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WO2018205043A1 - Verfahren zum betrieb eines receivers und receiver zur ausführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines receivers und receiver zur ausführung des verfahrens Download PDF

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WO2018205043A1
WO2018205043A1 PCT/CH2018/050015 CH2018050015W WO2018205043A1 WO 2018205043 A1 WO2018205043 A1 WO 2018205043A1 CH 2018050015 W CH2018050015 W CH 2018050015W WO 2018205043 A1 WO2018205043 A1 WO 2018205043A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
absorber
gas
radiation
space
absorption
Prior art date
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PCT/CH2018/050015
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English (en)
French (fr)
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WO2018205043A9 (de
Inventor
Gianluca AMBROSETTI
Philipp GOOD
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Synhelion SA
Original Assignee
Synhelion SA
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Publication date
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Priority to AU2018266741A priority patent/AU2018266741B2/en
Priority to EP18726716.6A priority patent/EP3622227A1/de
Priority to CN201880029272.0A priority patent/CN110720017A/zh
Priority to US16/609,147 priority patent/US12078389B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S70/00—Details of absorbing elements
    • F24S70/10—Details of absorbing elements characterised by the absorbing material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S80/00—Details, accessories or component parts of solar heat collectors not provided for in groups F24S10/00-F24S70/00
    • F24S80/20—Working fluids specially adapted for solar heat collectors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a receiver and a receiver for carrying out the method according to the preamble of claims 1 and 6, and to a method for producing a receiver according to the preamble of claim 18.
  • Receivers are used in solar power plants. They capture the concentrated solar radiation and thereby heat a heat-transporting medium, via which the heat obtained is utilized in a subsequent technical process, be it via the conversion into mechanical work, for example by the drive of turbines, for the execution of heat-requiring processes in industry or for heating, for example district heating of inhabited areas.
  • receivers designed essentially as tube bundles are used, which are suitable for temperatures of up to 600 ° C. and concentrations of 600 suns. For higher temperatures predominantly spatially trained receivers are used, which are designed for concentrations of 600 suns, 1000 suns or more.
  • Such temperatures are typically above 600 ° C, ranging from 800 ° C to 1000 ° C and above, and may reach the range of 1200 ° C to 1500 ° C in the near future.
  • Such receivers can be used, but on a smaller scale, even with Dish concentrators.
  • receivers are referred to as spatial receivers whose dimensions are comparably large in all three dimensions, in contrast to tubular receivers which are used in conjunction with trough or gutter collectors.
  • Such tubular receivers have a dimension, the length, which is a multiple, in the range of ten or a hundred times or more of the cross-sectional dimensions width or height.
  • Trough collector receivers are not designed for the above mentioned temperatures because the trough-shaped concentrator concentrates in two dimensions with respect to the receiver, but the field of heliostats in a tower power plant or a dish concentrator in three dimensions.
  • Such receivers are known to the person skilled in the art as volumetric receivers which are also suitable for solar tower power plants, with the required temperature being determined in such receivers. ren of more than 500 ° C, or more than 1000 ° C, for example, to reach 1200 ° C. However, the high operating temperatures lead to considerable design effort.
  • Volumetric receivers have an extensive (voluminous, hence the term "volumetric" Reciever) absorber structure, which may for example consist of a voluminous wire mesh or an open-porous ceramic foam.
  • the concentrated solar radiation then penetrates into the interior of the (voluminous) absorber structure and is absorbed there.
  • the heat-transporting medium such as air or a suitable reaction partner for a subsequent reactor, is passed through the open-porous absorber structure and thus absorbs heat by means of forced convection at the open-porous absorber structure.
  • the absorber structure can also consist of a tube structure, a staggered in depth lattice structure or a per se arbitrary structure with a large surface, which causes the convective heat transfer from the absorber structure to the heat-transporting medium when it flows through the absorber.
  • a volumetric receiver has become known, for example, from the REFOS project (Receiver for solar-hybrid gas turbine and combined cycle systems, R. Buck, M. Abele, J. K ⁇ ngerger, T. Denk, P. Heller and E. Lüpfert, in Journal de Physique IV France 9 (1999)), which is described in more detail below in connection with FIG.
  • Such receivers have the disadvantage that the absorber structure can be complicated to produce and the flow through the absorber can become unstable, in particular due to an undesirable temperature distribution during operation. Accordingly, it is the object of the present invention to provide an improved receiver.
  • the selected heat-transporting gas is absorptive in the frequency bands of the infrared range, and the operating parameters are set in such a way that a considerable part of the heat increase is absorbed by Sorption takes place in the heat-transporting gas, a simplified concept of the receiver can be realized, since the heat transfer by convection takes place only reduced.
  • the absorption arrangement is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection, simplifies the formation of the absorber, and thus construction and operation of the receiver, since the absorber no longer over its depth, the introduced via the solar radiation heat convectively to the heat-transporting gas must give up.
  • 1 b shows schematically a diagram with the temperature profile in the receiver of FIG.
  • FIG. 3 shows schematically a diagram with the temperature profile in the receiver of FIG. 2,
  • 6a and 6b are diagrams with the temperature profile in a receiver according to the invention.
  • Fig. 7a-c diagrams with the efficiency and the temperature of the absorbent surface in a receiver according to the invention
  • FIG. 8 shows the steps of an inventive operating method for a receiver
  • 9 shows the steps of a manufacturing method for a receiver according to the invention.
  • FIG. 1 a shows a test arrangement for a volumetric receiver 1 according to the REFOS project, with a heating area 2 for heating a heat-transporting medium, in this case air, which has an opening 3 designed as a quartz window for the radiation of the sun or sunlight 4 and arranged in the path of the incident radiation 4 behind the quartz window 3, this radiation 4 absorbing absorber 5.
  • a transport assembly 6 for the transport of the heat-transporting medium through the heating area 2 has in the embodiment shown an inlet 7, through which the medium with a Inlet temperature T in enters the receiver 1 and an outlet 8, through which it leaves this with the outlet temperature T out .
  • the air at the inlet temperature T in is conducted to the front side of the receiver 1, where it passes through suitably formed openings 10 into a distribution space 11 located in front of the absorber 5, then distributes the absorber 5 flows through it, thereby convectively heated, and finally passes with the temperature T out in a collecting space 13 and from there into the outlet 8, through which it leaves the receiver 1.
  • the quartz window 3 is arched towards the inside, so that the receiver 1 can be operated at elevated pressure, so that the heated air can be supplied under pressure to a downstream consumer, for example a turbine.
  • the constructed as a volumetric absorber, space-saving the contour of the quartz window 3 tracked absorber 5 has a number of layers of a fine wire mesh, in which the sunlight 4 can penetrate deeply, so that the absorber 5 is heated over its entire depth and thus the flowing through it Air convectively heated to T out .
