CH713487A1

CH713487A1 - Hochtemperatur-Strahlungsreceiver-System.

Info

Publication number: CH713487A1
Application number: CH00220/17A
Authority: CH
Inventors: Bech Ulrich
Original assignee: Bech Ulrich
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System (11) zum Auffangen konzentrierter Strahlung umfassend einen Behälter (13) mit wenigstens einer Strahlungseintrittsöffnung (15), im Behälter (13) vorgesehenen Absorberkörpern (17), welche wenigstens bereichsweise als schwarze Körper ausgebildet und hinter der Strahlungseintrittsöffnung (15) angeordnet sind, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie und in den Absorberkörpern (17) vorhandene Kanäle für die Durchleitung eines Wärmetransfermediums (21). Ferner umfasst das System (11) einen Hochtemperatur-Speicher (37) bildenden Aufnahmeraum für Wärmespeicherelemente (25), welcher eine Speicherzone definiert und von dem Wärmetransfermedium durchströmbar ist und im Aufnahmeraum vorhandene Wärmespeicherelemente (25). Das Wärmetransfermedium (21) ist ein flüssiges Metall bzw. eine flüssige Mischung aus Metallen, deren Siedepunkt grösser als 750 °C ist.

Description

Beschreibung

Gebiet der Erfindung [0001] Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Strahlungsreceiver-System gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik [0002] Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver zum Auffangen einer konzentrierten Strahlung benötigen ein Wärmetransfermedium, um die konzentrierte Wärme abführen zu können. Diverse flüssige Wärmetransfermedien sind entwickelt worden, um die Wärme möglichst effizient abführen zu können. Als Wärmetransfermedien sind Thermoöle und Salzschmelzen bekannt. Diese haben aber den Nachteil, dass sie über 600 °C nur Wenig oder nicht thermisch stabil sind. Zudem zersetzen sich die Salzschmelzen über 600 °C und bilden hoch korrosive Spaltprodukte, welche die Anlagen angreifen und zerstören. Der Wirkungsgrad von Hochtemperatur-Strahlungs-Receivern Hesse sich aber signifikant verbessern, wenn Wärme jenseits von 600 °C übertragen werden könnte.

Aufgabe der Erfindung [0003] Aus den Nachteilen des beschriebenen Stands der Technik resultiert die die vorliegende Erfindung initiierende Auf gäbe ein Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System derart weiterzuentwickeln, dass die auf das flüssige Wärmetransfermedium übertragbare Wärmemenge erhöht werden kann.

Beschreibung [0004] Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System zum Auffangen konzentrierter Strahlung dadurch, dass das Wärmetransfermedium ein flüssiges Metall bzw. eine flüssige Mischung aus Metallen ist, deren Siedepunkt grösser als 750 °C ist. Bei Einsatz einer Flüssigmetallkühlung mit einer ausreichenden Umlaufgeschwindigkeit kann die Metallmischung so eingestellt werden, dass der Metalldampfdruck niedrig bleibt. Während des Receiverbetriebes ist das Wärmetransfermedium in dem Kühlungskreislauf eine Flüssigkeit. Die Gefässwände werden folglich nicht durch Reaktionen, welche durch einen hohen Druck und einen aggressiven Metalldampf begründet sind, oder durch Korrosion angegriffen. Eine ausreichende Zeitstandfestigkeit der Absorberkörper (Receiver-Röhren oder -Platten), welche für einen zuverlässigen und wartungsarmen Receiver-Betrieb unerlässlich ist, ist durch die Erfindung gegeben.

