DE102013221888B3 - Receiver for solar energy generation - Google Patents
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Abstract
Bei einem Receiver (1) für Solarenergiegewinnungsanlagen (100), mit einer Tragstruktur (7), die an einer Frontseite mehrere Absorbermodule (11) trägt, die jeweils einen in einem Absorberkopf (13) aufgenommenen frontseitigen Absorberkörper (17) und einen an den Absorberkopf (13) anschließenden Heißluftkanal (19) aufweisen, wobei der Absorberkörper (17) von Prozessluft durchströmt wird, die über den Heißluftkanal (19) als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird, ist vorgesehen, dass der Absorberkopf (13) und/oder der Heißluftkanal (19) eines Absorbermoduls (11) eine thermische Trenneinrichtung (28) zur Reduzierung des von durch den Absorberkopf (13) und/oder den Heißluftkanal (19) geleiteter Heißluft bewirkten Wärmeeintrags in Umgebungsluft und/oder in die Tragstruktur (7) aufweist.In a receiver (1) for solar energy recovery systems (100), with a support structure (7), which carries on a front side a plurality of absorber modules (11), each one in an absorber head (13) received front absorber body (17) and one to the absorber head (13) subsequent hot air duct (19), wherein the absorber body (17) is flowed through by process air, which is supplied via the hot air duct (19) as a heat transfer medium a consumer, it is provided that the absorber head (13) and / or the hot air duct ( 19) of an absorber module (11) has a thermal separation device (28) for reducing the heat introduced by the absorber head (13) and / or the hot air duct (19) heat input in ambient air and / or in the support structure (7).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a receiver for solar energy generation plants according to the preamble of
In
Der Receiver eignet sich für große Energiegewinnungsanlagen, bei denen zahlreiche Heliostaten auf einem Feld verteilt angeordnet sind, die Solarstrahlung auf den Receiver reflektieren. An dem Receiver entsteht somit eine hohe Strahlungskonzentration, wodurch sich am Absorbermodul Temperaturen im Bereich von bis zu 1.100°C ergeben. Bei dem vorbekannten Solarempfänger ist eine Tragstruktur vorgesehen, welche zahlreiche Absorbermodule trägt. Jedes Absorbermodul besteht aus einem Absorberkopf aus Keramik und einem von dem Absorberkopf gehaltenen Absorberkörper. An den Absorberkopf schließt eine Heißluftkanalstruktur an, beispielsweise ein Heißluftkanal. Die erzeugt Heißluft wird für den Betrieb von Arbeitsmaschinen, beispielsweise Turbinen für Stromgeneratoren, benutzt und kühlt sich dabei ab, enthält jedoch noch Restwärme.The receiver is suitable for large power generation plants, where numerous heliostats are distributed in a field that reflect solar radiation on the receiver. Thus, a high radiation concentration is produced at the receiver, which results in temperatures of up to 1100 ° C. at the absorber module. In the prior art solar receiver, a support structure is provided which carries numerous absorber modules. Each absorber module consists of a ceramic absorber head and an absorber body held by the absorber head. The absorber head is adjoined by a hot air duct structure, for example a hot air duct. The generated hot air is used for the operation of work machines, such as turbines for power generators, and cools down, but still contains residual heat.
Zur Nutzung dieser Restwärme wird die Luft zum Solarempfänger zurückgeführt und an der Tragstruktur und an den Wänden der Heißluftkanäle entlang geführt, um diese zu kühlen. Diese Rückluft strömt zwischen den Absorbermodulen hindurch, um an der Frontseite nach vorne hin auszutreten. Sie wird anschließend zusammen mit an der Frontseite befindlicher Luft in den Absorberkörper eingesaugt.To use this residual heat, the air is returned to the solar receiver and guided along the support structure and along the walls of the hot air ducts to cool them. This return air flows between the absorber modules to emerge forward at the front. It is then sucked into the absorber body together with air at the front.
