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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung von Sonnenenergie in mechanische und/oder elektrische Energie, wobei während starker Sonneneinstrahlung Abwärme nach einem ersten Umwandlungsvorgang mit höherem Temperaturniveau einem Speicher zugeführt und während geringer Sonneneinstrahlung bzw. in der Nacht wieder an einen zweiten Umwandlungsvorgang mit niedrigerem Temperaturniveau abgegeben wird.
Für die Direktumwandlung von Sonnenstrahlen in elektrische Energie ist der Zeitpunkt für den wirtschaftlichen Einsatz noch nicht abzusehen. Jedoch besteht die Möglichkeit, die Umwandlung der Sonnenenergie mit Wärmekraftmaschinen durchzuführen. Bei bekannten Verfahren zur Umwandlung der Sonnenstrahlen handelt es sich um Dampfkraftwerke, bei welchen die Sonnenenergie in konzentrierter Form in einem Empfänger ein Arbeitsmedium zum Verdampfen bringt. Die Umwandlung dieser Wärmeenergie erfolgt wie in einem normalen Dampfkraftwerk. Offen bleibt bei diesem System die notwendige Energiespeicherung und die Energieabgabe während der Nachtstunden.
Um eine Energieabgabe gemäss US-PS Nr. 2,969, 637 auch während der Nachtstunden und an bewölkten Tagen durchführen zu können, wurde bereits vorgeschlagen, während der Tagesstunden mit starker Sonneneinstrahlung Energie (gegebenenfalls gemeinsam mit der Abwärme aus dem Umwandlungsvorgang) in einem Wärmespeicher, z. B. mit Wasser, zu speichern, die sich in den Nachtstunden und an bewölkten Tagen wieder verwerten lässt.
Weiters wird in der US-PS Nr. 3,903, 700 ein Verfahren zur Energieumwandlung von Sonnenenergie beschrieben, wobei durch diese ein Motor angetrieben wird, der seinerseits eine Pumpe antreibt und zur Energiespeicherung Wasser in ein höheres Reservoir pumpt, das für einen Energieumwandlungsvorgang während Nichtsonneneinstrahlung dient. Des weiteren wird in der US-PS Nr. 3, 952, 519 zur Energiespeicherung eine unterkühlte Lösung als Latentwärmespeicher angegeben.
Den bislang bekannten Verfahren haftet jedoch allen der Nachteil an, dass sie den unterschiedlichen Umwandlungsbedingungen bei Tag und bei Nacht nicht ausreichend Rechnung tragen, so dass hohe Investitionskosten und ein geringer Wirkungsgrad der breiten technischen Einführung entgegenstehen.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Umwandlung von Sonnenstrahlen in mechanische und/ oder elektrische Energie zu schaffen, das bei hohem Wirkungsgrad bei Tag- und Nachtstunden einsatzfähig ist und nur eine einfache zusätzliche Vorrichtung erforderlich macht.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Umwandlung von Sonnenenergie in mechanische und/oder elektrische Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme nach dem ersten Umwandlungsvorgang mit höherem Temperaturniveau unmittelbar dem Speicher zugeführt und an den zweiten Umwandlungsvorgang mit niedrigerem Temperaturniveau unmittelbar vom Speicher abgegeben wird.
Gemäss einem weiteren Merkmal des erfindungsgemässen Verfahrens wird in an sich bekannter Weise mit einer Eingangstemperatur von ungefähr 700 bis 900 C bei dem ersten Umwandlungsvorgang gearbeitet. Mit Sonnenstrahlen können zwar wesentlich höhere Temperaturen erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad erhöht werden könnte, jedoch ist dieser Temperaturbereich einerseits aus Gründen der Thermodynamik und anderseits aus Gründen des zur Verfügung stehenden Materials für die erforderlichen Vorrichtungen als besonders vorteilhaft zu bezeichnen.
Wird in an sich bekannter Weise mit einer Abwärmetemperatur von ungefähr 300 bis 5000C bei dem ersten Umwandlungsvorgang gearbeitet, so kann im ersten Umwandlungsprozess mit einem entsprechend hohen Wirkungsgrad gearbeitet werden, wobei gleichzeitig noch eine genügend hohe Eingangstemperatur für den weiteren Umwandlungsvorgang eingehalten werden kann und weiters auch die Wärmespeicherung noch technisch leicht lösbar ist.
Die besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem geschlossenen Kreislauf für ein Arbeitsmittel für den zweiten Umwandlungsvorgang besteht darin, dass der Kreislauf für den zweiten Umwandlungsvorgang für die Zuführung der Abwärme dieses Umwandlungsvorganges ein Kühlwasser, dessen Wasserspiegel während starker Sonneneinstrahlung mit abschattenden Spiegeln versehen ist, die während geringer Sonneneinstrahlung bzw. in der Nacht ungefähr senkrecht zum Wasserspiegel gestellt werden, aufweist. Durch diese Vorrichtung werden mehrere Vorteile erzielt.
