DE19740644C2 - Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absorberkörper aus Keramikmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absorberkörper aus Keramikmaterial, der vorzugsweise als volumetrischer Empfänger bei hohen Temperaturen betrieben wird.

In einem solarthermischen Kraftwerk wird die einfallende Solarstrahlung von Heliostaten oder Kollektoren auf einen Solarempfänger, der üblicherweise aus einer Vielzahl von keramischen Absorberkörpern zusammengesetzt ist, gebün­ delt. Die auf den Absorberkörper auftreffende hochkonzen­ trierte Solarstrahlung entspricht etwa der 200-fachen bis 2500-fachen Sonnenstrahlung; dadurch werden Temperaturen von über 1000°C im Absorberkörper erzeugt. Aufgrund der­ artig hoher Temperaturen kommen Metalle als Werkstoffe nicht in Frage. Vielmehr werden hochtemperaturbeständige Keramiken wie z. B. Siliziumkarbid oder Silizium-Silizium­ karbid verwendet.

Ein volumetrischer Absorber besteht aus einem Volumen, das mit einer Vielzahl poröser zusammenhängender Form­ teile, Drahtpackungen, Schaum- oder Folienanordnungen aus Keramik gefüllt ist. Die einfallende konzentrierte Strahlung wird in den Porenwänden absorbiert und heizt den Absorberkörper auf. Ein Wärmeträgermedium (ein Gas oder eine Flüssigkeit) strömt durch das Volumen, wird dabei konvektiv aufgeheizt und führt die Wärme ab. Um einen hohen Absorptionsgrad der Strahlung zu erreichen, wird der Absorber dicht mit einem porösen Material ge­ füllt, so daß enge Strömungskanäle für das Wärmeträger­ medium entstehen. Für einen hohen Absorptionsgrad ist weiterhin wichtig, daß der Absorberkörper eine hohe "offene Porosität" aufweist, d. h., daß das Verhältnis von Hohlraum zu Gesamtvolumen im Bereich der Oberfläche groß ist. So wird sichergestellt, daß wenig Material im Bereich der Stirnfläche vorhanden ist, das eine Reflek­ tion der einfallenden Solarstrahlung bewirken würde. Ein Großteil der Solarstrahlung strahlt dann in die von Poren gebildeten Kanäle oder Röhren ein und wird dort von dem Absorberkörper absorbiert. Weiterhin sollte ein Absorberkörper eine hohe mechanische Festigkeit aufwei­ sen, da er sowohl extremen Temperaturen als auch Witte­ rungseinflüssen ausgesetzt ist. Diese Forderung steht der gewünschten hohen offenen Porosität jedoch entgegen.

Aus EP 0 113 602 ist ein Absorberkörper bekannt, der aus einem Grundkörper mit parallel zur Strahlungsrichtung verlaufenden Kanälen gebildet ist, wobei die Innenwände der Kanäle mit einem porösen Material derart beschichtet sind, daß die Dicke der Schicht in Einfallsrichtung zunimmt. Bei der Benutzung des Absorberkörpers treten mechanische Spannungen auf, da sich die beiden Materia­ lien, insbesondere bei den vorherrschenden Temperaturen bis zu 1000°C, unterschiedlich ausdehnen, was die Le­ benserwartung des Absorberkörpers verringert.

Im wesentlichen sind zwei Verfahren bekannt, poröse Absorberkörper aus Keramiken herzustellen. Bei einer Methode wird PU-Schaum mit Siliziumkarbid geschlickert, d. h., der PU-Schaum wird zunächst mit Schlamm getränkt und dann anschließend gebrannt, wobei der PU-Schaum ver­ brennt und das Siliziumkarbid aushärtet, so daß eine poröse Struktur entsteht. Auf diese Art lassen sich kostengünstig poröse Strukturen herstellen. Jedoch ist die offene Porosität nicht sehr hoch. Hinzukommt, daß sich durch das Schlickern viele Poren zusetzen.

Ein anderes Verfahren sieht vor, PU-Schaum mittels CVD- Verfahren mit Siliziumkarbid zu beschichten. Da so die Menge des eingebrachten Materials einstellbar ist, läßt sich eine sehr hohe offene Porosität erzielen. Dieses Verfahren ist jedoch sehr teuer und darüber hinaus sind die hergestellten porösen Strukturen sehr filigran, so daß sich Probleme mit der mechanischen Belastbarkeit ergeben.