Es hat sich herausgestellt, dass, um einer ausreichenden Kühlung für die Tragstruktur Sorge zu tragen, ein relativ großer Volumenstrom an Luft notwendig ist. Dies führt zu einer relativ hohen Geschwindigkeit der Rückluft, so dass diese mit einer relativ hohen Austrittsgeschwindigkeit zwischen den Absorbermodulen austritt. Dies kann dazu führen, dass ein relativ großer Anteil der an der Frontseite austretenden Rückluft nicht von den Absorbermodulen eingesaugt wird und somit nicht rezirkuliert. Dies führt zu einem Energieverlust und somit zu einer Wirkungsgradreduzierung des Receivers. Ferner weist die Receiverstruktur einen hohen Druckverlust in Bezug auf den Volumenstrom der Rückluft auf, so dass bei dem bisher benötigten relativ großen Volumenstrom eine hohe Gebläseleistung und somit ein hoher elektrischer Eigenenergiebedarf erforderlich ist.It has been found that in order to provide sufficient cooling for the support structure, a relatively large volume flow of air is necessary. This leads to a relatively high velocity of the return air, so that it exits at a relatively high exit velocity between the absorber modules. This can lead to a relatively large proportion of the return air emerging at the front not being sucked in by the absorber modules and thus not being recirculated. This leads to a loss of energy and thus to a reduction in the efficiency of the receiver. Furthermore, the receiver structure has a high pressure loss with respect to the volume flow of the return air, so that a high fan power and thus a high electrical energy requirement is required for the previously required relatively large volume flow.
Die Rückluft strömt ferner über einen sehr heißen Teil des Absorbermoduls, so dass die Rückluft von diesem zusätzlich erwärmt wird, wodurch nicht eingesaugte Rückluft zu einem besonders hohen Wärmeenergieverlust führt.The return air also flows over a very hot part of the absorber module, so that the return air is additionally heated by this, whereby unintended return air leads to a particularly high heat energy loss.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen bereitzustellen, der einen im Vergleich zu vorbekannten Receivern verbesserten Wirkungsgrad hat, wobei gleichzeitig eine vorteilhafte Kühlung der Tragstruktur und/oder der Heißluftkanäle gewährleistet ist.It is therefore an object of the present invention to provide a receiver for solar energy generation systems, which has an improved compared to prior art receivers efficiency, at the same time an advantageous cooling of the support structure and / or the hot air ducts is ensured.
Der Receiver nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert.The receiver according to the present invention is defined by
Der erfindungsgemäße Receiver für Solarenergiegewinnungsanlagen weist eine Tragstruktur auf, die an einer Frontseite mehrere Absorbermodule trägt. Die Absorbermodule weisen jeweils einen in einem Absorberkopf aufgenommenen frontseitigen Absorberkörper und einen an den Absorberkopf anschließenden Heißluftkanal auf. Der Absorberkörper wird von einer Prozessluft durchströmt, die über den Heißluftkanal als Wärmeträgermedium einem Verbraucher zugeführt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkopf oder der Absorberkopf und der Heißluftkanal eines Absorbermoduls eine thermische Trenneinrichtung zur Reduzierung des von durch den Absorberkopf bzw. den Heißluftkanal geleiteter Heißluft bewirkten Wärmeeintrags in Umgebungsluft und/oder in die Tragstruktur aufweist. Durch die thermische Trenneinrichtung wird verhindert, dass Wärmeenergie von der in dem Absorbermodul erhitzten Heißluft in hohem Maße auf die den Absorberkopf bzw. den Heißluftkanal umgebende Umgebungsluft übertragen wird und/oder das die Heißluft die Tragstruktur in zu hohem Maße erwärmt. Dadurch werden Verluste an die Umgebungsluft, die beispielsweise abgekühlte Prozessluft, die als Rückluft zwischen den Absorbermodulen ausgestoßen wird, sein kann, vermieden und/oder die für die Kühlung der Tragstruktur notwendige Kühlleistung reduziert wird. Dadurch lässt sich der Gesamtwirkungsgrad des Receivers erhöhen.The receiver for solar energy recovery systems according to the invention has a support structure which carries a plurality of absorber modules on a front side. The absorber modules each have a front absorber body accommodated in an absorber head and a hot air duct adjoining the absorber head. The absorber body is flowed through by a process air, which is supplied via the hot air duct as a heat transfer medium to a consumer. The invention is characterized in that the absorber head or the absorber head and the hot air duct of an