[0005] Die Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass das Wärmetransfermedium flüssiges Zinn oder eine flüssige Metallmischung mit einem Zinnanteil ist. Dies hat den grossen Vorteil, dass Zinn einen Siedepunkt von 2620 °C besitzt, jedoch rein bereits bei 232 °C schmilzt. Zinnmischungen mit Leichtmetall schmelzen bei noch deutlich niedrigeren Temperaturen, was Startoperationen des Kühlungskreislaufes, insbesondere in kalten Gegenden, erleichtert. Zinn kann daher in sehr effizienter Weise die Wärmeenergie aus der fokussierten Strahlung aufnehmen. Dabei erhitzt sich das Zinn bis 800 °C ohne dabei einen nennenswerten Dampfdruck aufzubauen. Der Kühlungskreislauf kann daher bei Niederdruck arbeiten. Die Werkstoffe, welche mit dem Wärmetransfermedium in Berührung kommen, können Werkstoffe mit einer geringeren Standfestigkeit gegenüber Druck und Aggressivität des Wärmetransfermediums sein, als dies bei Werkstoffen für korrosive und einen hohen Dampfdruck aufweisenden Wärmetransfermedien der Fall ist [0006] Als zweckdienlich hat es sich erwiesen, wenn zur Zirkulation des Wärmetransfermediums metallische oder keramische Leitungen vorgesehen sind, welche bis wenigstens 800 °C hitze- und chemiebeständig sind und resistent gegen Temperaturschocks sind. Dadurch kann das Receiver-System bei hohen Temperaturen betrieben werden. Eine starke Belastung der Leitungen begründet durch ein chemisch hoch aggressives und korrosives Wärmetransfermedium entfällt jedoch, da das Wärmetransfermedium nicht verdampft wird und keinen hohen Druck bildet. Dementsprechend lassen sich die Materialkosten der Leitungen wesentlich reduzieren.

[0007] Zweckmässigerweise sind die Metalle der flüssigen Metallmischung derart ausgewählt, dass beim Siedepunkt der Metallmischung ein Siedeverzug auftritt. Dadurch lässt sich die Dampfbildung hinauszögern und der Betriebsdruck bleibt gering.

[0008] Die Erfindung zeichnet sich auch bevorzugt dadurch aus, dass der Hochtemperaturspeicher einen ersten Speichertank aufweist, welcher mit den Wärmespeicherelementen befüllt ist und von dem Wärmetransfermedium durchström-bar ist. Die Energie des Wärmetransfermediums, welche bei Vorhandensein von Strahlung ausreichend produziert wird, lässt sich in einfacher Weise Zwischenspeichern. Demnach kann aus dem ersten aufgeladenen Speichertank Energie entnommen werden auch wenn keine Strahlung, insbesondere Sonnenstrahlung, vorhanden ist.

[0009] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn der Boden des ersten Speichertanks als ein Absetzbecken ausgebildet ist. Lokale Überhitzungen mit Teilverdampfung des flüssigen Metalls oder der Metallmischung können dadurch kompensiert werden, ebenso wie das Absetzen von möglichen intermetallischen Verbindungen.

[0010] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Hochtemperaturspeicher einen zweiten Speichertank auf, welcher von dem Wärmetransfermedium oder einem überhitzten Niederdruck-Dampf bei einem Druck von weniger als 40 bar durchströmbar ist, wobei das Wärmetransfermedium oder der Niederdruck-Dampf thermisch leitend mit den Wärmespeicherelementen in dem ersten Speichertank in Verbindung steht. Die in dem ersten Speichertank gespeicher te Wärmeenergie ist auf einen Niederdruck-Dampf übertragbar. Die Druckbeanspruchung der Dampferzeugerrohre liegt daher im Bereich von Standardlösungen bei Gasturbinenbetrieb.

[0011] Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn in dem zweiten Speichertank ein zweiter Wärmetauscher integriert ist, durch welchen Wärme von dem Niederdruck-Dampf auf einen Hochdruck-Dampfkreislauf, insbesondere einen geschlossenen Gas-/Dampfturbinen-Kreislauf, übertragbar ist. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Gas-/Dampfturbinen-Kreislauf ein Cheng-Prozess bzw. ein Cheng-Cycle ist. Das in dem erfindungsgemässen Receiver-System herstellbare Hochdruckdampf ist in idealer Weise geeignet, einen Cheng-Cycle einer Gasturbine zu betreiben, da ein hohes thermodynamisches Gefalle von mehr als 800 °C auf 120 °C bereitgestellt werden kann. Der Cheng-Cycle ist sehr flexibel im Betrieb und lässt sich an einer verhältnismässig kleinen Gasturbine anwenden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich eine solche Gasturbine schnell starten lässt.