Aus US 4 284 689 ist ein Verfahren bekannt, die Ober­ fläche eines Materials derart abzutragen, daß im Bereich der Oberfläche Vertiefungen entstehen. Dies bewirkt zum einen, daß die reflektierende Oberfläche verkleinert wird, und zum anderen, daß die einfallende Solarstrah­ lung in den Vertiefungen gewissermaßen gefangen wird und dort das Material erwärmt. Durch die Vertiefungen, die eine Tiefe im µm-Bereich haben, kann jedoch kein Wärme­ trägermedium strömen, um die Wärme konvektiv aufzuneh­ men.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Solar­ empfänger mit hohem Absorptionsgrad bei gleichzeitiger hoher Festigkeit zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schlägt vor, einen Absorberkörper mit einer gestuften Porosität zu schaffen, wobei der der Solarstrahlung zugewandte vordere Bereich eine höhere offene Porosität hat und der zurückliegende Bereich eine geringere offene Porosität hat. So läßt sich ein hohes Absorptionsvermögen im Oberflächenbereich erzielen, da dort der Flächenanteil gering ist, also weniger Material pro Volumeneinheit vorhanden ist. Die Poren bilden tief­ reichende Kanäle, in die die einfallende Solarstrahlung eindringt und dort wie in einer Strahlungsfalle gefangen und vollständig absorbiert wird. Daher ist die Emission von Solarstrahlung aus dem Absorberkörper heraus sehr gering. Auch ist die Reflektivität der Stirnfläche des Absorberkörpers sehr gering, da dort nur wenig Material pro Flächeneinheit vorhanden ist. Im zurückliegenden Bereich besteht dagegen eine feste Tragstruktur zum Halten des Absorberkörpers. Der zurückliegende Bereich hat eine ausreichend hohe Porosität, so daß das Wärme­ trägermedium den Absorberkörper durchströmen kann. Die durch die niedrigere offene Porosität bedingte größere Innenfläche ermöglicht einen guten konvektiven Wärme­ übergang auf das Wärmeträgermedium. Bevorzugterweise hat der hintere Bereich eine Porosität zwischen 70 und 80%, während die Porosität des vorderen Bereiches vorzugsweise zwischen 75 und 95% liegt. Bedingt durch die hohe Absorption der Solarstrahlung im vorderen Bereich des Absorberkörpers und den guten Wärmeübergang im zurückliegenden Bereich wird der Wirkungsgrad des Solarempfängers erhöht.

Weiterhin bewirkt die sprunghafte Querschnittsänderung im Strömungskanal zwischen dem vorderen und dem zurück­ liegenden Bereich eine Blende mit Drosselwirkung. Dies ermöglicht die Durchführung einer konstanten Strömungs­ menge unabhängig von der Geschwindigkeit des Wärmeträger­ mediums, da bei einer Drossel ein quadratischer Druck­ verlust in Abhängigkeit von der Viskosität und der Temperatur des Wärmeträgermediums auftritt, so daß der Druckverlust des normalen Strömungskanals, der nur linear von der Geschwindigkeit abhängig ist, vernachlässigbar ist.

Der Absorberkörper mit einer gestuften Porosität wird erfindungsgemäß derart hergestellt, daß unter Verwendung eines porösen Rohkörpers aus Keramikmaterial, der z. B. durch Schlickern hergestellt sein kann, die Oberfläche des Rohkörpers in einem Bereich mit einer Partikelstrahlung, vorzugsweise Sandstrahlung bearbeitet wird, wodurch in diesem bearbeiteten Bereich die offene Porosität vorzugs­ weise um 10-20% erhöht wird. So wird eine hohe offene Porosität bis zu der Eindringtiefe der Partikelstrahlung erzielt, während der dahinterliegende Bereich die Porosität des Rohkörpers aufweist. Bei der Herstellung wird der Partikelstrahl so geführt, daß er wie die Solar­ strahlung auftrifft, was den Vorteil hat, daß die Flächen­ anteile des Absorbers, die senkrecht im Strahlengang der Solarstrahlung liegen und diese reflektieren würden, aus dem Absorberkörper herausgeschlagen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Absorberkörper Kanäle auf, deren Wände im vorderen Bereich des Absorberkörpers in ihrer Dicke reduziert sind. Bevorzugterweise sind die Kanäle dabei geradlinig aus­ gebildet. Bei Verwendung von Kanälen mit reduzierter Wand­ stärke läßt sich der reflektierende Anteil der Stirnfläche verringern und bedingt durch den geradlinigen Aufbau die Strömungsverteilung besser einstellen. Bei der Herstellung wird mit dem Partikelstrahl etwa 3/4 der ursprünglichen Wandstärke weggenommen. Dies führt zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades, da der reflektierende Anteil der Stirn­ fläche verringert ist und gleichzeitig die innere Fläche des Absorberkörpers vergrößert ist, da durch das Abtragen der Wandstärke die innere Kantenlänge der Kanäle ver­ größert wird. Auch der Absorberkörper gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird erfindungsgemäß durch Bearbeitung eines Rohkörpers mit Partikelstrahlung hergestellt.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Absorber­ körpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 die Vorderansicht eines Rohkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 die Herstellung des Absorberkörpers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 den fertiggestellten Absorberkörper des zweiten Ausführungsbeispiels.

