02) und Oxide wie z.B. Aluminiumoxid (Al203) oder Zirconiumdioxid (Zr02), die zur Steigerung des Absorptions- und Emissionsgrades mit geeigneten Elementen dotiert werden können.

[0035] Fig. 3 zeigt ein Diagramm 40 mit einer Temperaturkurve 41, die in Verbindung mit Fig. 2 schematisch den Temperaturverlauf des durch den Receiver 25 strömenden Gases zeigt.

[0036] Im Abschnitt F ist durch den Teil 42 der Temperaturkurve die Erwärmung des infrarot absorbierenden, Wärme transportierenden Gases von Tin auf dargestellt, für den Fall, dass bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des Receivers 25 das infrarot absorbierende Gas wie beim Receiver 1 die Luft (Fig. 1) ebenfalls dem Absorptionsraum 28 entlang zur Stirnseite transportiert werden soll (was jedoch nicht zwingend ist). Im Abschnitt G erfolgt eine geringe konvektive Erwärmung der Luft von T-, auf T2 (Teil 43 der Temperaturkurve 41) aufgrund des Durchgangs des Gases durch die Einlassstutzen 30.

[0037] Im Abschnitt H fliesst das infrarot absorbierende Gas durch den Absorberraum 28 und erwärmt sich absorptiv durch die Infrarotstrahlung 32 des Absorbers 27 von T2 auf T3 (Teil 44 der Temperaturkurve 41) bevor sie in Abschnitt I durch diesen hindurchströmt und sich dabei konvektiv von T3 auf T4 erwärmt (Teil 45 der Temperaturkurve 41). Schliesslich erfolgt eine weitere absorptive Erwärmung des infrarot absorbierenden Gases im Abschnitt K von T4 auf die Austrittstemperatur Tout (Teil 46 der Temperaturkurve 41 ) während sich das Gas im Sammelraum 33 befindet und gegen den Auslassstutzen 31 strömt. Der Temperatursprung von Tin auf Tout ist erfindungsgemäss zu einem grossen bzw. überwiegenden Teil absorptiv bedingt.

[0038] Es ergibt sich aus der Darstellung der Fig. 2 und 3, dass die Transportanordnung des Receivers bevorzugt einen Absorptionsraum 28 in Strömungsrichtung vor und einen weiteren (hier als Sammelraum 33 ausgebildeten) Absorptionsraum in Strömungsrichtung hinter dem Absorber 27 aufweist.

[0039] Der Fachmann legt im konkreten Fall die Betriebsparameter fest, in der Regel ausgehend von der gewünschten oder notwendigen Austrittstemperatur Tout und der durch die Verwendung der Wärme aus dem Receiver gegebenen Eintrittstemperatur Tjn. Weiter wählt er das im konkreten Fall geeignete infrarot absorbierende Gas bzw. Gasgemisch und legt die Strömungsgeschwindigkeit im Absorberraum 28 fest (die wiederum von der aktuellen Sonneneinstrahlung abhängig sein kann). Solche und weitere sich im konkreten Fall ergebende Betriebsparameter können voneinander abhängen, mit der Folge, dass die absorptive Erhöhung der Temperatur von T2 auf T3 in Abschnitt H von Fig. 3, d.h. im Absorberraum 28, im konkreten Fall je nach dem grösser oder kleiner ausfällt.

[0040] Die Anmelderin hat gefunden, dass sich die erfindungsgemässen Vorteile bereits bei einem Verhältnis χ von > 0,3 relevant auswirken, wobei

d.h. das Verhältnis zwischen der absorptiven und der gesamten absorptiven und konvektiven Erwärmung des Wärme transportierenden Gases angibt, wenn das Gas auf einen im Infrarotbereich strahlenden Absorber 27 zu und dann durch diesen hindurch (oder an diesem entlang zu einem Auslass) geströmt ist, d.h. diesen passiert hat. Durch geeigneten Betrieb mit den gewählten Betriebsparametern, mit anderen Worten durch geeignete Ausbildung der Steuerung des Receivers 25 kann der Fachmann im konkreten Fall den erfindungsgemässen Wert von χ > 0,3 erreichen.

[0041] Es ergibt sich, dass erfindungsgemäss als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen ist. Weiter ist erfindungsgemäss, dass ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum derart bemessen ist, dass im Betrieb das Verhältnis χ der absorptiven Temperaturzunahme (T3 - T2) eines in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes, Wärme transportierenden Gases in der Absorptionskammer gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0042] Bevorzugt strömt das Wärme tauschende Gas durch eine Absorberzone (Absorberraum 28) gegen einen Absorber (Absorber 27), wobei es in der Absorberzone absorbtiv und durch den Absorber auch konvektiv erwärmt wird. Ein Receiver kann mehrstufig aufgebaut sein, d.h. Wärme transportierendes Medium stufenweise erwärmen. Erfindungsgemäss ist dann wenigstens eine Stufe für eine absorptiv/konvektiv erfolgende Erwärmung mit dem Verhältnis χ von > 0,3 ausgebildet.