So wird eine zu hohe Erwärmung des Kühlwassers vermieden, so dass der Wirkungsgrad der weiteren Umwandlung höher gehalten werden kann und gleichzeitig können die Spiegel zur Konzentrierung der Sonnenstrahlen dienen, so
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dass ein wesentlich geringerer Platzbedarf erforderlich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann besonders vorteilhaft durchgeführt werden, wenn wie in der CH-PS Nr. 554999 angeführt, als Arbeitsmedium für den ersten Umwandlungsprozess ein Alkali- metall-insbesondere Kalium oder Cäsium bzw. eine Mischung dieser und als Arbeitsmedium für den i zweiten Umwandlungsvorgang Diphenyl oder Wasser verwendet wird.
Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Aus der Zeichnung ist das Schaltschema des Verfahrens zu ersehen.
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Ein Latentwärmespeicher --W-- dient zur Aufnahme der Abwärme (Kondensatorwärme) der ersten Umwandlung. Das Kondensat wird über die Pumpe-P,-in den Empfänger zurückgepumpt.
Im Nachtbetrieb dient ein Latentwärmespeicher --W-- als Wärmequelle und verdampft ein Arbeitsmedium (Wasser oder Diphenyl), und wird in einer weiteren Umwandlung in der Turbine --T2-entspannt, das über das Kühlwasser --K--, die Pumpe --P2 -- wieder dem Latentwärmespeicher zugeführt wird. --T, und T2 liegen auf einer Welle mit dem Stromgenerator --G-- (falls erwünscht,
EMI2.2
B.Kraftwerkes :
Leistung : 100 kWe1 für 9 Tagesstunden über Kaliumturbine
30 kWe1 für 15 Nachtstunden über H20 oder Diphenylturbine
Kaliumsystem : Arbeitstemperaturbereich 840 bis 4000C
Wassersystem : Arbeitstemperaturbereich 400 bis 25 WC
Konzentration der Sonnenenergie mit ebenen, zirka 1 bis 2 m2 grossen Spiegeln.
Es sind für ein Sonnenkraftwerk mit Zentralempfänger folgende Einzelwirkungsgrade infolge der angegebenen Verluste zu berücksichtigen :
EMI2.3
<tb>
<tb> - <SEP> geometrische <SEP> Verluste, <SEP> Abschattung <SEP> und
<tb> mittleres <SEP> cos <SEP> t <SEP> 70%
<tb> - <SEP> Reflexionsverluste,
<SEP> Unebenheiten <SEP> der
<tb> Spiegel <SEP> 90%
<tb> - <SEP> Absorptionsverluste <SEP> der <SEP> Spiegel <SEP> 90%
<tb> - <SEP> Wärmeabstrahlung <SEP> des <SEP> Empfängers <SEP> 96%
<tb> Im <SEP> Empfänger <SEP> zur <SEP> Verfügung <SEP> stehende <SEP> Wärmemenge <SEP> 54%
<tb> - <SEP> Wärmeverlust <SEP> von <SEP> heissen <SEP> Rohrleitungen <SEP> und
<tb> des <SEP> Speichers <SEP> 93%
<tb> Wärmemenge <SEP> zur <SEP> Verdampfung <SEP> des <SEP> Hochtemperaturmediums <SEP> 50%
<tb>
Dieser Anteil der aufgefangenen Wärmemenge steht zum Betrieb des thermodynamischen Kreislaufes zur Verfügung.
Der Konversionswirkungsgrad setzt sich aus folgenden Gliedern zusammen :
EMI2.4
<tb>
<tb> - <SEP> Carnot <SEP> - <SEP> Wirkungsgrad <SEP> n <SEP> = <SEP> 1- <SEP> 400 <SEP> + <SEP> 273 <SEP> = <SEP> 0.40 <SEP> 40%
<tb> 850 <SEP> + <SEP> 273 <SEP>
<tb> - <SEP> Güteziffer <SEP> des <SEP> Prozesses <SEP> 94%
<tb> - <SEP> Mechanischer <SEP> Wirkungsgrad <SEP> 98%
<tb> Konversionswirkungsgrad <SEP> 37%
<tb>
Dieser Wirkungsgrad ist für den Betrieb während der vorgesehenen 9 Tagstunden zu berücksichtigen. 63% der in den Prozess eingeführten Wärme dienen als Abwärme zur Aufladung des Latentwärmespeichers.