In einem solarthermischen Kraftwerk wird die einfallende Solarstrahlung von mehreren Kollektoren, z. B. Heliostaten auf einen Solarempfänger gebündelt. Der Solarempfänger kann z. B. auf einem Turm angeordnet sein und weist eine Vielzahl von Absorberkörpern 1 - wie sie in Fig. 1 dar­ gestellt sind - auf. Üblicherweise werden die Absorber­ körper 1 mit einer geradlinigen Außenkontur versehen, um ein besseres Zusammenpassen zu ermöglichen. Die Stirn­ flächen 2 der Absorberkörper 1 bilden die Frontseite des Solarempfängers, auf die die konzentrierte Strahlung gerichtet wird. In seinem rückwärtigen Bereich ist der Absorberkörper 1 gehalten und an ein Ableitungsrohr angeschlossen, das zu einer Saugvorrichtung wie z. B. einem Ventilator führt. Umgebungsluft wird durch den von der einfallenden Solarstrahlung erhitzten Absorberkörper 1 geführt, wobei die Luft konvektiv erhitzt und einer späteren Nutzung zugeführt wird.

Der in Fig. 1 gezeigte Absorberkörper 1 ist an seiner Oberfläche 2 mit einer Partikelstrahlung bearbeitet worden. Diese Bearbeitung wird später in Verbindung mit Fig. 3 für ein weiteres Ausführungsbeispiel erläutert.

Diese Bearbeitung führt zu einer höheren offenen Porosität im Bereich der Stirnseite 2 bis zu einer Tiefe ha, bis zu der die Partikelstrahlung vorgedrungen ist. In diesem vorderen Bereich 1a sind eine Vielzahl von Strömungs­ kanälen 3 ausgebildet, die dadurch entstanden sind, daß Elemente der Stirnfläche 2 und Verbindungsstege von dahinterliegenden Poren von dem Partikelstrahl heraus­ geschlagen worden sind. Die Darstellung in Fig. 1 ist schematisch, tatsächlich können viel mehr Strömungs­ kanäle 3 ausgebildet sein. Auf die Stirnfläche 2 einfallende konzentrierte Solarstrahlung wird nur an wenigen Flächen zwischen den Strömungskanälen 3 reflektiert und kann durch die Strömungskanäle 3 tief in den Absorberkörper 1 eindringen, so daß die Strahlung dort gewissermaßen gefangen wird und nicht mehr herausgelangen kann. Der Absorberkörper 1 absorbiert also einen Großteil der einfallenden Solarstrahlung und wird zudem gleichmäßig erhitzt.

In dem zurückliegenden Bereich 1b, der sich über die ver­ bleibende Höhe h_b erstreckt, ist die offene Porosität des Absorberkörpers 1 um etwa 10 bis 20% geringer als in dem vorderen Bereich 1a. Großflächige Strömungskanäle 3 sind dort nicht vorhanden, stattdessen besteht der hintere Bereich 1b aus vielen miteinander verbundenen kleineren Poren 4. Aufgrund der höheren mechanischen Festigkeit des zurückliegenden Bereiches 1b kann der Absorberkörper 1 dort mit nicht dargestellten Mitteln befestigt werden. Durch die Stirnfläche 2 einströmende Luft wird zunächst durch die Strömungskanäle 3 und dann durch eine Vielzahl von Poren 4 gesaugt, wobei sie konvektiv erhitzt wird.

