DE102011083149A1 - Radiation detector for parabolic-channel power plant, has receiver pipe comprising heat storage element for buffering temperature fluctuations of heat transfer fluid, where storage element is designed as cable that comprises core - Google Patents

Abstract

The detector has a receiver pipe (10) through which heat transfer fluid i.e. oil, flows. The receiver pipe has a heat storage element (14) for buffering temperature fluctuations of the heat transfer fluid. The storage element is designed as a cable that comprises a core (16), where the core is made from zinc-aluminum-alloy. The core is enclosed by a corrosion protection layer (18) that is made from ceramics i.e. magnesium oxide. The protection layer is arranged in an inner side of a steel casing (20), where the storage element is arranged in an inner area (12) of the detector.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. The invention relates to a radiation receiver for a solar thermal power plant according to the preamble of patent claim 1.

Solarthermische Kraftwerke konzentrieren einfallendes Sonnenlicht auf Strahlungsempfänger, in welchem die gesammelte Wärmeenergie mittels eines Transportmediums abgeleitet und letztendlich einer Dampfturbine zugeführt wird. Ein üblicher Typ von solarthermischen Kraftwerken ist das Parabolrinnenkraftwerk, bei welchem das Sonnenlicht über rinnenförmige Spiegel mit parabolischen Querschnittsprofil gebündelt wird. Als Empfänger dient ein Rohr, welches entlang der Brennlinie dieser Parabolrinnenspiegel verläuft. Solar thermal power plants concentrate incident sunlight on radiation receivers, in which the collected heat energy is dissipated by means of a transport medium and ultimately fed to a steam turbine. A common type of solar thermal power plant is the parabolic trough power plant, in which the sunlight is bundled by trough-shaped mirrors with parabolic cross-sectional profile. The receiver is a tube which runs along the focal line of these parabolic trough mirrors.

Als Wärmetransportmedium in diesem Empfängerrohr kann entweder Wasser bzw. überhitzter Dampf selbst dienen, oder aber ein Öl Anwendung finden. Bei der Verwendung von Öl muss die aufgenommene Wärmeenergie noch über einen Wärmetauscher auf Wasser bzw. Dampf übertragen werden, um letztendlich die Turbine anzutreiben. As a heat transport medium in this receiver tube can either serve water or superheated steam itself, or find an oil application. When using oil, the absorbed heat energy must still be transferred via a heat exchanger to water or steam to ultimately drive the turbine.

Da die Sonneneinstrahlung stochastischen Variationen unterliegt, benötigen solche solarthermische Kraftwerke eine thermische Pufferkapazität. Hierfür sind in der Regel große Speichertanks vorgesehen, die ein Wärmespeichermedium mit hoher spezifischer Wärmekapazität enthalten. Die aufgenommene Wärmeenergie kann aus dem Transportmedium auf das Speichermedium übertragen werden, so dass beispielsweise auch ein Nachtbetrieb des solarthermischen Kraftwerk möglich wird. Since solar radiation is subject to stochastic variations, such solar thermal power plants require a thermal buffering capacity. For this purpose, large storage tanks are usually provided, which contain a heat storage medium with high specific heat capacity. The absorbed heat energy can be transferred from the transport medium to the storage medium, so that, for example, a night operation of the solar thermal power plant is possible.

Auf Grund der hohen thermischen Masse des gesamten zirkulierenden Wärmetransferfluids und der beträchtlichen Leitungslängen in einem solarthermischen Kraftwerk sind derartige große Speichertanks jedoch nicht geeignet, kurzfristige Fluktuationen, wie sie beispielsweise durch vorbeiziehende Wolken oder dergleichen entstehen können, zu puffern. However, due to the high thermal mass of the entire circulating heat transfer fluid and the substantial line lengths in a solar thermal power plant, such large storage tanks are not capable of buffering short-term fluctuations, such as may arise from passing clouds or the like.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, einen Strahlungsempfänger nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welcher zur kurzfristigen Pufferungen von Einstrahlungsschwankungen in solarthermischen Kraftwerken Verwendung finden kann. The present invention is therefore based on the object to provide a radiation receiver according to the preamble of claim 1, which can be used for short-term buffering of radiation variations in solar thermal power plants use.

Diese Aufgabe wird durch einen Strahlungsempfänger mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a radiation receiver having the features of patent claim 1.