absorber module has a thermal separation device for reducing the heat input into ambient air and / or into the support structure caused by hot air conducted through the absorber head or the hot air duct. The thermal separation device prevents heat energy from the hot air heated in the absorber module from being transmitted to a great extent to the ambient air surrounding the absorber head or the hot air duct and / or that the hot air heats the support structure too much. As a result, losses to the ambient air, which may be, for example, cooled process air, which is discharged as return air between the absorber modules, can be avoided, and / or the cooling power required for cooling the support structure is reduced. This can increase the overall efficiency of the receiver.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Trenneinrichtung eine an der Absorberkopfaußenseite angeordnete Strömungsleitvorrichtung aufweist. Die Strömungsleitvorrichtung kann aus einem metallischen oder keramischen Strömungsleitblech bestehen. Durch die Strömungsleitvorrichtung kann eine Luftströmung, beispielsweise eine Strömung der Rückluft, von der Absorberkopfaußenseite abgelenkt werden, so dass die erzwungene Konvektion an der Absorberkopfaußenseite verringert ist. Dadurch wird ein Wärmeeintrag von dem Absorberkopf in die Luftströmung verringert. Die Strömungsleitvorrichtung kann parallel zu der Absorberkopfaußenseite verlaufen und von dieser beabstandet sein. Dadurch wird ein direkter Kontakt zwischen dem Absorberkopf und der Strömungsleitvorrichtung verhindert, wodurch eine Wärmeübertragung von der Absorberkopfaußenseite auf die Strömungsleitvorrichtung reduziert ist.The invention is characterized in that the thermal separation device has a flow guide device arranged on the absorber head outside. The flow guide may consist of a metallic or ceramic flow baffle. By means of the flow guiding device, an air flow, for example a flow of the return air, can be deflected from the absorber head outside, so that the forced convection at the absorber head outside is reduced. As a result, a heat input from the absorber head is reduced in the air flow. The flow guide may be parallel to the absorber head outside and spaced therefrom. This prevents direct contact between the absorber head and the flow guide, thereby reducing heat transfer from the absorber head outside to the flow guide.
Die erfindungsgemäße thermische Trenneinrichtung ist insbesondere von Vorteil, wenn in dem erfindungsgemäßen Receiver Prozessluft nach der Zuführung zu dem Verbraucher den Absorbermodulen zumindest teilweise als Rückluft zurückgeführt wird, wobei beispielsweise die Rückluft der Frontseite zugeführt wird, um in die Absorbermodule eingesaugt zu werden. Dabei kann über die thermische Trenneinrichtung beispielsweise vermieden werden, dass die Rückluft beim Überströmen der Absorberköpfe eine große Wärmeenergiemenge übertragen bekommt, wodurch Wärmeenergieverluste aufgrund von Rückluft, die nicht eingesaugt wird, reduziert werden können. Ferner kann durch die thermische Trenneinrichtung beispielsweise die Erwärmung der Tragstruktur verringert werden, wodurch der Volumenstrom an Rückluft zur Kühlung der Tragstruktur verringert werden kann. Dies führt zu einem geringen Eigenbedarf des Gebläses zum Antrieb der Rückluft sowie einer geringeren Austrittsgeschwindigkeit der Rückluft an der Frontseite des Receivers, wodurch der Anteil der wiedereingesaugten Luftmenge erhöht werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Receivers deutlich erhöht werden.The thermal separating device according to the invention is particularly advantageous if in the receiver according to the invention process air after feeding to the consumer the absorber modules is at least partially recycled as return air, for example, the return air is fed to the front to be sucked into the absorber modules. It can be avoided via the thermal separator, for example, that the return air gets transferred when overflowing the absorber heads a large amount of heat energy, which heat energy losses due to return air, which is not sucked, can be reduced. Furthermore, for example, the heating of the support structure can be reduced by the thermal separation device, whereby the volumetric flow of return air for cooling the support structure can be reduced. This leads to a low intrinsic demand of the blower for driving the return air and a lower exit velocity of the return air at the front of the receiver, whereby the proportion of re-entrained air volume can be increased. As a result, the efficiency of the receiver according to the invention can be significantly increased.
