DE102010020061B4

DE102010020061B4 - Solarenergieumwandlungsanlage

Info

Publication number: DE102010020061B4
Application number: DE201010020061
Authority: DE
Inventors: Nicolas Bayer Botero; Dennis Thomey
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: DE102010020061A1

Abstract

Solarenergieumwandlungsanlage mit einem auf einem Turm (15) angeordneten Empfänger (13), der die aus zahlreichen Spiegeln (11) einfallende Solarstrahlung absorbiert, wobei eine Schnellabschaltvorrichtung (20) vorgesehen ist, die im Auslösefall im Strahlengang vor dem Empfänger (13) einen Nebel (22) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellabschaltvorrichtung (20) Treibgasbehälter (26), die ein Treibgas unter Druck enthalten und Vorratsbehälter (30), die ein Absorptionsmedium enthalten, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarenergieumwandlungsanlage, welche ein Heliostatfeld aus Spiegeln aufweist, die Solarstrahlung auf einen gemeinsamen Empfänger lenken.
Solarenergieumwandlungsanlagen mit auf einem Turm angeordneten Empfänger weisen ein Heliostatfeld aus zahlreichen Spiegeln auf, die so ausgerichtet werden, dass Sie die Solarstrahlung sämtlich auf einen gemeinsamen Empfänger (Receiver) lenken. Der Empfänger weist einen Absorber auf, welcher die Solarstrahlung in Wärme umsetzt. Die Wärme kann auf ein Wärmeträgermedium übertragen werden. Wegen der starken Konzentration der Strahlung am Empfänger kann dieser hohe Temperaturen in der Größenordnung von 800–1200°C annehmen und die Temperaturen können zur Energiegewinnung ausgenutzt werden oder auch zur solaren Stoffumwandlung. Solarenergieumwandlungsanlagen können eine Nennleistung von mehreren MW bereitstellen und stellen daher großtechnische Anlage dar. Im Bereich der Stoffumwandlung werden in solchen Anlagen unter anderem umweltgefährdende Chemikalien, wie z. B. Schwefelsäure, verarbeitet.
Wegen der hohen Energie, die von einer Solarenergieumwandlungsanlage in einem relativ kleinen Volumen umgesetzt wird, kann es zu Überhitzungen und anderen Defekten kommen, die eine Schnellabschaltung der Anlage erfordern, um die Anlage in einen gesicherten Zustand zu überführen. Solche Einrichtungen werden je nach Gefährdungspotential der Anlage redundant oder diversitär ausgelegt.
Gegenwärtig erfolgt die Abschaltung solarer Turmsysteme über die Steuerungseinrichtungen, die die Heliostaten dem Sonnenstand nachführen und somit für den normalen Betrieb benötigt werden. Dies setzt ein komplexes und verzweigtes Steuersystem voraus. Eine Fehlfunktion der Heliostatsteuerung kann zu schwerwiegenden Beschädigungen der Anlage oder zur Gefährdung der Umwelt führen.
Bekannt sind ferner Shutter. Dies sind Verschlussmechanismen, die aus beweglichen Blechen oder Lamellen bestehen und den Strahlengang unterbrechen können. Solche Shutter sind sehr aufwendig. Sie benötigen zusätzlichen Bauraum und eröffnen die Gefahr einer ungewollten Abschattung des Empfängers.
DE 30 04 582 A1 offenbart eine Solarenergieumwandlungsanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solarenergieumwandlungsanlage anzugeben, bei der mit geringem technischen Aufwand und ohne das Erfordernis aufwendiger Einbauten der Strahlengang der hochenergetischen Solarstrahlung sicher unterbrochen werden kann.
Die Erfindung betrifft eine Solarenergieumwandlungsanlage mit einer Schnellabschaltvorrichtung entsprechend dem Patentanspruch 1.
Vorzugsweise erfolgt die Nebelerzeugung unter Verwendung von Treibgasbehältern, welche ein unter Druck stehendes Gas enthalten. Solche Treibgasbehälter können, ähnlich wie bei Gas-Feuerlöschanlagen, durch Öffnen eines Ventils ausgelöst werden. Sie können relativ nahe am Einsatzort untergebracht werden, so dass im Auslösefall Gas schnell und ohne längere Laufzeiten am Einsatzort wirksam wird.
Eine Anlage kann auch derart konzipiert werden, dass die Nebelerzeugung mit der Auslösung der Treibgasbehälter lediglich begonnen, dann aber mit einem motorgetriebenen Verdichter fortgeführt wird.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Nebelauslösung mit einem Treibgas, das mit einem Absorptionsmedium unter Erzeugung eines Aerosolnebels vermischt wird. Das Treibgas kann beispielsweise Luft sein und das Absorptionsmedium kann aus Wasser bestehen.
Es ist vorgesehen, dass im Strahlengang vor dem Empfänger mit einer Vernebelungsvorrichtung ein Nebel erzeugt wird, der die Solarstrahlung dispergiert bzw. absorbiert.