Ein derartiger Strahlungsempfänger für ein solarthermisches Kraftwerk, insbesondere ein Parabolrinnenkraftwerk, weist ein von einem Wärmetransferfluid durchströmbares Empfängerrohr auf. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Empfängerrohr ein Wärmespeicherelement zum Puffern von Temperaturschwankungen des Wärmetransfersfluids umfasst. Mit anderen Worten wird direkt im Strahlungsempfänger eine lokale Wärmepufferung erreicht, die auf Grund der notwendigerweise kleinen Dimensionierung des Wärmespeicherelements zwar nicht ausreicht, um langfristige Temperaturschwankungen, wie beispielsweise im Nachtbetrieb, zu kompensieren, jedoch bei kurzfristigen Schwankungen, beispielsweise auf Grund von kurzer Beschattung durch vorüberziehende Wolken, eine konstante Temperatur des Wärmetransferfluids aufrecht erhalten kann. Ein solarthermisches Kraftwerk mit derartigen Strahlungsempfängern besitzt daher einen vorteilhaft besonders konstanten Leistungsabgabeverlauf. Such a radiation receiver for a solar thermal power plant, in particular a parabolic trough power plant, has a receiver pipe through which a heat transfer fluid can flow. According to the invention it is provided that the receiver tube comprises a heat storage element for buffering temperature fluctuations of the heat transfer fluid. In other words, a local heat buffering is achieved directly in the radiation receiver, which is due to the necessarily small dimensions of the heat storage element is not sufficient to compensate for long-term temperature fluctuations, such as in night mode, but with short-term fluctuations, for example, due to short shading by passing Clouds, a constant temperature of the heat transfer fluid can be maintained. A solar thermal power plant with such radiation receivers therefore has an advantageous particularly constant power output curve.

Vorzugsweise ist das Wärmespeicherelement als achsparallel mit dem Rohr verlaufendes Kabel ausgebildet. Ein solches Wärmespeicherelement kann sich über die gesamte Länge des Rohres erstrecken, so dass auch lokale Temperaturschwankungen im Rohr, die zu einer höheren mechanischen Spannungsbelastung oder dergleichen führen könnten, vermieden werden. Preferably, the heat storage element is designed as axially parallel to the pipe running cable. Such a heat storage element may extend over the entire length of the tube, so that local temperature fluctuations in the tube, which could lead to a higher mechanical stress or the like, are avoided.

Zweckmäßigerweise weist das Kabel eine Seele aus einer Zink-Aluminium-Legierung auf. Derartige Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe spezifische Wärmekapazität und eine hohe latente Schmelzwärme aus. Da der Schmelzpunkt von Zink-Aluminium-Legierungen im üblichen Betriebstemperaturbereich von solarthermischen Kraftwagen, also in etwa bei 400°C, liegt, können in derartigen Wärmespeicherelementen beträchtliche Energiemengen gespeichert werden, ohne dass es zu großen Temperaturschwankungen kommt. Conveniently, the cable has a core of a zinc-aluminum alloy. Such materials are characterized by a high specific heat capacity and a high latent heat of fusion. Since the melting point of zinc-aluminum alloys in the usual operating temperature range of solar thermal vehicles, ie at about 400 ° C, can be stored in such heat storage elements considerable amounts of energy without causing large temperature fluctuations.

Da derartige Zink-Aluminium-Legierungen insbesondere gegenüber Stahl sehr korrosiv sind, ist es ferner zweckmäßig, die Seele mit einer Korrosionsschutzschicht zu umhüllen, um vorzeitigen Materialverschleiß zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung von keramischen Korrosionsschutzschichten, insbesondere aus Magnesiumoxid. Auch andere, insbesondere oxidische Keramiken, die in der Regel ebenfalls sehr stabil gegenüber von Zink-Aluminium-Legierungen sind, können Anwendung finden, sofern sie die notwendige thermische Leitfähigkeit aufweisen. Since such zinc-aluminum alloys are very corrosive, in particular to steel, it is also expedient to coat the core with a corrosion protection layer in order to avoid premature wear of the material. Particularly advantageous is the use of ceramic corrosion protection layers, in particular of magnesium oxide. Other, in particular oxidic ceramics, which are also usually very stable compared to zinc-aluminum alloys, can be used, provided that they have the necessary thermal conductivity.