[0043] Bevorzugt weist dann der Erwärmungsbereich zwei Absorberräume auf, wobei das Verhältnis χ für einen oder für beide der Absorberräume in Vebindung mit dem Absorber vorgesehen wird.

[0044] Für einen hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Receivers ist mit bestimmend, dass die vom Absorber abgestrahlte Wärmemenge möglichst weitgehend im Absorptionsraum vom Wärme transportierenden Gas absorbiert wird (und beispielsweise nicht das Gas durchdringt und durch die Öffnung für die Sonnenstrahlung als Rückstrahlung wieder aus dem Receiver entweicht). Ein bestimmender Parameter ist hier die Absorptivität a des Wärme transportierenden Gases, die durch Versuche gemessen, aus Spektrallinienwerten von molekülspektroskopischen Datenbanken (z.B. HITEMP2010) berechnet, oder auch näherungsweise aus Emissivitätsdiagrammen nach der Regel von Hottel bestimmt werden kann. Weist unter den aktuellen Betriebsverhältnissen der Receiver eine Distanz H zwischen dem Absorber und der Öffnung derart auf, dass in diesem Raumbereich 60% oder mehr der vom Absorber abgestrahlten Wärmeleistung vom Wärme transportierenden Gas absorbiert wird, ergibt sich bereits ein guter Wirkungsgrad des Receivers, der auf Absorption der Absorberwärme ausgelegt ist. Besonders bevorzugt ist eine Höhe im genannten Raumbereich derart, dass 80% oder mehr, besonders bevorzugt 90% oder mehr der abgestrahlten Wärmeleistung des Absorbers vom Wärme transportierenden Gas absorbiert werden.

[0045] Hier sei angemerkt, dass der Absorberraum sicher eine Öffnung für die Strahlung der Sonne und einen in ihn über seine Schwarzkörper-Strahlung wirkender Absorber aufweist, wobei gemäss der Fig. 2 und 4 bevorzugt der Absorber der Öffnung gegenüberliegt. Grundsätzlich kann der Absorberraum aber auch nicht zylindrisch, sondern beliebig, beispielsweise mit einspringenden Seitenwänden ausgebildet werden, sodass die Öffnung kleiner ist als die Absorberoberfläche, was im Hinblick auf die unerwünschte Rückstrahlung vorteilhaft ist. In solch einem Fall wird durch einen Konzentrator die Strahlung in der Öffnung gebündelt und divergiert nach der Öffnung derart, dass die ganze und grössere Absorberoberfläche beleuchtet wird. Dann besitzt der Absorberraum eventuell nicht unter den einspringenden Wänden, aber unter der Öffnung eine Höhe derart, dass im betroffenen Raumbereich (wo diese Höhe vorhanden ist) eine Absorption im oben genannten Grad vorliegt.

[0046] Da die Absorptivität von der Art des Gases, von dessen Druck und von der Temperatur der strahlenden Absorberoberfläche und derjenigen des Gases selbst abhängt (Regel von Hottel) kann der Fachmann die Höhe in Abhängigkeit der die Absorption bestimmenden Parameter festlegen: wie erwähnt sind dies die Art des Gases, dessen Betriebsdruck, dessen Temperatur und die Temperatur der Absorberoberfläche im Betrieb, welche insofern einen Betriebszustand des Receivers bestimmen.

[0047] Es ergibt sich eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers, bei welchem der Absorptionsraum eine Höhe über dem Absorber so aufweist, dass in einem Betriebszustand des Receivers in diesem Raumbereich 60% oder mehr, bevorzugt 80% oder mehr, ganz besonders bevorzugt 90% oder mehr der abgestrahlten Wärmeleistung des Absorbers vom Wärme transportierenden Gas absorbiert wird.

[0048] Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers. Dargestellt ist ein Schnitt durch einen Receiver 50, der dem Receiver 25 von Fig. 2 entspricht, wobei jedoch der Absorber 51 mit seiner der optischen Öffnung 3 zugewendeten absorbierenden Oberfläche 51 ' einen in den Absorberraum 57 ragenden, bevorzugt plattenförmigen Abschnitt 54 aufweist, der sich in der Mitte des Absorberraums 57 gegen die Öffnung 3 erstreckt und der im Wesentlichen parallel zu der durch die eingezeichneten Pfeile angegebenen Strömungsrichtung des infrarot absorbierenden, Wärme tauschenden Gases ausgerichtet ist. Der Abschnitt 54 absorbiert im Wesentlichen von der absorbierenden Oberfläche 51 ' abgegebene Infrarotstrahlung, soweit diese noch nicht von dem an ihm entlang strömenden Gas absorbiert worden ist, also insbesondere Strahlung in denjenigen Frequenzbändern, für welche das Gas weniger absorptiv ist. Dadurch erwärmt er sich und stellt wiederum eine Schwarzkörper-Strahlungsanordnung dar, die im Ganzen der Temperatur des Abschnitts 54 entsprechenden Frequenzspektrum strahlt und das vorbeiströmende Wärme transportierende Gas seinerseits absorptiv erwärmt. Es ergibt sich eine verbesserte Nutzung derjenigen Frequenzen der Strahlung 55, welche vom Gas nur wenig absorbiert werden, da diese Frequenzen Wärme in den Abschnitt 54 einbringen, der dann seinerseits wiederum in allen (Infrarot-)Frequenzen strahlt. Der Abschnitt 54 stellt einen Sekundärabsorber dar.