  • a conventional absorber can be formed from an open-pore ceramic foam or other arrangement having a very large surface area compared to the volume of air in the absorber to achieve the required convective heat transfer.
  • An insulation 12 surrounds the receiver 1, to which in front of its optical aperture 3, a secondary concentrator omitted for relief of the figure is connected, which controls the flow the solar radiation 4 concentrated to the quartz window 3.
  • a control for the receiver 1 and the transport arrangement 6 is further omitted, via which the operation of the receiver 1 or the supply and removal of air is suitably regulated, as is known in the art.
  • FIG. 1b shows a diagram 15 with a temperature curve 16 which, in conjunction with FIG. 1 a, schematically shows the temperature profile of the air flowing through the receiver 1.
  • a small convective heating of the air takes place from T in to Ti (part 17 of the temperature curve 16).
  • section B during the passage of the air through the openings 10 in the absorber 5, a first, relevant and convective heating of Ti to T 2 takes place (part 18 of the temperature curve 16).
  • section C ie in the distribution space 11, the air heats up absorptively, but only slightly, since air as a gas mixture contains, for example, a small amount of CO 2 (or another gas) which absorbs in the infrared, but is otherwise substantially transparent to infrared radiation (Part 19 of the temperature curve 16).
  • the air in section D flows through the absorber 5, where it is convectively heated to the temperature T 4 , which corresponds to the outlet temperature T out (part 20 of the temperature curve 16).
  • section E the air passes through the collecting space 13 in the outlet 8, which in turn results in a small absorptive increase in temperature by the infrared-absorbing gas component.
  • the temperature jump from T in to T out is essentially convective.
  • Figure 2 shows schematically an embodiment of an inventive, designed as a spatial receiver receiver 25, with a heating region 26, which has an opening 3 for the radiation of the sun, such as a quartz window, and a plate-shaped absorber 27, wherein between the quartz window 3 and the Absorber 27, an absorption space 28 is provided, which is traversed by the heat-carrying medium according to the arrows from right to left, ie against the absorber 27, respectively.
  • the transport device 29 arranged around the quartz window 3 around inlet nozzle 30 for heat-transporting medium, which lead into the absorption space 28, and a central outlet 31 behind the absorber 27.
  • the absorber 27 is designed as a black body radiation arrangement, ie it has a surface 27 'which absorbs this radiation and is arranged in the path of the incident sunlight or the incident solar radiation 4 and which is designed such that it forms on the surface 27 'incident solar radiation 4 is operatively heated and then emits infrared radiation into the absorber chamber 28 via its surface 27'.
  • the absorber 27 transfers its heat output to a considerable extent in the form of infrared radiation into the absorber space 28, where the heat-transporting medium already heats up largely or predominantly absorptively with respect to T out before it reaches it.
  • a "black body radiation arrangement” is understood to mean that the incident solar radiation 4 is absorbed to the greatest possible extent on the surface of the absorber (ie basically penetrates only slightly into the absorber, in contrast to the known volumetric absorbers) that this surface heats up high and thereby radiates in the manner of a black body with the relevant high temperature in the absorber space 28, with respect to the solar radiation other frequency spectrum.
  • the majority of blackbody radiation emitted into the absorber space 28 is at temperatures of the absorber 27 to 2000 ° K (or even higher) in the infrared region, i. as mentioned, in relation to the visible light lower frequencies.
  • the absorber according to the invention is designed to be cooled via its black body radiation so that the ratio ⁇ can be achieved (see the description below).
  • the absorber 27 is further preferably formed konve irritationsarm, ie, for example, easily flowed through, without increased convective properties for the heat exchange of importance.
  • a receiver is provided with a heating area for the heating of a heat-transporting medium, which has an opening for the radiation of the sun and an absorber arranged in the path of the incident radiation of the sun, with a transport arrangement for the transport of the medium through the heating region, wherein an absorption space for heating the heat-transporting medium is provided outside the absorber and the absorber is designed as a convection-poor blackbody radiation arrangement and the transport arrangement for the transport of a gas as a heat-transporting medium.
  • the absorber designed for the flow through of the heat-transporting gas which is designed as a convection-poor blackbody radiation arrangement, is preferably formed, and more preferably lies opposite the optical opening 3.
  • the absorber space 28 is provided between the opening 3 for the radiation of the sun and the absorber 27, wherein the ratio ⁇ is the ratio of the temperature increase (T 3 -T 2 ) by absorption of the radiation of the absorber 27 in this absorber space 28 to the total temperature increase (T 4 - T 2 ) by the absorption and convection at the absorber 27, after which the gas has passed this.
  • the gas has then passed through the absorber 27 when it has either just passed through the absorber 27 and thus reaches the collecting space 33, or if it has just been taken sideways at the location of the absorber 27 (for example through openings 92 '' or 93 ''). according to Figure 5), wherein of course in a specific embodiment, both options can be provided simultaneously.
  • the collecting space 33 which is located on the back of the absorber 27, formed as a further absorber space.
  • gas is passed around the absorber to a rear side of the absorber and then away from it.
  • the heating area has two absorber spaces with a common absorber, wherein the ratio ⁇ is provided for one or both of the absorber rooms.
  • an infrared-absorbing gas or gas mixture is further used, which absorbs in frequency bands of the infrared range.
  • gases are for example heteropolar gases, preferably C0 2 , water vapor, CH 4 , NH 3 , CO, S0 2 , S0 3 , HCl, NO, and N0 2 , or a mixture thereof, such as a mixture of water vapor and C0 2 .
  • the radiation of the sun has a proportion of infrared frequency bands, as far as they pass through the atmosphere to the earth's surface. Thanks to the formation of the heating region 26 such that it is little to almost transparent for infrared frequencies, this (comparatively small) fraction contributes so far directly, without detour via the absorber 27, according to the invention most efficiently for heating the heat-transporting fluid. This is in contrast to conventional receivers, in which the infrared portion of the solar radiation substantially heats the absorber and is then given off predominantly convectively to the heat-transporting fluid.
  • the absorber according to the invention may be formed as a perforated plate, preferably as a double perforated plate or as a simple, flat lattice structure.
  • a hole pattern is distributed over the extent thereof, so that the heat-transporting gas can easily flow through, but enough or as much as possible is given to the surface of the perforated plate for absorbing the incident solar radiation and the infrared reflection into the absorber space.
  • the hole pattern can be designed for easy flow, since the need for convection is eliminated, and reduced flow resistance is advantageous. The person skilled in the art can easily optimally determine the hole pattern in the specific case.
  • the absorber can also be made gas-tight, in which case the gas, as shown, for example, in FIG. 5, flows laterally out of the absorber chamber 26. Then the gas is guided past the absorber.