Ein wesentlicher Aspekt dabei ist die Verwendung eines Aerosolnebels zum Schutz einer Receiver-Apertur vor konzentrierter solarer Strahlung. Dies ist ohne größeren Aufwand ausführbar. Die Nebelerzeugung kann durch Ausstoßen von Aerosolnebel aus einer druckluftbetriebenen Ausstoßvorrichtung erfolgen. Da der Nebel sich über einen größeren Bereich ausdehnt, ist es nicht erforderlich, die Ausstoßvorrichtung unmittelbar am Empfänger zu positionieren. Hinsichtlich der Anbringung von Nebeldüsen besteht ein großer Gestaltungsspielraum. Unter dem Begriff ”Nebel” fallen nicht nur Aerosolnebel, sondern auch Nebel, die Feststoffpartikel enthalten, wie z. B. Staub oder Pulver.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
In der Zeichnung ist eine Solarenergieumwandlungsanlage mit Schnellabschaltvorrichtung schematisch dargestellt.
Die Solarenergieumwandlungsanlage weist ein Heliostatfeld 10 aus einer großen Anzahl von Spiegeln 11 auf, die die einfallende Solarstrahlung 12 auf einen gemeinsamen Empfänger 13 richten. Die Spiegel 11 werden dem jeweiligen Sonnenstand nachgeführt, so dass jeder der Spiegel zu jeder Tageszeit die Solarstrahlung auf den Empfänger 13 leitet. Da hunderte oder tausende von Spiegeln 11 vorgesehen sind, ist die am Empfänger auftretende Strahlungskonzentration sehr groß.
Der Empfänger 13 ist ein Strahlungsabsorber, der aus hochtemperaturbeständiger Keramik besteht. Er ist auf einem Turm 15 montiert, so dass er von der Reflektionsstrahlung jedes der Spiegel 11 erreicht wird.
Als Schnellabschaltvorrichtung 20 ist eine Vernebelungsvorrichtung 21 vorgesehen, die im Strahlengang vor dem Empfänger 13 einen Nebel 22 erzeugen kann. Die Vernebelungsvorrichtung 21 weist Düsen 23 auf, die hier auf einem Kranz um den Empfänger 13 herum angeordnet sind. Die Düsen 23 sind Aerosoldüsen, die ein Absorptionsmedium mit einem Treibgas vermischen und als Aerosolnebel ausstoßen. Der Nebel 22 kann auch dispergierende Teilchen enthalten, die die Solarstrahlung zerstreuen und bewirken, dass nur ein geringer Teil der Strahlung auf den Empfänger 13 fällt.
Die Vernebelungsvorrichtung 21 ist über ein Schnellöffnungsventil 25 mit Treibgasbehältern 26 verbunden. Die Treibgasbehälter 26 sind Druckbehälter, die ein Treibgas unter Druck enthalten. Das Treibgas kann aus jedem beliebigem Gas bestehen.
Ein Vorratsbehälter 30 enthält ein Absorptions- bzw. Dispersionsmedium für die Nebelerzeugung, insbesondere Wasser. Der Vorratsbehälter 30 ist über eine Pumpe 31 mit der Vernebelungsvorrichtung 21 verbunden. In den Düsen 23 werden das Treibgas und das Absorptionsmedium miteinander verwirbelt und unter Erzeugung eines feinen Nebels 22 ausgestoßen. Entsprechende Nebelerzeugungsdüsen sind aus der Löschtechnik bekannt.
Es ist auch möglich die Düsen als Venturidüsen auszubilden, die mit Hilfe des strömenden Treibgases das Absorptionsmedium ansaugen.
Der vor dem Empfänger 13 erzeugte dichte Nebel 22 kann in kürzester Zeit ausgebracht werden, so dass die Schnellabschaltvorrichtung eine geringe Ansprechzeit hat. Mechanische Komponenten sind für die Schnellabschaltung nicht erforderlich. Die Schnellabschaltung erfordert auch keinen Eingriff in das Steuerungssystem der Spiegel 11.
Es besteht die Möglichkeit, nur den ersten Teil der Nebelbildung unter Verwendung der Treibgasbehälter 26 durchzuführen, um das System so lange mit Trägergas zu versorgen, bis ein zusätzlicher Verdichter arbeitsfähig gemacht wird, um das System mit Treibgas zu versorgen.
Das Absorptionsmedium kann ohne die Verwendung von Pumpen ausschließlich durch Schwerkraft gefördert werden. Dadurch wird der Wartungsaufwand minimiert und die Zuverlässigkeit wird erhöht.

Claims

Solarenergieumwandlungsanlage mit einem auf einem Turm (15) angeordneten Empfänger (13), der die aus zahlreichen Spiegeln (11) einfallende Solarstrahlung absorbiert, wobei eine Schnellabschaltvorrichtung (20) vorgesehen ist, die im Auslösefall im Strahlengang vor dem Empfänger (13) einen Nebel (22) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellabschaltvorrichtung (20) Treibgasbehälter (26), die ein Treibgas unter Druck enthalten und Vorratsbehälter (30), die ein Absorptionsmedium enthalten, aufweist.
Solarenergieumwandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Düsen (23) vorgesehen sind, in denen strömendes Treibgas das Absorptionsmedium unter Vermischung mitreißt.
Solarenergieumwandlungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter vorgesehen ist, der komprimierte Außenluft als Treibgas für ein Absorptions- oder Dispersionsmedium erzeugt.