[0049] Solch eine Anordnung kann in grösseren Dimensionen, z.B mit einem Durchmesser der Absorberoberfläche 51' von 15,96 m und einer Länge des Absorberraums 53 (Absorberoberfläche 51 ' bis optische Öffnung 3) von 15,96 m ausgeführt werden. Dann ist der Receiver 50 geeignet, den Fluss einer grossen Anzahl (oder aller) Heliostaten eines Turmkraftwerks aufzunehmen. Es ergibt sich, dass der Receiver 50 einen Absorptionsraum 57 aufweist und der Absorber 51 mit einem Abschnitt bzw. Sekundärabsorber 54 in diesen Raum hinein ragt, der bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist.

[0050] Bei einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform kann eine beispielsweise für das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts durchsichtige Glaswand (Borosilikatglas) als Sekundärabsorber vorgesehen werden, die etwa in der Mitte zwischen der Absorberoberfläche 51 ' und der optischen Öffnung 3 (Fig. 4) parallel zur Absorberoberfläche 51 ' angeordnet ist und Durchgänge, beispielsweise in der Art einer Lochplatte, für das Wärme transportierende Gas aufweist. Wiederum wird die Glaswand durch die Infrarotstrahlung der Absorberoberfläche 51 ', bzw. durch deren noch nicht vom Gas absorbierten Frequenzanteile erwärmt und strahlt selbst in der Art des schwarzen Körpers in beiden Richtungen, nämlich sowohl gegen die optische Öffnung als auch gegen den Absorber. Der Fachmann kann im konkreten Fall die Glasplatte derart auslegen, dass für den Abschnitt des Absorberraums zwischen der Glasplatte und der optischen Öffnung und der ihm zugeordneten Glasplatte und auch für den Abschnitt des Absorberraums zwischen der Glasplatte und dem Absorber mit dem ihm zugeordneten Absorber das Verhältnis χ von > 0,3 erreicht wird. Es ergibt sich erfindungsgemäss ein Receiver, der einen weiteren als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeten Sekundärabsorber in einem vor dem Absorber liegenden Absorptionsraum aufweist, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Infrarotstrahlung des Absorbers erwärmbar ist.

[0051] Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Receivers in der Art desjenigen von Fig. 2. Die Sonnenstrahlen 4 fallen durch ein Fenster aus beispielsweise Quarzglas 3 auf den Absorber 27, dessen strahlende Oberfläche 27' das im Absorptionsraum 26 durchströmende Gas erhitzt, wobei dessen Temperatur vom Fenster 3 bis zum Absorber 27 hin zunimmt. Entsprechend kann das Gas über Öffnungen 91 bis 91 '"in der zylindrischen Wand des Receivers 90 bei verschiedenen Temperaturen entnommen werden. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Wärme transportierenden Gases an, wobei die Pfeile bei den Öffnungen 91 bis 91 '" den ansteigenden Temperatur entsprechend länger eingezeichnet sind. Alternativ - oder zusammen mit den Öffnungen 91 bis 91 '" kann eine in den Absorberraum 26 hineinragende Leitung 93 für das Gas vorgesehen werden, welche dann über Öffnungen 92 bis 92'" Gas bei den am Ort der Öffnungen 92 bis 92"'herrschenden Temperaturen einspeist. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn durch den Receiver 90 ein nachgeschalteter, auf verschiedenen Temperaturstufen ablaufender Prozess mit Wärme versorgt wird. Von diesem Prozess kann dann Wärme transportierendes Gas auf ebenfalls verschiedenen Temperaturen zurück zum Receiver geführt werden, sodass weiter bevorzugt im Bereich der Öffnungen 91 bis 91'" und 92 bis 92'" weitere Zuleitungen für das Wärme transportierende Gas in den Absorberraum 26 des Receivers 90 hinein vorgesehen werden (die hier zur Entlastung der Figur weggelassen sind).