[0012] In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System einen dritten als Langzeitspeicher ausgeführten Speichertank, auf welchen durch einen zweiten Wärmetauscher Wärme von dem in dem zweiten Speicher befindlichen Niederdruck-Dampf übertragbar ist. Die Wärmeenergie aus dem Hochtemperaturspeicher lässt sich durch den dritten Speichertank besonders flexibel für viele Anwendungen, welche Wärme benötigen, nutzen, bei welchen Niedrigdruckdampf (ca. 40-50 bar) mit hoher Temperatur (grösser 800 °C) benötigt wird. Der dritte Speichertank kann eine Temperaturschichtung aufweisen. Denkbar ist es auch den Niedrigdruckdampf an einen Cheng-Cycle einer Gasturbine anzuschliessen.

[0013] Bevorzugt ist es, wenn ein vierter Speichertank vorgesehen ist, welcher durch Niedrig-druck-dampf aus dem dritten Speichertank aufladbar ist. Dadurch lässt sich ein hohes Temperaturgefälle von über 800 °C auf 120 °C erzielen.

[0014] In einer weiteren Ausführungsform ist der vierte Speichertank durch eine zusätzliche Wärme- oder Strahlungsquelle oder elektromagnetische Induktion aufladbar. In dem vierten Speichertank entstandenes Kondensatorwasser lässt sich durch die zusätzliche Wärme- oder Strahlungsquelle aufheizen und der entstehende Dampf kann zur Aufladung des dritten Speichertanks genutzt werden.

[0015] Zweckmässigerweise ist das Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System als ein Turm aufgebaut, wobei der Behälter zuoberst angeordnet ist und der erste Speichertank zwischen dem Behälter und dem zweiten Speicher tank angeordnet ist. Das System lässt sich sehr kompakt bauen, wodurch eine Mehrzahl von kleinen Receivern als ein «Receiverfeld» realisierbar ist. Viele kleinere Receiver- System sind wenigen grossen System vorzuziehen, da diese kostengünstiger und flexibler sind und an mehreren Standorten mit relativ geringem Aufwand errichtbar sind. Ausserdem sind die einzelnen kleinen Systeme individuell prozesssteuerbar entsprechend den örtlichen Einstrahlungsbedingungen.

[0016] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- System als eine «be-am down» Anordnung mit modularen unabhängig regelbaren Elementen ausgeführt. Die regelbaren Elemente ermöglichen es, die notwendige Temperatur durch Strahlung zu erhalten.

[0017] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist das System zur Wärmeaufladung derart aufgebaut ist, dass die vorhandene Wärme von einem in einem ersten Kreislauf geführte Wärmetransfermedium an ein in einem zweiten Kreislauf geführtes Gas oder Gasmischung, insbesondere Stickstoff, übertragbar ist. In dem System werden in dem «upload» Betrieb nicht nur die Wärmespeicherelemente aufgeheizt, sondern auch ein Gas, bevorzugt Stickstoff. Dadurch kann die aus der Strahlung gewonnene Wärme zweifach gespeichert werden, zum einen in den Wärmespeicherelementen und zum anderen in dem Gas. Das Gas steht im «download» Betrieb direkt dem Antrieb der Gasturbine zur Verfügung.

[0018] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das System zur Wärmeentnahme derart aufgebaut, dass in einem Kreislauf geführtes Wasser von dem in dem zweiten Kreislauf geführten Gas verdampfbar ist und zur Umsetzung eines Cheng-Cycles einer Gasturbine eine Dampfstrahlpumpe vorgesehen ist, in welcher das Gas mit dem Wasserdampf vermischbar ist und der Wasserdampf auf einen höheren Druck mit nachfolgender Überhitzung gebracht werden kann, und das Gemisch dem Antrieb der Gasturbine dient. Durch die Aufheizung des Gases ist ein Cheng-Cycle mit hohem Wirkungsgrad realisiert, auch wenn keine Verbrennungsgase zur Verfügung stehen. Die Wärmeentnahme indem «download» Betrieb kann besonders rasch in 1 bis 2 Stünden erfolgen. Dadurch, dass die Wärme in kurzer Zeit in konzentrierter Form zur Verfügung steht, kann die Gasturbine des Cheng-Cycles gross dimensioniert sein, um in kurzer Zeit besonders viel Strom ans Stromnetz liefern zu können. Das System ist daher in idealer Weise geeignet Belastungsspitzen im Stromnetz abdecken zu können.