  • the skilled person can provide a mixed form in the specific case, so that a part of the gas flows through the absorber and a part flows past him.
  • the absorber then has at least partially a gas-tight surface and is preferably plate-shaped (a completely gastight surface is present when the gas is conducted past the absorber).
  • a suitable material for the absorber has both a high degree of absorption of solar radiation and a high emissivity of infrared radiation, which - if necessary - with suitable texturing of the surface 27 'such as V-grooves, in the surface in or outstanding pyramids, or other radiation traps can be additionally increased.
  • high temperature (change) and corrosion resistance for example, oxidation by steam or CO 2 at high temperatures
  • Suitable materials are both high-temperature ceramics such as silicon carbide (SiC) and refractory materials that the expert in a particular case, among others, with regard to the intended temperature range, can select.
  • an inventive eceiver with a heating range for the heating of a heat-transporting medium having an opening for the radiation of the sun, and arranged in the path of the incident radiation of the sun, these absorbing absorber, with a transport arrangement for the Transporting the medium through the heating area, characterized in that an absorber space is further provided for heating the heat-transporting medium and the absorber is designed as a radiation arrangement acting in the absorber space and the transport arrangement for transporting a gas as heat-transporting medium, wherein the heat-transporting medium is substantially an absorbing gas in frequency bands of the infrared range, and the absorber space cooperating with the absorber is dimensioned such that, in operation, the ratio ⁇ of the temperature increase (T 3 -T 2 ) of the one in frequency bands of the infrared region absorbing, heat-transporting gas by absorption in the absorber space against the temperature increase (T 4 -T 2 ) by the absorption and the convection at the absorber,> 0.3.
  • the receiver according to the invention can be designed such that the temperature during transport through the heating area by absorption of the radiation of the absorber increases such that the ratio ⁇ of the temperature increase (T 3 - T 2 ) by absorption of the Radiation of the absorber against the total increase in temperature (T 4 -T 2 ) by the absorption of the radiation of the absorber and convection at the absorber is> 0.3.
  • FIG. 3 shows a diagram 40 with a temperature curve 41 which, in conjunction with FIG. 2, shows schematically the temperature profile of the gas flowing through the receiver 25.
  • section F heating of the infrared-absorbing, heat-transporting gas from T in to Ti is shown by the part 42 of the temperature curve, in the case where in the embodiment of the receiver 25 shown in FIG. 2 the infrared-absorbing gas is the same as in the receiver 1 Air ( Figure 1) is also the absorption space 28 along the end to be transported (which is not mandatory).
  • section G there is a small convective heating of the air from Ti to T 2 (part 43 of the temperature curve 41) due to the passage of the gas through the inlet ports 30.
  • the infrared-absorbing gas flows through the absorption space 28 and heats up absorptively through the infrared radiation 32 of the absorber 27 (here with the infrared portion of the solar radiation) from T 2 to T 3 (part 44 of the temperature curve 41) flows through it in section I and thereby convectively heated from T 3 to T 4 (part 45 of the temperature curve 41).
  • the infrared-absorbing gas in section K of T 4 to the outlet temperature T out (part 46 of the temperature curve 41) while the gas is in the collecting space 33 and flows against the outlet 31.
  • the temperature jump from T in to T out according to the invention results in a large or predominantly absorptive condition.
  • the transport arrangement of the receiver preferably has an absorption space 28 in the flow direction before and a further absorption space (formed here as collecting space 33 in the flow direction behind the absorber 27.
  • the expert sets in this particular case the operating parameters, usually starting from the desired or necessary outlet temperature T out and given by using the heat from the receiver inlet temperature T in. He also chooses the appropriate in this case infrared absorbing gas or gas mixture and sets the flow rate in the absorption chamber 28 fixed (which in turn may be dependent on the current solar radiation).
  • Such and further operating parameters resulting in the specific case may depend on each other, with the result that the absorptive increase in temperature from T 2 to T 3 in section H of Figure 3, ie in the absorption space 28, in the specific case depending on the larger or smaller fails.
  • the expert can, as mentioned, in the specific case, the ratio ⁇ > 0.3 on the absorption of only the absorber radiation 32,55 or on the absorption of the absorber radiation including the absorption of the infrared portion of the absorption chamber 28, 57 ( Figures 2 and 4) current solar radiation 4 relate.
  • a gas absorbing in frequency bands of the infrared range is provided as the heat-transporting medium.
  • an absorption space cooperating with the absorber is dimensioned such that, during operation, the ratio ⁇ of the absorptive temperature increase (T 3 -T 2 ) of a heat-transporting gas absorbing in frequency bands of the infrared range in the absorption chamber compared with the total temperature increase (T 4 - T 2 ) by absorption and convection at the absorber> 0.3.
  • the heat exchanging gas flows through an absorber zone (absorption space 28) against an absorber (absorber 27), wherein it is absorptive in the absorber zone and also convectively heated by the absorber.
  • a receiver can be constructed in several stages, ie heat heat-transfer medium gradually. According to the invention, at least one stage for absorptive / convective heating with the ratio ⁇ of> 0.3 is then formed.
  • the heating area then preferably has two absorption spaces, the ratio ⁇ being provided for one or both of the absorption spaces in conjunction with the absorber.
  • a determining parameter here is the absorptivity a of the heat-transporting gas, which can be measured by experiments, calculated from spectral line values of molecular spectroscopic data bases (for example HITEMP2010), or approximately determined from emissivity diagrams according to the Hottel rule.
  • a distance H between the absorber and the opening is such that 60% or more of the heat energy radiated by the absorber is absorbed by the heat-transporting gas in this spatial area, this results in a good efficiency of the receiver , which is designed to absorb the absorber heat.
  • a height in said spatial region is such that 80% or more, particularly preferably 90% or more, of the radiated heat output of the absorber is absorbed by the heat-transporting gas.
  • the absorber space certainly has an opening for the radiation of the sun and an absorber acting on it via its black body radiation, wherein, according to FIGS. 2 and 4, the absorber preferably lies opposite the opening.
  • the absorber space can also not be cylindrical, but can be formed as desired, for example with recessed side walls, so that the opening is smaller than the absorber surface, which is advantageous in view of the unwanted reflection.
  • the radiation is concentrated in the aperture by a concentrator and diverges after the aperture so that the whole and larger absorber surface is illuminated.
  • the absorber space may not have under the re-entrant walls, but below the opening a height such that in the affected space area (where this height is present) is an absorption in the above degree.