[0052] Es ergibt sich ein Receiver, bei welchem die Transportanordnung eine oder mehrere mit einem Absorberraum 26 verbundene Leitungen 91 bis 91 '" und 92 bis 92'" für Wärme transportierendes Gas aufweist, die derart angeordnet sind, dass dem Absorberraum 26 teilerwärmtes Gas entnommen und/oder teilerwärmtes Gas an einem Ort zugeführt werden kann, an welchem im Wesentlichen die Temperatur des Gases im Absorberraum 26 der Temperatur des teilerwärmten, zugeführten Gases entspricht.

[0053] Solche Zu- und Ableitungen für teilerwärmtes Gas können an einem erfindungsgemässen, absorptiven Receiver vorgesehen werden, ohne dass sein Layout, insbesondere der Absorber 27 modifiziert werden muss - ebenso können diese Leitungen benutzt oder stillgelegt werden, ohne dass es auf Grund des unterschiedlichen Wärmetransfers einer konstruktiven Modifikation bedarf.

[0054] Die Anmelderin hat gefunden, dass ein Temperaturverhältnis χ > 0,5 besonders vorteilhaft ist, wenn teilerwärmtes Gas verwendet wird, beispielsweise dann, wenn bei einer Eingangstemperatur Tin von 1000 K und einer Ausgangstemperatur Tout von 1800 K das Teilerwärmte Gas im Bereich von 1400 K, also bei der halben Temperaturdifferenz, liegt: die Temperaturschicht T = 1400 K liegt im Absorberraum 26 noch im rein absorptiven Bereich und ist entsprechend einfach erreichbar, in der Fig. 5 durch die Öffnungen 91 bis 91 " bzw. 92 bis 92".

[0055] Die Fig. 6a und 6b sowie 7a und 7b zeigen verschiedene Betriebsparameter in einem Receiver nach Fig. 2 gemäss einer mathematischen Modellierung des Receivers 25 von Fig. 2 der Anmelderin. Das System ist mit der heute genausten Methode modelliert worden, nämlich «Spectral line-by-line (LBL) photon Monte Carlo raytracing», wobei die Absorptionskoeffizienten von der HITEMP 2010 Spectroscopic Database stammen. Modelliert ist ein Receiver, dessen Absorptionsraum einen Durchmesser von 15,96 m und eine Höhe von 15,96 aufweist und die Öffnung 3 einen Durchmesser von 11,28 m aufweist. Daraus ergibt sich eine Fläche der absorbierenden Oberfläche 27' von 200 m2 und eine Fläche der Öffnung 3 von 100 m2. Als Wärme transportierendes Medium wurde Wasserdampf angenommen, bei einem Druck von 1 bar, ohne Fenster in der Öffnung 3. Der Strahlungsfluss an der Öffnung 3 beträgt 1200 kW/m2 und an der absorbierenden Oberfläche 27' 600 kW/m2 (welche gegenüber der Öffnung 3 die doppelte Fläche aufweist). Die absorbierende Oberfläche 27' wurde als strahlender schwarzer Körper, und, im Gegensatz zu Fig. 2, mit durchgehender ebener und glatter Oberfläche angenommen, sodass das Wärme transportierende Medium in der Art gemäss Fig. 5 durch Öffnungen 91 '" auf der Höhe des Absorbers 27 seitlich aus dem Absorberraum 26 weggeführt wird.

[0056] Die Fig. 6a und 6b zeigen anhand der Diagramme 60 und 65 den Temperaturverlauf im Betrieb des Receivers 20 (Fig. 2) entlang seiner Längsachse, ausgehend von der Öffnung 3: auf der vertikalen Achse ist die Temperatur in Kelvin abgetragen, auf der horizontalen Achse die Distanz von der Öffnung 3. Das Diagramm 60, Fig. 6a, zeigt einen Prozess mit einer Eingangstemperatur Tin von 1000 K und einer Ausgangstemperatur Tout von 1400 K. Das Diagramm 65, Fig. 6b, zeigt einen Prozess ebenfalls mit einer Eingangstemperatur Tin von 1000 K, jedoch einer Ausgangstemperatur Tout von 1800 K.

[0057] Wegen der sich im Betrieb erhitzenden Wänden ergibt sich eine Temperaturverteilung im Wärme transportierenden Medium (hier Wasserdampf) mit erhöhter Temperatur am Rand des Absorberraums 26, sodass an einem bestimmten Querschnitt im Absorberraum 26 am Rand (an der Wand) (Temperaturkurven 61 bzw. 66) die höchsten und in der Mitte, am Ort der Achse des zylindrischen Absorberraums 26, die tiefsten Temperaturen (Temperaturkurve 62 bzw. 67) vorliegen. Die Temperaturkurven 63 bzw. 68 zeigen die durchschnittliche Temperatur des Wasserdampfs im jeweiligen Querschnitt des Absorberraums 26.

[0058] Die Fig. 6a und 6b zeigen, nebst einem Proof-of-Concept für einen absorptiven Receiver, die mögliche Ausführung eines solchen Receivers gemäss der Fig.5.