[0019] Als zweckmässig erweist es sich, wenn die Wärmespeicherelemente in Faser-Gewebe-Lagen aufgebaut sind. Dadurch können die Wärmespeicherelemente den raschen Wärmewechsel zwischen dem «upload» und dem «download» Betrieb verkraften ohne materiellen Schaden zu nehmen oder zerstört zu werden.

[0020] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an den Wärmespeicherelementen eine Mehrzahl von Kanälen vorgesehen, in welchen Kanälen Rohre aufgenommen sind. Die Rohre ermöglichen es, dass die Wärme auch aus dem Inneren der Wärmespeicherelemente, rasch abgeführt werden kann. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Wärmedichte aus den Wärmespeicherelementen in kurzer Zeit abführen, ohne dem Material der Kugeln zu schaden.

[0021] Als vorteilhaft erweist es sich, wenn an den einzelnen Lagen Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, wobei die Durchgangsöffnungen zur Deckung gebracht sind, wodurch die Mehrzahl von Kanälen gebildet ist. Die Kanäle müssen daher nicht im Nachhinein an dem fertig aufgebauten Wärmespeicherelement vorgesehen werden, sondern werden während dem Aufbau der Lagen gebildet. Diese Aufbauform ist besonders materialschonend. Die Wärmespeicherelemente besitzen daher keine materiellen Ansatzpunkte, die während der stark wechselnden Wärmebelastung zu Spannungen und Materialabplatzungen fuhren könnten. Denkbar wäre es auch Hohlkugeln als Wärmespeicherelemente zu verwenden, da bei diesen aus dem Inneren keine Wärme abgeführt werden muss.

[0022] Bevorzugt ist es, wenn die Rohre aus Fasern aufgebaut sind. Die Fasern der Rohre können derart orientiert sein, dass der Wärmeübergang an das Wärmetransfermedium beschleunigt werden kann.

[0023] Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen. Es zeigt in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1: eine erste Ausführungsform eines Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- Systems in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2: eine zweite Ausführungsform eines Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- Systems in einer Schnittdarstellung,

Fig. 3: Fliessschema eines «upload»-Prozesses zur Energieaufladung des Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-Systems,

Fig. 4: Fliessschema eines «download»-Prozesses zur Energieentnahme aus dem Hochtemperatur-Strahlungs-Re-ceiver- System,

Fig. 5: eine Ansicht der in Keilform angeordneten Absorber-Röhren,

Fig. 6: eine Ansicht von drei nebeneinander angeordneten Absorber-Röhren Kreisläufen,

Fig. 7: eine Draufsicht auf ein Wärmespeicherelement und

Fig. 8: eine Schnittdarstellung durch das Wärmespeicherelement aus Fig. 7.

[0024] In der Fig. 1 ist ein Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- System gezeigt, welches gesamthaft mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet wird. Das System 11 umfasst einen Behälter 13 mit einer Strahlungseintrittsöffnung 15. Die eintretende Strahlung, insbesondere Sonnenlicht wird auf Absorberkörper 17 fokussiert. Um möglichst viel Strahlung zu absorbieren und die Strahlungsenergie in thermische Energie umzuwandeln, sind die Absorberkörper 17 bevorzugt als schwarze Körper ausgebildet. Die Absorberkörper 17 sind zweckmässigerweise mit hochtemperaturbeständigen, optimal schwarz absorbierenden Schalen abgedeckt, um die Begrenzung örtlicher, kurzzeitiger Überhitzungen an der Oberfläche sicher zu stellen. Eine verzögerte Weitergabe der Strahlungswärme und auch seitlicher Wärmeabfluss werden möglich.