  • the absorptivity depends on the nature of the gas, its pressure and the temperature of the radiating absorber surface and that of the gas itself (Hottel's rule), the skilled person can determine the height as a function of the absorption-determining parameters: as mentioned, these are the type of the gas, its operating pressure, its temperature and the temperature of the absorber surface during operation, which determine insofar an operating state of the receiver.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the receiver according to the invention.
  • the portion 54 substantially absorbs infrared radiation emitted by the absorbing surface 51 ', as far as it has not yet been absorbed by the gas flowing therealong, that is to say in particular radiation in those frequency bands for which the gas is less absorptive.
  • Section 54 represents a secondary absorber.
  • Such an arrangement can be made in larger dimensions, for example with a diameter of the absorber surface 51 'of 15.96 m and a length of the absorption rim 53 (absorber surface 51' to optical opening 3) of 15.96 m.
  • the receiver 50 is adapted to receive the flow of a large number (or all) heliostats of a tower power plant. It follows that the receiver 50 has an absorption space 57 and the absorber 51 projects with a section or secondary absorber 54 into this space, which is preferably plate-shaped.
  • a transparent for example for the visible spectrum of sunlight glass wall can be provided as Sekundärabsorber, approximately in the middle between the absorber surface 51 'and the optical opening 3 ( Figure 4) parallel to Absorber surface 51 'is arranged and passages, for example in the manner of a perforated plate, for the heat-transporting gas.
  • the glass wall is heated by the infrared radiation of the absorber surface 51 ', or by their not yet absorbed by the gas frequency components and radiates even in the nature of the black body in both directions, namely both the optical aperture and against the absorber.
  • the person skilled in the art can design the glass plate in such a way that for the section of the absorption space between the glass plate and the optical opening and its associated glass plate and also for the section of the absorption space between the glass plate and the absorber with the absorber assigned to it, the ratio ⁇ of> 0.3.
  • this results in a receiver which has another secondary absorber designed as a black body radiation arrangement with reduced convection in an absorption space located in front of the absorber, which is arranged and designed such that it can be heated by the infrared radiation of the absorber.
  • FIG. 5 schematically shows a cross section through a further embodiment of a receiver such as that of FIG. 2.
  • the sun's rays 4 fall through a window of, for example, quartz glass 3 onto the absorber 27, whose radiating surface 27 'surrounds the gas flowing through the absorption space 26 heated, the temperature of which increases from the window 3 to the absorber 27 towards. Accordingly, the gas via openings 91 to 91 "'in the cylindrical wall of the receiver 90 can be removed at different temperatures.
  • the arrows indicate the direction of flow of the heat-transporting gas, wherein the arrows at the openings 91 to 91 "are drawn longer correspondingly to the rising temperature Alternatively or together with the openings 91 to 91"', a line protruding into the absorption space 26 93 are provided for the gas, which then feeds via openings 92 to 92 "'gas at the prevailing at the location of the openings 92 to 92''temperatures. This is especially advantageous if the receiver 90 supplies a downstream process which proceeds at different temperature stages with heat.
  • Heat-transporting gas can then be conducted back to the receiver at likewise different temperatures from this process, so that further feed lines for the heat-transporting gas into the absorption space 26 are more preferably in the region of the openings 91 to 91 '' and 92 to 92 '' of the receiver 90 (which are omitted here to relieve the figure).
  • the transport arrangement comprises one or more lines 91 to 91 '' and 92 to 92 '' for heat-transporting gas connected to an absorber space 26, which are arranged in such a way that gas which is partially heated is taken from the absorber space 26 and / or or divergently heated gas can be supplied at a location at which substantially the temperature of the gas in the absorber space 26 corresponds to the temperature of the partially heated, supplied gas.
  • Such supply and discharge lines for partially heated gas can be provided on an absorptive receiver according to the invention, without having to modify its layout, in particular the absorber 27 - these lines can also be used or shut down without it being due to the different heat transfer requires a constructive modification.
  • the system has been modeled using the most accurate method available today, namely "spectral line-by-line (LBL) photon Monte Carlo ray tracing", the absorption coefficients being derived from the HITEMP 2010 Spectroscopic Database. Modeled is a receiver whose absorption space has a diameter of 15.96 m and a height of 15.96 and the opening 3 has a diameter of 11.28 m. This results in an area of the absorbing surface 27 'of 200 m 2 and an area of the opening 3 of 100 m 2 . As a heat-transporting medium, water vapor was assumed, at a pressure of 1 bar, without windows in the opening 3.
  • LBL line-by-line
  • the radiation flux at the opening 3 is 200 kW / m 2 and at the absorbing surface 27 '600 kW / m 2 (which compared to Opening 3 has twice the area).
  • the absorbent surface 27 ' was assumed to be a radiating black body, and, in contrast to Figure 2, with a continuous flat and smooth surface, so that the heat-transporting medium in the manner of Figure 5 through openings 91 "' at the level of the absorber 27th is led away laterally from the absorber space 26.
  • Figures 6a and 6b show the temperature profile during operation of the receiver 20 (Figure 2) along its longitudinal axis, starting from the opening 3: on the vertical axis, the temperature is plotted in Kelvin, on the horizontal axis, the distance from the opening 3.
  • the diagram 60, Figure 6a shows a process with an inlet temperature T in of l'OOO K and an outlet temperature T out of 400 K.
  • the diagram 65, Figure 6b shows a process also with an inlet temperature T in of l'OOO K, but an initial temperature T out of 800 K.
  • FIGS. 6a and 6b show, together with a proof-of-concept for an absorptive receiver, the possible embodiment of such a receiver according to FIG. 5.
  • FIG. 7 a shows a diagram 70 for the efficiency of the receiver 20 (FIG. 2).
  • the outlet temperature T out is plotted, assuming a constant inlet temperature T in of l'OOO K.
  • the curve 71 shows the efficiency of the receiver 20 as a function of the output temperature T out .
  • the reduction of the efficiency towards higher temperatures T out is explained by the increased (loss) reverberation caused by the higher temperatures out of the opening 3 - despite the constant inlet temperature T in of l'000 K, since a portion of the reversion from the interior of the absorber room (at elevated temperatures).
  • the concept of the absorptive receiver accordingly has an efficiency that is equivalent to the conventional, convective receivers or even improved with increasing output temperature Tout.
  • FIG. 1 shows a diagram 70 for the efficiency of the receiver 20 (FIG. 2).
  • the outlet temperature T out is plotted, assuming a constant inlet temperature T in of l'OOO K.
  • the curve 71 shows the efficiency of the
  • FIG. 7b shows a diagram 75 of the temperature of the absorbent surface 27 'as a function of the starting temperature T out .
  • the curve 76 shows the temperature at the edge of the absorbent surface 27 'and the curve 77 the temperature at its center.
  • the curve 78 shows its average temperature.