[0059] Fig.7a zeigt ein Diagramm 70 für den Wirkungsgrad des Receivers 20 (Fig. 2). Auf der horizontalen Achse ist die Ausgangstemperatur Tout abgetragen, wobei eine konstante Eingangstemperatur Tin von 1000 K angenommen ist. Die Kurve 71 zeigt den Wirkungsgrad des Receivers 20 in Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur Tout- Die Reduktion des Wirkungsgrads gegen höhere Temperaturen Tout hin erklärt sich durch die durch die höheren Temperaturen bedingte erhöhte (Verlust)Rückstrahlung aus der Öffnung 3 hinaus - trotz der konstanten Eingangstemperatur Tin von 1000 K, da ein Anteil der Rückstrahlung aus dem Inneren des Absorberraums (mit erhöhten Temperaturen) stammt. Das Konzept des absorptiven Receivers weist demgemäss einen den konventionellen, konvektiven Receivern ebenbürtigen oder mit steigender Ausgangstemperatur Tout sogar verbesserten Wirkungsgrad auf.

[0060] Fig. 7b zeigt ein Diagramm 75 für die Temperatur der absorbierenden Oberfläche 27' in Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur Tout. Wiederum liegt eine Temperaturverteilung vor mit randseitig höheren Temperaturen und einer am Ort der Achse des zylindrischen Absorberraums 26 minimalen Temperatur: Die Kurve 76 zeigt die Temperatur am Rand der absorbierenden Oberfläche 27' und die Kurve 77 die Temperatur in deren Mitte. Die Kurve 78 zeigt deren durchschnittliche Temperatur. Die mit höherem Tout kleiner werdende Temperaturdifferenz zur absorbierenden Oberfläche 27' erklärt sich damit, dass die Energieabstrahlung des schwarzen Körpers mit der vierten Potenz seiner Temperatur steigt - mit einer relativ kleinen Temperaturerhöhung (hier um 300 K) wird das Wärme transportierende Medium massiv höher erhitzt (hier um 1000 K). Das Konzept des absorptiven Receivers besitzt deshalb erhebliche Flexibilität im Hinblick auf die vorgesehene Temperatur Tout: ein für hohe Temperaturen geeigneter Absorber kann gleichermassen für verschiedene Temperaturen Tout verwendet werden, was bei den konvektiven Absorbern des Stands der Technik nicht der Fall ist und das Konzept des apsorptiven low-cost-high-temperature Receivers unterstützt.

[0061] Die in den Fig. 6a, 6b und 7a, 7b gezeigten Verhältnisse gelten nach der verwendeten Modellierung auch für einen Receiver 20 (Fig. 2) mit kleineren Abmessungen, aber erhöhtem Druck im Wärme transportierenden Medium.

[0062] Fig. 7c zeigt ein Diagramm 80 für den Wirkungsgrad des Receivers 20 (Fig. 2), jedoch mit einem Fenster in der Öffnung 3 und für verschiedene Abmessungen. Ersichtlich ist der Wirkungsgrad für die grossen Abmessungen des Receivers 20 gemäss der Beschreibung zu den Fig. 6a, 6b und 7a, 7b, s. die Kurve 82. Weiter ersichtlich ist der Wirkungsgrad für kleine Abmessungen (Durchmesser und Höhe des Absorberraums 26 = 1,596 m, Durchmesser des Fensters in der Öffnung 3 = 1,128, entsprechend 1 m2), mit einem Druck im Wärme transportierenden Gas von 10 bar, s. die Kurve 81. Der gegenüber Fig. 7a etwas kleinere Wirkungsgrad erklärt sich durch den auf Grund des Fensters verminderten Fluss auf der absorbierenden Oberfläche von 554,4 kW/ m2 statt 600 kW/ m2.

[0063] Nach den Erkenntnissen der Anmelderin lassen sich deshalb die Abmessungen des Receivers 20 und aller er-findungsgemässen Ausführungsformen des absorptiven Receivers leicht skalieren, wobei für einen vergleichbar grossen Wirkungsgrad bzw. vergleichbaren Temperaturverhältnissen bei einer Verkleinerung der Abmessungen der Druck im gleichen Verhältnis vergrössert werden muss, hier z.B. bei einer Verkleinerung um den Faktor 10 der Druck um den Faktor 10 wächst. Jedoch ist es so, dass mit höherem Druck im Wärme transportierenden Gas der Wirkungsgrad tendenziell leicht überproportional ansteigt. In Fig. 7c sind die Verhältnisse für einen Druck von 10 bar dargestellt. Im konkreten Fall kann der Fachmann den Überdruck in einem Bereich zwischen 2 und 20 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar und ganz besonders bevorzugt, wie oben erwähnt, von 10 bar vorsehen.