In Fig. 2 ist ein Rohkörper 10 gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel gezeigt. Der Rohkörper 10 besteht aus einer Vielzahl von gerade verlaufenden rechteckigen Kanälen 11, die nebeneinander angeordnet sind. Die Kanäle 11 sind durch Kanalwände 12 begrenzt. Die Wände 12 haben eine gewisse Stärke, um die mechanische Festigkeit des Rohkörpers 10 zu garantieren. Die gestrichelten Linien deuten an, wie die Kanalwände 12 eines fertiggestellten Absorberkörpers im Vorderbereich aussehen.

Anhand von Fig. 3 wird nun die Herstellung eines Absorber­ körpers 20 aus dem Rohkörper 10 erläutert. In dem vorderen Bereich des Rohkörpers 10, der später im eingebauten Zustand der einfallenden Solarstrahlung zugewandt sein wird, werden die Wände 12 des Rohkörpers 10 mit Sandstrahlung 13 bear­ beitet. Die Sandstrahlung 13 wird schräg - unter einem Winkel α - gegen die Kanalwände 12 gerichtet. Jede Kanal­ wand 12 wird beidseitig bearbeitet, wobei die Sandstrah­ lung 13 Partikel aus den porösen Wänden 12 herausschlägt, so daß die Wanddicke auf etwa 1/4 ihres ursprünglichen Wertes reduziert wird. Mit der Variation des Winkels α kann die Tiefe des abgetragenen Wandbereichs 12' verändert werden.

Der in Fig. 4 gezeigte fertiggestellte Absorberkörper 20 hat in seinem vorderen Bereich 20a Wandbereiche ver­ minderter Stärke 12', während im dahinterliegenden Bereich 20b die Kanalwände 12 ihre ursprüngliche Stärke aufweisen. Der im vorderen Bereich 20a einfallenden konzentrierten Solarstrahlung wird aufgrund der ver­ ringerten Wandstärke wenig Reflektionsfläche entgegen­ gesetzt, so daß ein Großteil der einfallenden Solar­ strahlung in den Absorberkörper 20 gelangt und dort absorbiert wird. Die an der Vorderseite des Absorbers 20 eingesogene Umgebungsluft wird durch diesen gesaugt und dabei konvektiv erwärmt. Der abrupte Übergang zwischen den Bereichen verringerter Wandstärke 12' und den Bereichen voller Wandstärke 12 bildet eine Blende in den Strömungs­ kanälen 11, wodurch eine definierte Luftströmung erzielt werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines von einem Wärmeträ­ germedium durchströmbaren Absorberkörpers (1; 20) für einen Solarempfänger, bei welchem ein poröser Roh­ körper (10) aus Keramikmaterial mit strömungsdurch­ lässigen Poren an der Strahlungsempfangsseite (2) mit einer Partikelstrahlung (13) bearbeitet wird, wodurch in diesem Bereich die Porosität erhöht wird, so daß eine gestufte Porosität mit einer hohen Po­ rosität in dem der Strahlungsempfangsfläche benach­ barten bearbeiteten vorderen Bereich (1a; 20a) und einer geringeren Porosität im unbearbeiteten zurück­ liegenden Bereich (1b; 20b) entsteht.

2. Verfahren zur Herstellung eines Absorberkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohkörper (10) durchgehende Kanäle (11) aufweist und daß der Partikelstrahl (13) schräg gegen die Kanal­ wände (12) gerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Partikelstrahl (13) ein Sandstrahl ist.

4. Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absor­ berkörper (1; 20) aus Keramikmaterial, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, bei welchem die Porosität im zurückliegenden Bereich (1b; 20b) zwischen 70 und 80% und im vorde­ ren Bereich (1a; 20a) zwischen 75 und 95% beträgt.

5. Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absor­ berkörper (1; 20) aus Keramikmaterial, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkörper (20) Kanäle (11) aufweist, deren Wände im vorderen Be­ reich (1a; 20a) in ihrer Wandstärke reduziert sind.

6. Solarempfänger mit mindestens einem porösen Absor­ berkörper (1; 20) aus Keramikmaterial, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkör­ per (1; 20) aus Siliziumkarbid besteht.