  • the decreasing temperature difference to the absorbing surface 27 'with higher T out is explained by the fact that the energy radiation of the black body increases with the fourth power of its temperature - with a relatively small increase in temperature (here around 300 K), the heat-transporting medium is massively heated higher (here around 1000 K).
  • the concept of the absorptive receiver therefore has considerable flexibility with regard to the intended temperature T out : an absorber suitable for high temperatures can equally be used for different temperatures T out , which is not the case with the convective absorbers of the prior art, and supports the concept of the apsorptive low-cost high-temperature receiver.
  • the ratios shown in FIGS. 6a, b and 7a, b also apply to a receiver 20 (FIG. 2) with smaller dimensions but increased pressure in the heat-transporting medium.
  • Figure 7c shows a diagram 80 for the efficiency of the receiver 20 ( Figure 2), but with a window in the opening 3 and for different dimensions.
  • the dimensions of the receiver 20 and all the embodiments according to the invention of the absorptive receiver can be easily scaled, whereby for a comparably high degree of efficiency or comparable temperature ratios with a reduction of the dimensions the pressure must be increased in the same ratio, here e.g. at a reduction by a factor of 10, the pressure increases by a factor of 10.
  • FIG. 7c shows the conditions for a pressure of 10 bar.
  • the skilled person can provide the overpressure in a range between 2 and 20 bar, more preferably between 5 and 15 bar and most preferably, as mentioned above, of 10 bar.
  • ⁇ is in a range of> 0.9 since the convection on the flat and smooth absorbing surface is very small. It should be noted that convection fundamentally cools the absorber somewhat, therefore it is suitable to lower the efficiency-reducing losses by re-radiation out of the opening 3, ie to increase the efficiency of the receiver. However, increased convection leads to increased pressure losses in the flowing gas (which in turn reduces the efficiency), and to increased construction costs of the absorber. In the concrete case, the person skilled in the art can determine the optimum ratio between absorption and convection, ie a specific value for ⁇ 3 - ⁇ 2
  • the absorber is the same as in the receiver 25 ( Figure 2) disposed opposite the optical opening 3 and forms a wall portion of the absorption space 28 ( Figure 2).
  • the absorber is not provided with flow-through openings for the heat-transporting medium, but instead is at least partially gas-tight, so that heated gas flows radially out of the absorption space at the level of the absorber. This simplifies the design of the absorber once again, the ratio ⁇ can be increased to a value higher than 0.3.
  • the expert can optimize the embodiment according to Figure 2, or by combining this embodiment with other described features (additional portion 54 of the absorber 51 of Figure 4, glass plate according to the embodiment not shown in the figures, etc.) the value of the ratio ⁇ of> 0.3 to> 0.4 or> 0.5 or> 0.6 or> 0.7 or even increase to> 0.8.
  • FIG. 8 shows the steps of a method for operating a preferred spatial receiver according to the present invention.
  • a suitable receiver is selected, for example with a structure according to FIG. 2, which has an absorber which can be heated by sunlight, against which gaseous, heat-transporting medium is guided by a transport device in order to heat it for the heat transport through the absorber .
  • a gas absorbing in the infrared range is selected as the heat-transporting gas, in particular a heteropolar gas or one of the gases CO 2 , water vapor, CH 4 , NH 3 , CO, SO 2 , SO 3 , HCl, NO, and NO 2 (Or a mixture of this gas), to absorb black body radiation of the absorber by absorption of the transported against the absorber gas before the absorber and so to heat the heat-transporting medium.
  • a third step 62 the operating parameters of the receiver are set such that, during operation of the receiver, the ratio ⁇ of the temperature increase of the heat-transporting medium by absorption in front of the absorber against the temperature increase by absorption and convection at the absorber is> 0.3.
  • the receiver is put into operation and driven with the parameter ⁇ > 0.3.
  • the result is a method for operating a receiver having a heating area for the heating of a heat-transporting medium, and a transport arrangement for the transport of the medium through the heating area, wherein in the heating area an opening for the radiation of the sun and in the path the absorbing radiation of the sun arranged, this absorbing absorber is provided, and wherein as the heat-transporting medium is provided in frequency bands of the infrared absorbing gas, and the operating parameters of the receiver set and the gas is selected such that its temperature during transport through the heating area (to the absorber) by absorption of radiation increases such that the ratio ⁇ of the temperature increase (T 3 -T 2 ) by absorption of radiation against the total temperature increase (T 4 -T 2 ) by the absorption and convection at the absorber> 0 , 3 is.
  • the ratio ⁇ > 0.3 relates to the absorption of only the absorber radiation, so that the temperature during transport through the heating region by absorption of the radiation of the absorber increases such that the ratio ⁇ of the temperature increase (T3 - T2) by Absorption of the radiation of the absorber opposite the total increase in temperature (T4 - T2) by the absorption of the radiation of the absorber and convection at the absorber is> 0.3.
  • the person skilled in the art can calculate the ratio ⁇ > 0.3 on the absorption of only the absorber radiation 32, 55 or on the absorption of the absorber radiation, including the absorption of the infrared portion by the absorption space 28, 57 (FIGS. 2 and 4). refer to current solar radiation 4.
  • a heteropolar gas is selected as the absorbing gas, more preferably C0 2 , steam, CH 4 or a mixture of these gases.
  • the person skilled in the art can then modify the process according to the invention such that the ratio ⁇ is equal to or greater than 0.4, or 0.5 or preferably equal to or greater than 0.7, more preferably equal to or greater than 0.8.
  • the method according to the invention can be embodied such that the gas is passed through the absorber. Alternatively it can be provided that the gas is guided past the absorber.
  • FIG. 9 shows the steps of a production method according to the invention for an eceiver, for example according to FIGS. 2 to 4, wherein in step 70 the absorber is designed as a black body radiation arrangement with reduced convection and correspondingly an absorber space interacting with the absorber is provided to absorb the heat to transfer the heat-transporting gas.
  • a gas absorbing in frequency bands of the infrared region is provided as a heat-transporting gas together with the dimensions of the absorber space so that a predetermined operating condition of the receiver can be defined in which the temperature increase of the heat-transporting gas by absorption (the blackbody (Infrared) radiation of the absorber and the infrared components of the sun compared to the temperature increase by absorption and convection at the absorber in a ratio ⁇ > 0.3.