[0064] Bei den simulierten Ausführungsformen gemäss den Fig. 6a bis 7c liegt χ in einem Bereich > 0,9, da die Konvektion an der ebenen und glatten absorbierenden Oberfläche sehr klein ist. Es sei angemerkt, dass Konvektion grundsätzlich den Absorber etwas kühlt, deshalb geeignet ist, die wirkungsgradvermindernden Verluste durch Rückstrahlung aus der Öffnung 3 hinaus zu senken, also den Wirkungsgrad des Receivers zu erhöhen. Allerdings führt erhöhte Konvektion zu vermehrten Druckverlusten im strömenden Gas (was wiederum den Wirkungsgrad senkt), sowie zu erhöhtem Bauaufwand des Absorbers. Im konkreten Fall kann der Fachmann das optimale Verhältnis zwischen Absorption und Konvektion, d.h. einen bestimmten Wert für

(s. die Beschreibung zu Figur 3) in einem Bereich χ > 0,3 festlegen.

[0065] Nach den Erkenntnissen der Anmelderin führt, wie erwähnt, bereits ein Wert von χ = 0,3 zu einer einfacheren Ausbildung des erfindungsgemässen Receivers, mit einem Wirkungsgrad, welcher demjenigen der bekannten, nach dem Prinzip der Konvektion ausgebildeten Receiver entspricht (oder höher liegt).

[0066] Da für möglichst intensive Schwarzkörper-Strahlung in den Absorberraum hohe Temperaturen des Absorbers, aber auch der Seitenwände des Absorberraums vorteilhaft sind, entfallen Kühlmittel aller Art, insbesondere Kühlkanäle, wie dies bei Receivern gemäss dem Stand der Technik vorgesehen ist - entweder Kühlkanäle in den Wänden, oder die Konvektion sicherstellende Kühlkanäle im Absorber. Es ergibt sich ein Receiver, bei welchem die Wände des Absorptionsraums und/oder des Absorbers frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanälen.

[0067] Bei einer weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist der Absorber gleich wie im Receiver 25 (Fig. 2) gegenüber der optischen Öffnung 3 angeordnet und bildet einen Wandbereich des Absorptionsraums 28 (Fig. 2). Im Unterschied zum Receiver 25 ist der Absorber jedoch nicht mit Durchströmöffnungen für das Wärme transportierende Medium versehen, sondern für dieses wenigstens teilweise gasdicht ausgebildet, sodass erwärmtes Gas auf der Höhe des Absorbers radial aus dem Absorptionsraum ausströmt. Dadurch vereinfacht sich die Konstruktion des Absorbers noch einmal, das Verhältnis χ kann auf einen höheren Wert als 0,3 gesteigert werden.

[0068] Der Fachmann kann durch Optimierung der Ausführungsform gemäss Fig. 2, oder durch Kombination dieser Ausführungsform mit weiteren beschriebenen Merkmalen (zusätzlicher Abschnitt 54 des Absorbers 51 nach Fig. 4, Glasplatte gemäss der in den Figuren nicht gezeigten Ausführungsform etc.) den Wert des Verhältnisses χ von > 0,3 auf > 0,4 bzw. > 0,5 oder > 0,6 oder > 0,7 oder sogar auf > 0,8 steigern.

[0069] Fig. 8 zeigt die Schritte eines Verfahrens für den Betrieb eines bevorzugt räumlichen Receivers gemäss der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 60 wird ein geeigneter Receiver ausgewählt, beispielsweise mit einer Struktur gemäss Fig. 2, der einen durch Sonnenlicht erwärmbaren Absorber aufweist, gegen den durch eine Transporteinrichtung gasförmiges, Wärme transportierendes Medium geführt wird, um es für den Wärmetransport durch den Absorber zu erwärmen.

[0070] In einem zweiten Schritt 61 wird als Wärme transportierendes Gas ein im Infrarotbereich absorbierendes Gas ausgewählt, insbesondere ein heteropolares Gas oder eines der Gase C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02 (oder auch ein Gemisch dieser Gase), um Schwarzkörperstrahlung des Absorbers durch Absorption des gegen den Absorber transportierten Gases schon vor dem Absorber zu absorbieren und so das Wärme transportierende Medium zu erwärmen.

[0071] In einem dritten Schritt 62 werden die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt, dass im Betrieb des Receivers das Verhältnis χ der Temperatursteigerung des Wärme transportierenden Mediums durch Absorption vor dem Absorber gegenüber der Temperatursteigerung durch Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0072] Im vierten Schritt 63 wird der Receiver in Betrieb gesetzt und mit dem Parameter χ > 0,3 gefahren.

[0073] Es ergibt sich ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine Öffnung für die Strahlung der Sonne und ein im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne angeordneter, diese absorbierender Absorber vorgesehen ist, und wobei als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, und die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungsbereich (zum Absorber) durch Absorption der Strahlung des Absorbers derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0074] Bevorzugt wird dabei als absorbierendes Gas ein heteropolares Gas ausgewählt, weiter bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4 oder ein Gemisch dieser Gase.