Es ist ferner zweckmäßig, die Korrosionsschutzschicht innerhalb eines Stahlmantels anzuordnen. Dieser verleiht dem Wärmespeicherelement eine besonders gute mechanische Stabilität und kompensiert insbesondere die Sprödigkeit der keramischen Korrosionsschutzschicht. Gleichzeitig kann durch die Verwendung von Stahl ein guter Wärmetransfer von der mit dem Wärmetransferfluid in Kontakt stehenden Außenseiten des Kabels zur Seele aus Zink-Aluminium erreicht werden. It is also expedient to arrange the corrosion protection layer within a steel jacket. This gives the heat storage element a particularly good mechanical stability and compensates in particular the brittleness of the ceramic corrosion protection layer. At the same time, the use of steel can provide good heat transfer from the outside of the cable in contact with the heat transfer fluid to the zinc-aluminum core.

Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strahlungsempfängers. In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. The single figure shows a schematic sectional view through an embodiment of a radiation receiver according to the invention.

Ein solarthermisches Parabolrinnenkraftwerk umfasst eine Vielzahl von rinnen- bzw. trogförmigen Spiegeln mit einem paraboloiden Querschnittsprofil. Entlang der Brennlinie dieser Spiegeln sind Strahlungsempfänger in Form von Rohren angeordnet, wie in der Figur schematisch und ausschnittsweise darstellt. In einem Innenraum 12 dieser Strahlungsempfänger zirkuliert ein Wärmetransferfluid, bei dem es sich beispielsweise um ein Öl handeln kann. Die Wärme dieses Öls wird in einem in der Figur nicht gezeigten Wärmetauscher auf Wasser bzw. Dampf übertragen, welcher wiederum genutzt wird, um eine Dampfturbine bzw. Rankine-Zyklus-Turbine anzutreiben. A solar thermal parabolic trough power plant comprises a plurality of trough-shaped or trough-shaped mirrors with a parabolic cross-sectional profile. Radiation receivers in the form of tubes are arranged along the focal line of these mirrors, as shown diagrammatically and partially in the figure. In an interior 12 This radiation receiver circulates a heat transfer fluid, which may be, for example, an oil. The heat of this oil is transferred in a heat exchanger, not shown in the figure, to water or steam, which in turn is used to drive a steam turbine or Rankine cycle turbine.

Da die Sonneneinstrahlung auf die Spiegel und damit das Empfängerrohr 10 stochastischen Schwankungen unterliegt, kann es auch zu Temperaturschwankungen im Wärmetransferfluid kommen, was wiederum zu Schwankungen in der Leistungsabgabe des solarthermischen Kraftwerks führt. Um derartige kurzfristige Schwankungen, wie sie beispielsweise durch Beschattung von vorübergehenden Wolken entstehen können, zu kompensieren, sind im Innenraum 12 des Strahlungsempfängers 10 Wärmespeicherelemente 14 angeordnet. As the sunlight on the mirror and thus the receiver tube 10 Stochastic fluctuations, it can also lead to temperature fluctuations in the heat transfer fluid, which in turn leads to fluctuations in the power output of the solar thermal power plant. In order to compensate for such short-term fluctuations, as may occur, for example, by shading of temporary clouds, are in the interior 12 of the radiation receiver 10 Heat storage elements 14 arranged.

Die Wärmespeicherelemente 14 verlaufen koaxial bzw. achsparallel mit dem Rohr 10 und sind in Form von Kabeln ausgebildet. Eine Seele 16 dieser Kabel ist dabei aus einer Zink-Aluminium-Legierung gebildet. Diese besitzt einen Schmelzpunkt in üblichen Betriebstemperaturbereich des solarthermischen Kraftwerks. Gleichzeitig weisen derartige Legierungen eine hohe latente Schmelzwärme und eine hohe spezifische Wärmekapazität auf. The heat storage elements 14 run coaxial or parallel to the axis with the tube 10 and are formed in the form of cables. A soul 16 This cable is made of a zinc-aluminum alloy. This has a melting point in the usual operating temperature range of the solar thermal power plant. At the same time, such alloys have a high latent heat of fusion and a high specific heat capacity.

Im Betrieb des Kraftwerks wird ein Teil der eingestrahlten Energie somit dazu verwendet, dass die Seele 16 zu verschmelzen, wobei ohne große Temperatursprünge eine beträchtliche Energiemenge im Wärmespeicherelement 14 gespeichert wird. Wird der Spiegel des Parabolrinnenkraftwerks beschattet, so kann das Wärmespeicherelement 14 wiederum eine beträchtliche Energiemenge an das im Innenraum 12 des Strahlungsempfängers 10 zirkulierende Wärmetransfermedium abgeben, so dass dessen Temperatur auch bei kurzfristigen Einstrahlungsschwankungen im Wesentlichen konstant bleibt. In operation of the power plant, a part of the radiated energy is thus used to make the soul 16 to merge, without a large temperature jumps a considerable amount of energy in the heat storage element 14 is stored. If the mirror of the parabolic trough power plant is shaded, then the heat storage element 14 again a considerable amount of energy to that in the interior 12 of the radiation receiver 10 Dispense circulating heat transfer medium, so that its temperature remains substantially constant even with short-term radiation variations.