  • the result is a manufacturing method for an eceiver with a heating area for the heating of a heat-transporting medium, and a transport arrangement for the transport of the medium through the heating area, wherein in the heating area an optical opening for sunlight and in the path of the incident sunlight arranged, the absorber absorbing sunlight is provided, characterized in that the absorber is formed as a blackbody - radiation arrangement with reduced convection and an absorber space cooperating with the absorber space is provided as a heat transporting medium in a frequency bands of the infrared absorbing gas and so provided the absorber space is measured that in a predetermined operating condition of the receiver, the temperature of the absorption space operatively flowing through the heat-transporting medium by absorbing the infrared radiation of the absorber Bers (and the infrared components of the solar radiation) increases, such that the ratio ⁇ of the temperature increase (T 3 -T 2 ) by absorption in the absorber space compared to the total temperature increase (T 4 -T 2 ) by the absorption and con
  • a heteropolar gas is preferably provided as the gas, particularly preferably CO 2 , steam, CH 4 , NH 3 , CO, SO 2 , SO 3 , HCl, NO, and NO 2 or a mixture of these gases.
  • the ratio ⁇ is set to be equal to or greater than 0.4, preferably 0.5, more preferably 0.6, more preferably 0.7 and most preferably 0.8.
  • a secondary absorber designed as a black body radiation arrangement with reduced convection can be provided in the absorber space, and more preferably the receiver can be designed as a spatial receiver.

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Abstract

Der erfindungsgemässe Receiver (25) ist mit einem Erwärmungsbereich für die Erwärmung von einem Wärme transportierenden Medium, der eine optische Öffnung (3) für Sonnenlicht, und einen im Pfad des einfallenden Sonnenlichts (4) angeordneten, das Sonnenlicht absorbierenden Absorber (27) aufweist, und mit einer Transportanordnung für den Transport des Mediums durch den Erwärmungsbereich hindurch versehen, wobei der Absorber (27) als Schwarzkörper - Strahlungsanordnung mit reduzierter Konvektion und die Transportanordnung für den Transport eines Gases als Wärme transportierendes Medium ausgebildet ist. Dadurch kann der Receiver einfacher und zuverlässiger ausgebildet werden.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Receivers und Receiver zur Ausführung
des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Receivers und einen Re- ceiver zur Ausführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6, sowie ein Herstellverfahren für einen Receiver nach dem Oberbegriff von Anspruch 18.
Receiver werden in Solarkraftwerken eingesetzt. Sie fangen die konzentrierte Sonnenstrahlung auf und erwärmen dadurch ein Wärme transportierendes Medium, über welches 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. 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 rohrförmi- gen 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.
Solche Receiver sind dem Fachmann als volumetrische Receiver bekannt, die auch für Solar- Turmkraftwerke geeignet sind, wobei sich in solchen Receivern die geforderten Temperatu- ren 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.
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 ge- leitet 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.
Ein volumetrischer Receiver ist beispielsweise durch das REFOS Projekt bekannt geworden (Receiver for solar-hybrid 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 Figur 1 näher beschrieben wird.
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. Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Receiver zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.
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 Ab- sorption im Wärme transportierenden Gas erfolgt, lässt sich ein vereinfachtes Konzept des Receivers realisieren, da der Wärmeübergang durch Konvektion nur noch verringert erfolgt.
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.
Bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf. Nachstehend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. la einen Receiver gemäss dem Stand der Technik,
Fig. lb schematisch ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Receiver von Fig. la,
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 c 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.
Figur la zeigt eine Versuchsanordnung für einen volumetrischen Receiver 1 gemäss dem RE- FOS 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.
Über randseitige Kanäle 9 der Transportanordnung 6 wird die Luft mit der Eintrittstempera- tur 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 Quarzfenster 3 ist gegen innen ge- wölbt, so dass der Receiver 1 mit erhöhtem Druck betrieben werden kann, damit die erwärmte Luft unter Druck einem nachgeschalteten Verbraucher zugeführt werden kann, beispielsweise einer Turbine.
Der als volumetrischer Absorber aufgebaute, raumsparend der Kontur des Quarzfensters 3 nachgeführte Absorber 5 weist eine Anzahl Schichten eines feinen Drahtgeflechts auf, in welche das Sonnenlicht 4 tief eindringen kann, so dass 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 Ab- sorber sich befindenden Luftvolumen sehr grosser Oberfläche gebildet werden, um den erforderlichen konvektiven Wärmeübergang zu erzielen.
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.
Figur lb zeigt ein Diagramm 15 mit einer Temperaturkurve 16, die in Verbindung mit Figur la schematisch den Temperaturverlauf der durch den Receiver 1 strömenden Luft zeigt. Im Ab- schnitt A vom Einlass 7 bis zum Ende der randseitigen Kanäle 9 erfolgt eine geringe konvekti- ve Erwärmung der Luft von Tin auf Ti (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 Ti 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.
Figur 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. Der Absorber 27 ist erfindungsgemäss 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 betriebsfä- hig erhitzt und dann über seine Oberfläche 27' entsprechend Infrarotstrahlung in den Absorberraum 28 abgibt.
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 transportie- rende Medium sich im Hinblick auf Tout schon weitgehend oder überwiegend absorptiv erhitzt, bevor es ihn erreicht.
Eine reale Struktur strahlt nur annähernd so, wie dies der ideale schwarze Körper tut. Vorliegend wird unter einer "Schwarzkörper-Strahlungsanordnung" verstanden, dass die einfallen- de 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), so dass 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 Schwarzköprer- 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.
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).
Eine aufwendige, insbesondere für volumetrische eceiver 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. 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 not- wendige 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.
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 Figur 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.
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. 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. Bevorzugt ist weiter, wie Figur 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 Figur 5), wobei natürlich in einer konkreten Ausführungsform beide Möglichkeiten gleichzeitig vorgesehen werden können.
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 weg geführt.
Dann durchströmt das bereits absorptiv und konvektiv erwärmte, Wärme transportierende Gas diesen weiteren Absorptionsraum 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 op- timieren.
Damit weist der Erwärmungsbereich zwei Absorberräume mit einem gemeinsamen Absorber auf, wobei das Verhältnis χ für einen oder für beide der Absorberräume vorgesehen wird. 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 eceiver 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, so dass sie sich also vor dem Absorber 27 absorptiv betreffend Tout in erheblichem oder überwiegenden Mass er- wärmen. 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.
Es sei weiter angemerkt, dass natürlich auch die Strahlung der Sonne einen Anteil an infraroten Frequenzbändern aufweist, soweit diese durch die Atmosphäre bis zur Erdoberfläche gelangen. Dank der Ausbildung des Erwärmungsbereichs 26 derart, dass dieser für Infrarotfre- quenzen wenig bis kaum durchsichtig ist, trägt dieser (vergleichsweise kleine) Anteil soweit direkt, ohne Umweg über den Absorber 27, damit erfindungsgemäss höchst effizient zur Erwärmung des Wärme transportierenden Fluids bei. Dies im Gegensatz zu konventionellen Receivern, bei denen auch der Infrarot-Anteil der Sonnenstrahlung im Wesentlichen den Absorber erwärmt und dann überwiegend konvektiv an das Wärme transportierende Fluid ab- gegeben wird.