[0075] Der Fachmann kann dann das erfindungsgemässe Verfahren derart modifizieren, dass das Verhältnis χ gleich oder grösser ist als 0,4, oder 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,8.

[0076] In einer Ausführungsform kann das erfindungsgemässe Verfahren derart ausgebildet werden, dass das Gas durch den Absorber hindurch geführt wird. Alternativ kann vorgesehen werden, dass das Gas am Absorber vorbei geführt wird.

[0077] Fig. 9 zeigt die Schritte eines erfindungsgemässen Herstellverfahrens für einen Receiver, beispielsweise nach den Fig. 2 bis 4, wobei im Schritt 70 der Absorber als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet und entsprechend ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, um die Wärme auf das Wärme transportierende Gas übertragen zu können. Danach wird im Schritt 71 ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas als Wärme transportierendes Gas so zusammen mit den Abmessungen des Absorberraums vorgesehen, dass ein vorbestimmter Betriebszustand des Receivers definiert werden kann, in welchem die Temperaturzunahme des Wärme transportierenden Gases durch Absorption gegenüber der Temperaturzunahme durch Absorption und Konvektion am Absorber in einem Verhältnis χ > 0,3 liegt.

[0078] Es ergibt sich ein Herstellverfahren für einen Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine optische Öffnung für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildet und ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas derart vorgesehen und der Absorberraum derart bemessen wird, dass in einem vorbestimmten Betriebszustand des Receivers die Temperatur des den Absorptionsraum betriebsfähig durchströmenden, Wärme transportierenden Mediums durch Absorption der Infrarotstrahlung des Absorbers zunimmt, derart, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption im Absorberraum gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.

[0079] Bevorzugt wird dabei als Gas ein heteropolares Gas vorgesehen, besonders bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02 oder ein Gemisch dieser Gase.

[0080] Dabei wird weiter in einer Ausführungsform der Erfindung das Verhältnis χ gleich oder grösser als 0,4 eingestellt, bevorzugt 0,5, besonders bevorzugt 0,6, ganz bevorzugt 0,7 und am meisten bevorzugt 0,8 ist.

[0081] Schliesslich kann in einer weiteren Ausführungsform im Absorberraum ein als Schwarzkörper-Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion ausgebildeter Sekundärabsorber vorgesehen werden und weiter bevorzugt der Receiver als räumlicher Receiver konzipiert werden.