[0025] In den Absorberkörpern 17 sind Kanäle 19 vorgesehen, in welchen ein flüssiges Wärmetransfermedium 21 aufgenommen ist Es kann sich demnach auch um Absorber-Röhren 19 handeln. Das Wärmetransfermedium 21 zirkuliert in einem Kühlungskreislauf, welcher die Absorberkörper 17 umfasst. Wärmetransfermedien mit einem geringen Siedepunkt haben einen hohen Dampfdruck, wodurch der Kühlungskreislauf unter anderem stark druckbelastet wird. Erfindungsgemäss wird als Wärmetransfermedium 21 Zinn oder eine Metallmischung mit Zinnanteil verwendet. Dies hat den grossen Vorteil, dass Zinn einen Siedepunkt von 2620 °C besitzt, jedoch bereits bei 232 °C schmilzt und mit Leichtmetallzusatz sogar unter diesem Wert schmilzt. Zinn kann daher in sehr effizienter Weise die Wärmeenergie aus der fokussierten Strahlung aufnehmen. Dabei erhitzt sich das Zinn bis 800 °C ohne dabei einen nennenswerten Dampfdruck aufzubauen. Der Kühlungskreislauf kann daher bei Niederdruck betrieben werden. Während des Receiversystembetriebes wird das Wärmetransfermedium in dem Kühlungskreislauf flüssig gehalten und es entstehen keine schädlichen Dämpfe oder eine ungewollte Druckzunahme. Die Werkstoffe, welche mit dem Wärmetransfermedium 21 in Berührung kommen, können Werkstoffe mit einer hohen Zeit-Standfestigkeit bei niedrigem Druck sei, welche metallische Lösungskorrosion zeitlich begrenzt ertragen, gegenüber chemisch aggressiven Salzschmelzen jedoch nicht. Dies ermöglicht wesentlich wirtschaftlichere bzw. kostengünstigere Werkstoffkombinationen als dies bei Werkstoffen der Fall ist, welche Bestand gegenüber Salzschmelzen und einem hohen Dampfdruck haben müssen.

[0026] Unterhalb des Behälters 13 ist ein erster Speichertank 23 angeordnet, welcher mit Wärmespeicherelementen 25 gefüllt ist. Die Wärmespeicherelemente 25 sind keramische Körper, welche beispielsweise die Gestalt von Kugeln haben können. Die Wärmespeicherelemente 25 können die von dem Wärmetransfermedium 21 übertragene Wärme lange Zeit, beispielsweise für 24h, speichern. Der Behälter 13 und der erste Speichertank 23 sind durch einen ersten Wärmetauscher 27 miteinander verbunden.

[0027] Unterhalb des ersten Speichertanks 23 ist ein zweiter Speichertank 29 angeordnet, welcher mit einem zweiten Wärmetauscher 31 fluiddurchströmbar mit dem ersten Speichertank 23 verbunden ist. Der zweite Speichertank kann von einem geschlossenen Gas/Dampfturbinen-Kreislauf 35 durchströmt werden. Dieser Kreislauf 35 ist ein Hochdruck-Kreislauf und wird beispielsweise zum Antrieb einer Gas-/Dampfturbine benutzt.

[0028] Kann ausreichend Strahlung über die Absorberkörper 17 absorbiert werden, so wird das Zinn als hoch erhitzbares Wärmetransfermedium 21 verflüssigt und nimmt die Wärme der Strahlung auf. Selbst wenn das Zinn durch die fokussierte Strahlung über 1000 °C erhitzt werden kann, kann der Flüssigmetall-Kühlungsumlauf bei niedrigen Drücken betrieben werden, da das Zinn einen äusserst niedrigen Dampfdruck besitzt und jenseits von 2500 °C verdampft. Das verflüssigte Zinn lädt den Hochtemperaturspeicher 37, welcher den ersten Speichertank 23 und den zweiten Speichertank 29 umfasst, mit Wärme auf. Das flüssige Zinn fliesst über den ersten Wärmetauscher 27 aus dem Behälter 13 in den ersten Speichertank 23. Dort werden die Wärmespeicherelemente 25 und die Wände des ersten Speichertanks 23 mit Wärme aufgeladen.