Die Abgabe dieser Wärme in den Nachtstunden erfolgt mit folgenden Wirkungsgraden :
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EMI3.1
<tb>
<tb> - <SEP> Carnot-Wirkungsgrad <SEP> n <SEP> = <SEP> 1 <SEP> - <SEP> 395 <SEP> + <SEP> 273 <SEP> = <SEP> 0,36 <SEP> 36%
<tb> c <SEP> 25 <SEP> + <SEP> 273 <SEP>
<tb> - <SEP> Güteziffer <SEP> des <SEP> Wasserdampfprozesses <SEP> 90%
<tb> - <SEP> mechanischer <SEP> Wirkungsgrad <SEP> 98%
<tb> Konversionswirkungsgrad <SEP> 32%
<tb>
Während der Nachtstunden soll eine elektrische Leistung von 100 kW aufrecht erhalten werden. Zu Beginn der Leistungsentnahme muss deshalb der Speicher einen Wärmeinhalt von 315 x 15 = = 4725 kWh aufweisen. Dieser Wärmeinhalt wird während der 9 Tagesstunden aufgeladen, dies entspricht einem Wärmefluss von 525 kW, der wieder 31, 5% der gesamten aufgenommenen Wärmeleistung entspricht.
Die Auslegung der Spiegelflächen hat deshalb für eine Leistung von 1667 kW zu erfolgen. wovon 15. 8% als elektrische Leistung, d. s. 308 kW während der Tagesstunden abgegeben werden können.
Unter der Annahme, dass untertags 100 kWel abgegeben werden sollen. wird der Wärmespeicher mit 0, 315 x 9 x 100/0, 185 = 1532 kWh aufgeladen und es stehen über die Niedertemperaturturbine während der 15 Nachtstunden 32. 4 kW zur Verfügung.
Das Verhältnis von abgegebener Tag- zur Nachtleistung kann z. B. durch folgende Massnahmen beeinflusst bzw. verändert werden : - Verschieben der Carnot-Wirkungsgrade durch geänderte Speichertemperaturen. Anheben der
Speichertemperatur bringt geringe Tagleistung und bei entsprechender thermodynamischer
Umwandlung aus dem Speicher eine erhöhte Nachtleistung.
- Verbesserung bzw. Verschlechterung der Konversionswirkungsgrade der Einzelprozesse. Nied- rige Güteziffer, d. h. einfachste Bauweise des Hochtemperaturprozesses bringt mehr Wärme in die Speicher, die mit möglichst hoher Güteziffer des Niedertemperaturprozesses abgearbei- tet werden kann.
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während0. 185500 kleinen zu belegenden Reflektorfläche ist eine hohe Belegungsdichte von 75% angenommen. Somit ergibt sich für das benutzte Areal die Gesamtfläche von 1441 m2 entsprechend einem Quadrat von 38 m Seitenlänge, auf der 33 Einzelspiegel mit je 1 x 1 m Kantenlänge angeordnet werden können.
Der Wärmespeicher hat nach Ende des Tagbetriebes einen Wärmeinhalt von 1532 kWh. Diese Wärmemege soll. um eine gute Carnotisierung der beiden thermodynamischen Prozesse zu ermöglichen sowohl isotherm zu-, als auch isotherm abgeführt werden können. Es ist deshalb ein Speichermedium notwendig, das bei Phasenumwandlung eine möglichst hohe Schmelz- bzw. Erstarrungswärme freigibt. Es sind besondere Mischungen aus Alkalimetallsalzen für diese Zwecke geeignet. Besonders geeignet ist eine Fluoridsalzmischung
12 NaF/40KF/44LIF/4MgF mit einem Schmelzpunkt von 449 C, die eine Schmelzwärme von 690 kJ/kg aufweist. Zur geforderten Wärmespeicherung ist eine Speichermasse von 1532. 3600/690=7993 kg erforderlich. Bei einem spez.
Gewicht von zirka 3 g/cm3 ergibt dies ein Volumen von 2664 1. Unter Berücksichtigung der für das Auf- und Entladen des Speichers notwendigen internen Wärmetauscher kann der notwendige Platzbedarf mit einem Würfel von 1. 6 m Kantenlänge abgeschätzt werden.
Da sich bei der thermohydraulischen Auslegung des Niedertemperatursystems der weiteren Umwandlung zeigt, dass der Druckverlust und der Wärmeübergang im'Kondensator besonders stark in die Dimensionierung eingehen. wäre Wasser als Arbeitsmedium zu bevorzugen. Anderseits ist im betrachteten Leistungsbereich von 30 kW eine Diphenylturbine günstiger auszulegen, wodurch die Nachteile auf der Wärmeabfuhrseite ausgeglichen werden können. Die Abwärmeabgabe erfolgt in den Nachtstunden in ein Kühlwasser, das durch Luftnaturkonvektion und Nachtabstrahlung gekühlt wird. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, dass in Trockengebieten die effektive Himmelstemperatur bis maximal 150C unter der Lufttemperatur liegt und somit durch Abstrahlung ein wesentlicher Kühleffekt erzielt werden kann.
Für die anfallende Abwärme von 1532 x (1-0. 32) = 1042 kWh ist eine Wasseroberfläche von zirka 1000 m2 erforderlich. um auch während der wärmsten Sommermonate eine Nachtkühlung des Beckens von unter 300C zu erreichen. Ein Vergleich mit der errech-
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