Die Tragstruktur kann mehrere Heißluftrohre aufweisen, an die die Heißluftkanäle der Absorbermodule anschließen oder in die die Heißluftkanäle der Absorbermodule eingesetzt sind.The support structure may have a plurality of hot air pipes, to which the hot air ducts of the absorber modules connect or into which the hot air ducts of the absorber modules are inserted.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die thermische Trenneinrichtung zumindest teilweise durch die Absorberkopfwandung und/oder die Heißluftkanalwandung aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Die Wärmeleitfähigkeit der Absorberkopfwandung und/oder der Heißluftkanalwandung beträgt vorzugsweise ≤ 10 W/mK, vorzugsweise ≤ 3 W/mK, besonders bevorzugt ≤ 1 W/mK. Durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit der Absorberkopfwandung und/oder der Heißluftkanalwandung wird eine Wärmeübertragung auf die Umgebungsluft der Absorberkopfwandung, beispielsweise der Rückluft, und/oder auf die Tragstruktur durch Wärmeübertragung von der Heißluftkanalwandung deutlich reduziert.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the thermal separation device is at least partially formed by the absorber head wall and / or the hot air duct wall made of a material with low thermal conductivity. The thermal conductivity of the absorber head wall and / or the hot air duct wall is preferably ≦ 10 W / mK, preferably ≦ 3 W / mK, particularly preferably ≦ 1 W / mK. Due to a low thermal conductivity of the absorber head wall and / or the Heißluftkanalwandung heat transfer to the ambient air of Absorberkopfwandung, for example, the return air, and / or on the support structure by heat transfer from the Heißluftkanalwandung significantly reduced.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Absorberkopfwandung und/oder die Heißluftkanalwandung aus einem keramischen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen, vorzugsweise aus Aluminiumtitanat oder Cordierit. Ein derartiges Material hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.It can be provided that the Absorberkopfwandung and / or the Heißluftkanalwandung consist of a ceramic material with low thermal conductivity, preferably made of aluminum titanate or cordierite. Such a material has been found to be particularly advantageous.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die thermische Trenneinrichtung zumindest teilweise durch eine den Absorberkopf und/oder den Heißluftkanal außen umgebende Außenisolierung gebildet ist. Die Außenisolierung kann in besonders vorteilhafter Weise einen Wärmeübergang von dem Absorberkopf und/oder dem Heißluftkanal an die Umgebung, beispielsweise die Rückluft oder die Tragstruktur, verringern.In one exemplary embodiment of the invention, provision can be made for the thermal separation device to be formed at least partially by an outer insulation surrounding the absorber head and / or the hot air duct on the outside. The outer insulation can in a particularly advantageous manner heat transfer from the absorber head and / or the hot air duct to the environment, such as the return air or the supporting structure, reduce.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die thermische Trenneinrichtung zumindest teilweise durch eine den Absorberkopf und/oder den Heißluftkanal innen auskleidende Innenisolierung gebildet ist. Über die Innenisolierung kann ebenfalls ein Wärmeübergang am Absorberkopf und/oder Heißluftkanal verringert werden. Insbesondere kann über die Innenisolierung ein großer Wärmeeintrag in die Absorberkopfwandung und/oder die Heißluftkanalwandung verhindert werden, wodurch eine zusätzliche Kühlung der Absorberkopfwandung und/oder der Heißluftkanalwandung vermieden werden kann.Alternatively or additionally, it can be provided that the thermal separation device is at least partially formed by an inner insulation lining the interior of the absorber head and / or the hot air duct. About the inner insulation also heat transfer at the absorber head and / or hot air duct can be reduced. In particular, a large heat input into the absorber head wall and / or the hot air duct wall can be prevented via the inner insulation, whereby additional cooling of the absorber head wall and / or the Heißluftkanalwandung can be avoided.