Claims (25)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Betrieb eines Receivers mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine Öffnung für die Strahlung der Sonne und ein im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne angeordneter, diese absorbierender Absorber vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas vorgesehen wird, und dass die Betriebsparameter des Receivers derart eingestellt und das Gas derart ausgewählt wird, dass seine Temperatur während dem Transport durch den Erwärmungsbereich durch Absorption der Strahlung des Absorbers derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber, > 0,3 ist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsbereich einen im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne angeordneten, zwischen der Öffnung und dem Absorber vorgesehenen Absorberraum aufweist, und wobei das Verhältnis χ das Verhältnis ist von der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers in diesem Absorberraum zu der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber, nachdem das Gas diesen passiert hat.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erwärmungsbereich zwei Absorberräume mit einem gemeinsamen Absorber aufweist, und wobei das Verhältnis χ für einen oder für beide der Absorberräume vorgesehen wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas ein heteropolares Gas ist, bevorzugt eines oder ein Gemisch der Gase C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02, besonders bevorzugt ein Gemisch mit Wasserdampf und C02.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis % gleich oder grösser ist als 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser als 0,8.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas durch den Absorber hindurch geführt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas an dem Absorber vorbei geführt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gas im Erwärmungsbereich unter Überdruck gesetzt wird, bevorzugt in einem Bereich zwischen 2 und 20 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar, ganz besonders bevorzugt 10 bar.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas um den Absorber herum zu einer Rückseite des Absorbers und dann von dieser weggeführt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sich durch Absorption der Strahlung des Absorbers erwärmende Gas aus einem Absorberraum entnommen wird, sobald es teilerwärmt ist und/oder ein teilerwärmtes Gas einem Absorberraum zugeführt wird, und wobei die Zufuhr im Absorberraum am jeweiligen Ort stattfindet, wo im Wesentlichen die Temperatur im Absorberraum der Temperatur des teilerwärmten Gases entspricht.
11. 11. Receiver zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 21, mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine Öffnung für die Strahlung der Sonne, und einen im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne angeordneten, diese absorbierenden Absorber aufweist, mit einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein Absorberraum für die Erwärmung des Wärme transportierenden Mediums vorgesehen ist und der Absorber als in den Absorberraum wirkende Strahlungsanordnung und die Transportanordnung für den Transport eines Gases als Wärme transportierendes Medium ausgebildet ist, wobei das Wärme transportierende Medium im Wesentlichen ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas ist, und der mit dem Absorber zusammenwirkende Absorberraum derart bemessen ist, dass im Betrieb das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) des in Frequenzbändern des Infrarotbereiches absorbierenden, Wärme transportierenden Gases durch Absorption im Absorberräum gegenüber der Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und die Konvektion am Absorber, > 0,3 ist.
12. 12. Receiver nach Anspruch 11, wobei ein Absorberraum zwischen der Öffnung für die Strahlung der Sonne und dem Absorber angeordnet ist, und wobei χ das Verhältnis ist von der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers in diesem Absorberraum zu der gesamten Temperaturzunahme (T4 -T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber, nach dem das Gas diesen passiert hat.
13. 13. Receiver nach Anspruch 11, wobei der Erwärmungsbereich zwei Absorberräume aufweist, denen der Absorber gemeinsam ist und wobei das Verhältnis χ für einen oder für beide der Absorberräume vorgesehen wird, wobei bevorzugt um den Absorber herum führende Verbindungskanäle die beiden Absorberräume miteinander verbinden.
14. 14. Receiver nach Anspruch 11, wobei der Absorber wenigstens teilweise eine gasdichte Oberfläche aufweist und bevorzugt plattenförmig, ausgebildet ist.
15. 15. Receiver nach Anspruch 11, wobei die Wände des Absorptionsraums und/oder der Absorber frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanälen.
16. 16. Receiver nach Anspruch 11, wobei im Betrieb das Wärme transportierende Gas ein heteropolares Gas enthält, bevorzugt eines oder mehrere der Gase C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02, und besonders bevorzugt ein Gemisch mit Wasserdampf und C02.
17. 17. Receiver nach Anspruch 11, wobei ein Sekundärabsorber in einem Absorptionsraum vorgesehen und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er durch die Infrarotstrahlung des Absorbers erwärmbar ist und im Betrieb über seine Strahlung seinerseits in den Absorberraum wirkt, wobei er bevorzugt plattenförmig ausgebildet ist und besonders bevorzugt den Absorber im Wesentlichen nicht beschattet.
18. 18. Receiver nach Anspruch 11, wobei die Transportanordnung eine oder mehrere mit einem Absorberraum verbundene Leitungen für Wärme transportierendes Gas aufweist, die derart angeordnet sind, dass dem Absorberraum teilerwärmtes Gas entnommen und/oder teilerwärmtes Gas an einem Ort zugeführt werden kann, an welchem im Wesentlichen die Temperatur des Gases im Absorberraum der Temperatur des teilerwärmten, zugeführten Gases entspricht.
19. 19. Receiver nach Anspruch 11, wobei ein Absorberraum für einen Druck des Gases in einem Bereich zwischen 2 und 20 bar, besonders bevorzugt zwischen 5 und 15 bar, ganz besonders bevorzugt 10 bar ausgelegt ist.
20. 20. Receiver nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis χ gleich oder grösser ist als 0,5 oder bevorzugt gleich oder grösser ist als 0,7, besonders bevorzugt gleich oder grösser als 0,8.
21. 21. Herstellverfahren für einen Receiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, und einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch, wobei im Erwärmungsbereich eine optische Öffnung für Sonnenlicht und ein im Pfad des einfallenden Sonnenlichts angeordneter, das Sonnenlicht absorbierender Absorber vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber als Strahlungsanordnung ausgebildet und ein mit dem Absorber zusammenwirkender Absorberraum vorgesehen wird, als Wärme transportierendes Medium ein in Frequenzbändern des Infrarotbereichs absorbierendes Gas derart vorgesehen und der Absorberraum derart bemessen wird, dass in einem vorbestimmten Betriebszustand des Receivers die Temperatur des den Absorptionsraum betriebsfähig durchströmenden, Wärme transportierenden Mediums durch Absorption der Infrarotstrahlung des Absorbers zunimmt, derart, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption im Absorberraum gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein Absorberraum im Pfad der einfallenden Strahlung der Sonne zwischen der Öffnung und dem Absorber angeordnet wird, und das Verhältnis χ als Verhältnis der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption der Strahlung des Absorbers in diesem Absorberraum zu der gesamten Temperaturzunahme (T4 -T2) durch die Absorption und Konvektion an diesem Absorber, nach dem das Gas diesen passiert hat, vorgesehen wird.
23. 23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Gas ein heteropolares Gas aufweist, bevorzugt eines oder mehrere der Gase C02, Wasserdampf, CH4, NH3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02 und besonders bevorzugt ein Gemisch mit Wasserdampf und C02.
24. 24. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Verhältnis χ gleich oder grösser ist als 0,4, bevorzugt 0,5, besonders bevorzugt 0,6, ganz bevorzugt 0,7 und am meisten bevorzugt 0,8.
25. 25. Verfahren nach Anspruch 21, wobei im Absorberraum ein als Strahlungsanordnung ausgebildeter Sekundärabsorber vorgesehen wird.