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, so dass 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 konvekti- onsarmem 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, so dass 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).
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 sowohl Hochtemperaturkeramiken wie Siliziumcarbid (SiC) als auch feuerfeste Baustoffe, die der Fachmann im konkreten Fall unter Anderem im Hinblick auf den vorgesehenen Temperaturbereich, auswählen kann.
Es ergibt sich ein erfindungsgemässer eceiver mit einem Erwärmungsbereich für die Erwär- mung 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 Ab- sorber 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 Absorberraum gegenüber der Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und die Konvektion am Absorber, > 0,3 ist. Dabei kann nach Wahl des Fachmanns im konkreten Fall der erfindungsgemässe Receiver derart ausgebildet werden, dass die 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 ge- genüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption der Strahlung des Absorbers und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
Figur 3 zeigt ein Diagramm 40 mit einer Temperaturkurve 41, die in Verbindung mit Figur 2 schematisch den Temperaturverlauf des durch den Receiver 25 strömenden Gases zeigt.
Im Abschnitt F ist durch den Teil 42 der Temperaturkurve die Erwärmung des infrarot absorbierenden, Wärme transportierenden Gases von Tin auf Ti dargestellt, für den Fall, dass bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform des Receivers 25 das infrarot absorbierende Gas wie beim Receiver 1 die Luft (Figur 1) ebenfalls dem Absorptionsraum 28 entlang zur Stirnsei- te transportiert werden soll (was jedoch nicht zwingend ist). Im Abschnitt G erfolgt eine geringe konvektive Erwärmung der Luft von Ti auf T2 (Teil 43 der Temperaturkurve 41) aufgrund des Durchgangs des Gases durch die Einlassstutzen 30.
Im Abschnitt H fliesst das infrarot absorbierende Gas durch den Absorptionsraum 28 und er- wärmt sich absorptiv durch die Infrarotstrahlung 32 des Absorbers 27 (hier mit dem Infrarot- Anteil der Sonnenstrahlung) 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.
Es ergibt sich aus der Darstellung der Figuren 2 und 3, dass die Transportanordnung des Re- ceivers bevorzugt einen Absorptionsraum 28 in Strömungsrichtung vor und einen weiteren (hier als Sammelraum 33 ausgebildeten) Absorptionsraum in Strömungsrichtung hinter dem Absorber 27 aufweist. 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 Tin. Weiter wählt er das im konkreten Fall geeignete infrarot absorbierende Gas bzw. Gasgemisch und legt die Strömungsge- schwindigkeit im Absorptionsraum 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 Figur 3, d.h. im Absorptionsraum 28, im konkreten Fall je nach dem grösser oder kleiner ausfällt.
Die Anmelderin hat gefunden, dass sich die erfindungsgemässen Vorteile bereits bei einem Verhältnis χ von > 0,3 relevant auswirken, wobei
Ύ =
T4-T2
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.
Der Fachmann kann, wie erwähnt, im konkreten Fall das Verhältnis χ > 0,3 auf die Absorption nur der Absorberstrahlung 32,55 oder auf die Absorption der Absorberstrahlung einschliesslich der Absorption des Infrarot-Anteils der durch den Absorptionsraum 28, 57 (Figuren 2 und 4) laufenden Sonnenstrahlung 4 beziehen.
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 Absorptionsraum 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. Bevorzugt strömt das Wärme tauschende Gas durch eine Absorberzone (Absorptionsraum 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.
Bevorzugt weist dann der Erwärmungsbereich zwei Absorptionsräume auf, wobei das Ver- hältnis χ für einen oder für beide der Absorptionsräume in Vebindung mit dem Absorber vorgesehen wird.
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 mole- külspektroskopischen Datenbanken (z.B. HITEMP2010) berechnet, oder auch näherungswei- se aus Emissivitätsdiagrammen nach der Regel von Hottel bestimmt werden kann. Weist unter den aktuellen Betriebsverhältnissen der Receiver in einer Ausführungsform 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 wird.
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 Figuren 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, so dass 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.
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.
Es ergibt sich eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers, bei wel- chem 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. Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Receivers. Dargestellt ist ein Schnitt durch einen Receiver 50, der dem Reciever 25 von Figur 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 er- streckt 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 Fre- quenzen Wärme in den Abschnitt 54 einbringen, der dann seinerseits wiederum in allen (Inf- rarot-)Frequenzen strahlt. Der Abschnitt 54 stellt einen Sekundärabsorber dar.
Solch eine Anordnung kann in grösseren Dimensionen, z.B mit einem Durchmesser der Ab- sorberoberfläche 51' von 15,96 m und einer Länge des Absorptionsrums 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.
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 (Figur 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 Absorptionsraums zwischen der Glasplatte und der optischen Öffnung und der ihm zugeordneten Glasplatte und auch für den Abschnitt des Absorptionsraums 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. Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Recei- vers in der Art desjenigen von Figur 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 Absorptionsraum 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 ver- schiedenen Temperaturen zurück zum Receiver geführt werden, so dass weiter bevorzugt im Bereich der Öffnungen 91 bis 91"' und 92 bis 92"' weitere Zuleitungen für das Wärme transportierende Gas in den Absorptionsraum 26 des Receivers 90 hinein vorgesehen werden (die hier zur Entlastung der Figur weggelassen sind). 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 Tempera- tur des teilerwärmten, zugeführten Gases entspricht.
Solche Zu- und Ableitungen für teilerwärmtes Gas können an einem erfindungsgemässen, ab- sorptiven 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.
Die Anmelderin hat gefunden, dass ein Temperaturverhältnis χ > 0,5 besonders vorteilhaft ist, wenn teilerwärmtes Gas verwendet wird, beispielsweise dann, wenn bei einer Eingangs- temperatur 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 Figur 5 durch die Öffnungen 91 bis 91" bzw. 92 bis 92". Die Figuren 6a und 6b sowie 7a und 7b zeigen verschiedene Betriebsparameter in einem Re- ceiver nach Figur 2 gemäss einer mathematischen Modellierung des Receivers 25 von Figur 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 Absorptionskoeffi- zienten 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 200 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 Figur 2, mit durchgehender ebener und glatter Oberfläche angenommen, so dass das Wärme transportierende Medium in der Art gemäss Figur 5 durch Öffnungen 91"' auf der Höhe des Absorbers 27 seitlich aus dem Absorberraum 26 weggeführt wird.