Die Außenisolierung und/oder die Innenisolierung können aus einem Aluminiumsilikat oder Aluminiumoxid bestehen. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Innenisolierung und/oder die Außenisolierung durch Vakuumformung hergestellt sind. Auf diese Weise kann die Innenisolierung und/oder die Außenisolierung in vorteilhafter Weise an die Form des Absorberkopfes und/oder des Heißluftkanals angepasst werden.The outer insulation and / or the inner insulation may consist of an aluminum silicate or aluminum oxide. Furthermore, it can be provided that the inner insulation and / or the outer insulation are produced by vacuum forming. In this way, the inner insulation and / or the outer insulation can be adapted advantageously to the shape of the absorber head and / or the hot air duct.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die thermische Trenneinrichtung eine Strömungsleitvorrichtung aufweist, die an der Innenseite des Absorberkopfes angeordnet ist, und die Heißluftströmung innerhalb des Absorbermodules von der Absorberkopfwandung und/oder der Heißluftkanalwandung abhält, so dass eine direkte, erzwungene konvektive Wärmeübertragung der Heißluftströmung auf die Absorberkopfwandung und/oder die Heißluftkanalwandung verringert wird. Dadurch kann ein von dem Absorberkopf und/oder den Heißluftkanal bewirkter Wärmeeintrag in die Umgebungsluft und/oder in die Tragstruktur reduziert werden.It can also be provided that the thermal separation device has a flow guide, which is arranged on the inside of the absorber head, and the hot air flow within the Absorbermodules from the Absorberkopfwandung and / or the Heißluftkanalwandung holds, so that a direct, forced convective heat transfer of the hot air flow the absorber head wall and / or the Heißluftkanalwandung is reduced. As a result, a heat input into the ambient air and / or into the support structure caused by the absorber head and / or the hot air duct can be reduced.
Die erfindungsgemäße thermische Trenneinrichtung bewirkt somit, dass Wärmeverluste an die den Absorberkopf umströmende Umgebungsluft verringert werden, so dass dadurch bedingte Wärmeenergieverluste verringert werden. Ferner wird ein Wärmeeintrag in die Tragstruktur verhindert, wodurch die notwendige Kühlleistung zur Kühlung der Tragstruktur deutlich reduziert werden kann. Dadurch wird der elektrische Energiebedarf für die Kühlluftströmung, beispielsweise die Rückluftströmung, reduziert. Bei der Verwendung von Rückluft als Kühlluft wird insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit reduziert, wodurch eine, verglichen mit dem Stand der Technik, erhöhte Rezirkulationsrate der Rückluft erreicht werden kann.The thermal separating device according to the invention thus causes heat losses to be reduced to the ambient air flowing around the absorber head, thereby reducing thermal energy losses caused thereby. Furthermore, a heat input is prevented in the support structure, whereby the necessary cooling capacity for cooling the Support structure can be significantly reduced. As a result, the electrical energy requirement for the cooling air flow, for example the return air flow, is reduced. When using return air as cooling air in particular the flow velocity is reduced, whereby a, compared to the prior art, increased recirculation rate of the return air can be achieved.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the following figures.
Es zeigen:Show it:
In
Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Receivers
Jedes Absorbermodul
Wie am besten aus den
Das Heißluftrohr
Das Absorbermodul weist eine thermische Trenneinrichtung
Die Erfindung kann vorsehen, dass die thermische Trenneinrichtung
In
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