[0029] Wenn das Zinn durch Strahlung nicht ausreichend erwärmt werden kann, beispielsweise in der Nacht, kann der Hochtemperaturspeicher 37, insbesondere der erste Speichertank 23, entladen werden. Dazu wird Niederdruckdampf in dem ersten Speichertank 23 überhitzt und kann die aufgenommene Wärmemenge an den Hochdruckkreislauf 35 abgeben. Dadurch kann eine an den Hochdruckkreislauf 35 angeschlossene Gas/Dampfturbine 24 h pro Tag durch das Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- System 11 betrieben werden. Der Niederdruckdampf wird auf eine Temperatur von 570 °C begrenzt, damit die Druckbeanspruchung in den dampferzeugenden Rohren nicht zu gross wird. Durch das erfin-dungsgemässe Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- System 11 sind Temperaturgefälle von 850 °C auf 120 °C möglich. Dadurch kann die Gas-/Dampfturbine sehr effizient betrieben werden.

[0030] Eine solche kombinierte Dampf-/Gasturbinen Nutzung ist durch Injektion von Hochdruck-Dampf, beispielsweise aus dem Hochdruck-Kreislauf 35, in eine überhitzte Brennkammer, wie sie sich durch Erdgas- oder Kerosin-Feuerung leicht darstellen lässt, realisiert.

[0031] Für den Gas-Dampf-Turbinenbetrieb im gesamten Bereich von >800 °C bis zur Kondensation des Wasser-Anteils am Gas kann das sog. «Cheng-Cycle Verfahren» eingesetzt werden kann. Dieses Verfahren definiert sich dadurch, dass es in einer Turbine kombiniert inerte Gase (oder wahlweise Brenngase) mit zusätzlich injiziertem Wasserdampf verwendet. Der nötige Druck im Gas-Erhitzer Wärmetauscher kann so auf ca. 25-40 bar begrenzt bleiben, was die o.a. Zeitstandfestigkeit der Komponenten erhöht gegenüber Dampfdrücken in üblichen Rankine Kreisläufen.

[0032] Dampf kann in die Cheng-Cycle-Turbine mittels einer Dampf Strahlpumpe injiziert werden. So kann der Druck des Kompressorgases gesteuert bzw. erhöht werden und die Gas-Eintritts-Temperatur gleichzeitig begrenzt werden.

[0033] Zweckmässigerweise ist die Cheng-Cycle-Turbine derart ausgelegt, dass sie sowohl mit Gas-Erhitzung aus der Receiver-Strahlungsenergie des Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-Systems 11 als auch durch Brenngase als jederzeit verfügbare Reservekapazität betrieben werden kann. Diese Turbine kann daher in zwei Betriebsmodi betrieben werden. Vorteilhafterweise kann dann die mögliche, hohe Brenngastemperatur durch die Dampfstahlpumpe geregelt werden und die zusätzlich Energie in Form von Druckerhöhung in der Turbine genutzt werden.

[0034] Wegen der unregelmässigen Verfügbarkeit der Receiver-Strahlungsenergie kann im ersten Speichertank 23 nach dem Receiver auch direkt überhitzter Wasserdampf mit 40 bar und mit Temperaturen > 800 °C erzeugt werden. Dieser kann dann vorteilhaft durch geregelte Kondensation in einem ’Langzeitspeicher’ von > 4 h bis 36 h die Wärme an die keramischen Wärmespeicherelemente 25 abgeben. Eine Entladung im Gegenstrom erlaubt dann vorteilhafterweise einen Schnellstart der Cheng-Turbine mit Teillast, die nach kurzer Zeit durch den verfügbaren Dampf ergänzt wird. Idealerweise ist der Speicher so ausgelegt, dass auch überhitzter Dampf mit höherem Druck erzeugt wird, was die Wirkung der Dampfstrahlpumpe vorteilhaft erhöhen kann.

[0035] Der Hochdruckkreislauf 35 kann auch dazu verwendet werden einen dritten Speichertank 43 aufzuladen. Der dritte Speichertank ist bevorzugt als Langzeitspeicher ausgeführt. Ein vierter Speichertank 45 ist durch Niedrigdruckdampf aus dem dritten Speichertank aufladbar. Der vierte Speichertank 45 ist durch eine zusätzliche Wärme- oder Strahlungsquelle oder eine elektromagnetische Induktion 47 aufladbar. Die Wärme- oder Strahlungsquelle oder elektromagnetische Induktion 47 kann erzeugtes Kondensatorwasser aufheizen und den entstehenden Dampf dem dritten Speichertank 43 zu dessen Aufladung zugeführt werden kann.