Nachteiligerweise haben Zink-Aluminium-Legierungen beträchtlich korrosive Eigenschaften, insbesondere im Kontakt mit Stahl. Um eine vorzeitige Korrosion des Wärmespeichers 14 zu vermeiden, ist die Seele 16 aus der Zink-Aluminium-Legierung daher mit einem Korrosionsschutzmantel aus einer Oxidkeramik, beispielsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder dergleichen umgeben. Der Korrosionsschutzmantel selbst ist wiederum mit einem Stahlmantel 20 versehen. Unfortunately, zinc-aluminum alloys have considerably corrosive properties, especially in contact with steel. To prevent premature corrosion of the heat accumulator 14 to avoid is the soul 16 from the zinc-aluminum alloy, therefore, surrounded by an anticorrosive coating of an oxide ceramic, for example magnesium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide or the like. The corrosion protection casing itself is in turn with a steel jacket 20 Mistake.

Die Fertigung derartiger mehrschichtiger Kabel ist beispielsweise durch Zusammenfügen von Keramikhalbschalen um die Seele 16 sowie anschließendes Rollen des Stahlmantels, der schließlich längsnahtverschweißt wird, möglich. Die Kombination aus der Stahlummantelung 20 und der Korrosionsschutzschicht 18 ermöglicht einerseits einen guten Wärmetransport zwischen der Seele 16 und deren Innenraum 12 des Empfängers 10 zirkulierenden Wärmetransportflüssigkeit, verhindert andererseits direkte Kontakte der Zink-Aluminium-Legierung mit korrosionsgefährdeten Substanzen, so dass sich ein Wärmespeicherelement 14 mit hervorragenden thermischen Eigenschaften und gleichzeitiger hoher Korrosionsbeständigkeit ergibt. The production of such multilayer cable is, for example, by joining ceramic shells around the soul 16 and subsequent rolling of the steel shell, which is finally longitudinally welded, possible. The combination of the steel casing 20 and the anticorrosion layer 18 on the one hand allows a good heat transfer between the soul 16 and their interior 12 Recipient 10 circulating heat transfer fluid, on the other hand prevents direct contacts of the zinc-aluminum alloy with substances susceptible to corrosion, so that a heat storage element 14 with excellent thermal properties and at the same time high corrosion resistance.

Claims (6)

Strahlungsempfänger (10) für ein solarthermisches Kraftwerk, insbesondere ein Parabolrinnenkraftwerk, mit einem von einem Wärmetransferfluid durchströmbaren Empfängerrohr, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfängerrohr ein Wärmespeicherelement (14) zum Puffern von Temperaturschwankungen des Wärmetransferfluids umfasst. Radiation receiver ( 10 ) for a solar thermal power plant, in particular a parabolic trough power plant, with a receiver tube through which a heat transfer fluid can flow, characterized in that the receiver tube is a heat storage element ( 14 ) for buffering temperature fluctuations of the heat transfer fluid. Strahlungsempfänger (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (14) als achsparallel mit dem Rohr verlaufendes Kabel ausgebildet ist. Radiation receiver ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the heat storage element ( 14 ) is formed as axially parallel with the tube running cable. Strahlungsempfänger (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel eine Seele (16) aus einem Wärmespeichermedium, insbesondere einer Zink-Aluminium-Legierung, aufweist. Radiation receiver ( 10 ) according to claim 2, characterized in that the cable is a soul ( 16 ) of a heat storage medium, in particular a zinc-aluminum alloy having. Strahlungsempfänger (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele (16) mit einer Korrosionsschutzschicht (18) umhüllt ist. Radiation receiver ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the soul ( 16 ) with a corrosion protection layer ( 18 ) is wrapped. Strahlungsempfänger (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (18) aus einer Keramik, insbesondere aus MgO, ausgebildet ist. Radiation receiver ( 10 ) according to claim 4, characterized in that the corrosion protection layer ( 18 ) is formed of a ceramic, in particular of MgO. Strahlungsempfänger (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzschicht (18) innerhalb eines Stahlmantels (20) angeordnet ist. Radiation receiver ( 10 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the Corrosion protection layer ( 18 ) inside a steel mantle ( 20 ) is arranged.

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