Die Figuren 6a und 6b zeigen anhand der Diagramme 60 und 65 den Temperaturverlauf im Betrieb des Receivers 20 (Figur 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, Figur 6a, zeigt einen Prozess mit einer Eingangstemperatur Tin von l'OOO K und einer Ausgangstemperatur Tout von 400 K. Das Diagramm 65, Figur 6b, zeigt einen Prozess ebenfalls mit einer Eingangstemperatur Tin von l'OOO K, jedoch einer Ausgangstemperatur Tout von 800 K.
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, so dass 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. Die Figuren 6a und 6b zeigen, nebst einem Proof-of-Concept für einen absorptiven Receiver, die mögliche Ausführung eines solchen Receivers gemäss der Figur 5.
Figur 7a zeigt ein Diagramm 70 für den Wirkungsgrad des Receivers 20 (Figur 2). Auf der hori- zontalen Achse ist die Ausgangstemperatur Tout abgetragen, wobei eine konstante Eingangstemperatur Tin von l'OOO 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 l'OOO 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. Figur 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 erhebli- che 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. Die in den Figuren 6a,b und 7a,b gezeigten Verhältnisse gelten nach der verwendeten Modellierung auch für einen Receiver 20 (Figur 2) mit kleineren Abmessungen, aber erhöhtem Druck im Wärme transportierenden Medium. Figur 7c zeigt ein Diagramm 80 für den Wirkungsgrad des Receivers 20 (Figur 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 Figuren 6a,b und 7a,b, s. die Kurve 82. Weiter ersichtlich ist der Wirkungsgrad für kleine Ab- messungen (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 Figur 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.
Nach den Erkenntnissen der Anmelderin lassen sich deshalb die Abmessungen des Receivers 20 und aller erfindungsgemässen 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 Figur 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.
Bei den simulierten Ausführungsformen gemäss den Figuren 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 bestimm- ten Wert für τ3-τ2
χ = (s. die Beschreibung zu Figur 3) in einem Bereich χ > 0,3 festlegen.
T4— 2 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).
Da für möglichst intensive Schwarzkörper-Strahlung in den Absorptionsraum hohe Temperaturen des Absorbers, aber auch der Seitenwände des Absorptionsraums 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 Konvekti- on 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.
Bei einer weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist der Absorber gleich wie im Receiver 25 (Figur 2) gegenüber der optischen Öffnung 3 angeordnet und bildet einen Wandbereich des Absorptionsraums 28 (Figur 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, so dass 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.
Der Fachmann kann durch Optimierung der Ausführungsform gemäss Figur 2, oder durch Kombination dieser Ausführungsform mit weiteren beschriebenen Merkmalen (zusätzlicher Abschnitt 54 des Absorbers 51 nach Figur 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.
Figur 8 zeigt die Schritte eines Verfahrens für den Betrieb eines bevorzugt räumlichen Recei- vers gemäss der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 60 wird ein geeigneter Receiver ausgewählt, beispielsweise mit einer Struktur gemäss Figur 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. 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 Ga- se), 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.
In einem dritten Schritt 62 werden die Betriebsparameter des eceivers 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.
Im vierten Schritt 63 wird der Receiver in Betrieb gesetzt und mit dem Parameter χ > 0,3 ge- fahren.
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 Er- wärmungsbereich 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 von Strahlung derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption von Strahlung gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist. In einer Ausführungsform wird das Verhältnis χ > 0,3 auf die Absorption nur der Absorberstrahlung bezogen, so dass die 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 der Strahlung des Absorbers und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
Der Fachmann kann im konkreten Fall das Verhältnis χ > 0,3 auf die Absorption nur der Ab- sorberstrahlung 32,55 oder auf die Absorption der Absorberstrahlung einschliesslich der Absorption des Infrarot-Anteils der durch den Absorptionsraum 28, 57 (Figuren 2 und 4) laufenden Sonnenstrahlung 4 beziehen.
Bevorzugt wird dabei als absorbierendes Gas ein heteropolares Gas ausgewählt, weiter bevorzugt C02, Wasserdampf, CH4 oder ein Gemisch dieser Gase.
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.
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.
Figur 9 zeigt die Schritte eines erfindungsgemässen Herstellverfahrens für einen eceiver, beispielsweise nach den Figuren 2 bis 4, wobei im Schritt 70 der Absorber als 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 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 (der Schwarzkörper- (Infrarot)Strahlung des Absorbers und der Infrarot-Anteile der Sonne gegenüber der Temperaturzunahme durch Absorption und Konvektion am Absorber in einem Verhältnis χ > 0,3 liegt. Es ergibt sich ein Herstellverfahren für einen eceiver 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 Son- nenlichts 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 (und der Infrarot-Anteile der Sonnenstrahlung) 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.
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. 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.
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

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 von Strahlung derart zunimmt, dass das Verhältnis χ der Temperaturzunahme (T3 - T2) durch Absorption von Strahlung gegenüber der gesamten Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 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 der Strahlung des Absorbers und Konvektion am Absorber > 0,3 ist.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 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.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas durch den Absorber hindurch geführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas an dem Absorber vorbei geführt wird.
9. 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.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Gas um den Absorber herum zu einer Rückseite des Absorbers und dann von dieser weg geführt wird.
11. 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
12. 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 Absorberraum gegenüber der Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption und die Konvektion am Absorber, > 0,3 ist.
13. eceiver nach Anspruch 12, wobei der 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 der Strahlung des Absorbers im Absorberraum gegenüber der Temperaturzunahme (T4 - T2) durch die Absorption der Strahlung des Absorbers und die Konvektion am Absorber, > 0,3 ist.
14. Receiver nach Anspruch 12, 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.
15 Receiver nach Anspruch 12, 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.
16. Receiver nach Anspruch 12, wobei der Absorber wenigstens teilweise eine gasdichte Oberfläche aufweist und bevorzugt plattenförmig, ausgebildet ist.
17. Receiver nach Anspruch 12, wobei die Wände des Absorptionsraums und/oder der Absorber frei sind von Kühlmitteln, insbesondere Kühlkanälen.
18. Receiver nach Anspruch 12, wobei im Betrieb das Wärme transportierende Gas ein heteropolares Gas enthält, bevorzugt eines oder mehrere der Gase C02, Wasserdampf, CH4, N H3, CO, S02, S03, HCl, NO, und N02, und besonders bevorzugt ein Gemisch mit Wasserdampf und C02.
19. eceiver nach Anspruch 12, 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.
20. Receiver nach Anspruch 12, 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.
21. Receiver nach Anspruch 12, 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.
22. 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.
23. 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.
24. Verfahren nach Anspruch 23, 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.
25. Verfahren nach Anspruch 23, 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..
26. Verfahren nach Anspruch 23, 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.
27. Verfahren nach Anspruch 23, wobei im Absorberraum ein als Strahlungsanordnung ausgebildeter Sekundärabsorber vorgesehen wird.
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