[0036] In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des Hochtemperatur-Strahlungsreceiver-Systems 11 gezeigt. Grundsätzlich sind die Bauteile identisch mit dem 1 Ausführungsbeispiel jedoch ist die Anordnung von Wärmetauschern unterschiedlich.

[0037] Der Behälter 13 und der erste Speichertank 23 sind durch eine erste Leitung 27 miteinander verbunden. Das flüssige Wärmetransfermedium 21 fliesst über die erste Leitung 27 aus dem Behälter 13 in den ersten Speichertank 23. Dort werden die Wärmespeicherelemente 25 und die Wände des ersten Speichertanks 23 mit Wärme aufgeladen. Das flüssige Wärmetransfermedium (Zinn) fliesst über die Kanäle 32 in den zweiten Speichertank 29, wo es Wärme auf den Hochdruck-Wärmetauscher 33 übertragen kann. Das abgekühlte Zinn wird über die Steigleitung 39 mit Hilfe einer Umwälzpumpe 41, geeignet für die Förderung von flüssigem Metall, beispielsweise eine Drehstromwanderfeldpumpe, zu den Absorberkörpern 17 zurückgeführt.

[0038] Wenn das Zinn durch Strahlung nicht ausreichend erwärmt werden kann, beispielsweise in der Nacht, kann der Hochtemperaturspeicher 37, insbesondere der erste Speichertank 23, entladen werden. Dazu wird Niederdruckdampf in dem ersten Speichertank 23 überhitzt und kann die aufgenommene Wärmemenge an den Hochdruckwärmetauscher 33 abgeben. Dadurch kann eine an den Hochdruckkreislauf 35 angeschlossene Gas-/Dampfturbine 24 h pro Tag durch das Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System 11 betrieben werden. Der Niederdruckdampf wird auf eine Temperatur von 570 °C begrenzt, damit die Druckbeanspruchung in den dampferzeugenden Rohren nicht zu gross wird. Durch das erfindungsgemässe Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System 11 sind Temperaturgefälle von mehr als 850 °C auf 120 °C möglich. Dadurch kann die Gas-/Dampfturbine sehr effizient betrieben werden.

[0039] Es versteht sich, dass die an den Hochdruckkreislauf 35 abgegebene Wärme auch für andere Einsatzzwecke als den Betrieb einer Gas-/Dampfdruckturbine eingesetzt werden kann.

[0040] In den Fig. 3 und 4 ist ein erweitertes Fliessschema gezeigt, welches in der Fig. 3 den «upload» Betrieb und in der Fig. 4 den «download» Betrieb zeigt. Beim «upload» Betrieb wird der erste Speichertank 23 mit Wärme aufgeladen. Im «download» Betrieb wird aus dem Speichertank 23 Wärme zur weiteren Verwendung entnommen.

[0041] Beim «upload» Betrieb werden die in dem Behälter 13 angeordneten Absorberkörper 17 durch eine konzentrierte Strahlung, bevorzugt durch Sonnenstrahlung, aufgeheizt. Das Metall ist ein flüssiges Wärmetransfermedium 21 wie weiter oben beschrieben. Das flüssige Wärmetransfermediurn 21 zirkuliert in einem ersten Kreislauf 49. Das Medium 21 wird in den ersten Speichertank 23 geführt. Nach Abgabe der Wärme in dem ersten Speichertank 23 kehrt das Medium 21 über eine beheizbare Steigleitung 39 in den Behälter 13 zurück. Die Zirkulation erfolgt durch eine Umwälzpumpe 51.

[0042] Wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt sind die Absorberkörper 17 als Absorber-Röhren 19 dargestellt. Wenigstens im Bereich des Behälters 13 sind die Absorber-Röhren 19 in drei parallel geschalteten ersten Kreisläufen ausgeführt. Falls einer der ersten Kreisläufe verblockt oder anderwärtig gewartet werden muss, können die anderen beiden Kreisläufe weiter betrieben werden. Dadurch ist eine Redundanz in dem ersten Kreislauf gegeben. In Fig. 5 ist die die Anordnung der Absorber-Röhren 19 in Keilform gezeigt, wodurch die Absorber-Röhren 19 die Strahlungseintritts-Öffnung 15 bilden. In Fig. 7 ist gezeigt, dass die Absorber-Röhren 19 der drei ersten Kreisläufe ineinander und nebeneinander angeordnet sind, um möglichst dicht gepackt zu sein. Trotzdem lässt sich jeder der drei ersten Kreisläufe ziehen und aus der Packung entfernen, ohne dass die übrigen ersten Kreisläufe entfernt werden müssten. Dazu sind die Rohrbögen von zwei der drei ersten Kreisläufe nach oben bzw. nach unten gebogen (Fig. 6).

[0043] Wird der erste Kreislauf 49 gestoppt, beispielsweise in der Nacht, wenn keine Sonnenstrahlung vorhanden ist, wird das flüssige Wärmetransfermedium 21 in dem Mediumsumpf 53 flüssig gehalten. Zum Erhaltung des flüssigen Zustandes des Mediums 21 wird die Steigleitung 39 beheizt. Zusätzlich wird in dem Mediumsumpf 53 ein Druck aufgebaut, wodurch das flüssige Medium 21 wieder in Zirkulation versetzt wird. Der Druck, welcher den Zirkulationsprozess erneut startet, kann durch ein in Druckflaschen 55 gelagertes Inertgas bereitgestellt werden.

[0044] Während des «upload» Betriebs wird in einem zweiten Kreislauf 57 ein Inertgas, bevorzugt Stickstoff, geführt. Während des «upload» Betriebes werden nicht nur die Wärmespeicherelemente 25 in dem ersten Speichertank 23 aufgeheizt, sondern auch der Stickstoff in dem zweiten Kreislauf 57. Der zweite Kreislauf kann daher auch als Gasaufheizungskreislauf bezeichnet werden.

[0045] Ein kleiner Teil des aufgeheizten Stickstoffes treibt eine erste Gasturbine 59 an. Die erste Gasturbine 59 treibt einen ersten Kompressor 61 an, welcher in den zweiten Kreislauf 57 eingebunden ist. Während des «upload» Betriebes dienen die Gasturbine 59 und der Kompressor 61 dazu das in dem zweiten Kreislauf vorhandene Inertgas in Zirkulation zu versetzen und während der Zirkulation aufzuheizen.

[0046] Der Stickstoff tritt in den zweiten Speichertank 24 ein und wird über den Zwischenkühler 63 geführt. Der Zwischenkühler 63 ist während des «upload» Betriebes nicht im Einsatz. In dem ersten Kompressor 61 wird der Stickstoff auf ca. 25 bar verdichtet. Falls der erste Kreislauf 49 sich nicht im Einsatz befindet, beispielsweise bei Schlechtwetter oder bei Revisionsarbeiten, lässt sich der erste Speichertank auch mit lagerbaren Brennstoffen aufheizen. Denkbar sind beispielsweise Methanol oder Alkohol. Dann kann die Gesamtanlage auch eine Reservekapazität als Gasturbinenanlage darstellen. Die Gesamtanlage 11 ist daher äusserst flexibel einsetzbar.

[0047] Zur Entladung wird die Anlage 11 in dem «download» Betrieb gefahren. Während der Wärmeentnahme im «download» Betrieb ist der erste Kreislauf 49 nicht in Betrieb. Der «download» Betrieb lässt sich nutzen, um Spitzenzeiten des Strombedarfes abzudecken. Beispielsweise in der Früh oder am Abend. Der «download» Betrieb lässt sich sehr rasch aktivieren und ist daher mit geringer Vorlaufzeit einsatzbereit. Der «download» Betrieb ist dazu ausgelegt die Wärme innerhalb von 1-2 Stunden zu entnehmen. Da die Wärme in kurzer Zeit abführbar ist, lässt sich in dem System 11 eine vergleichsweise gross dimensionierte zweite Gasturbine 67 betreiben, als wenn die Wärme nur langsamer zur Verfügung stehen würde. Die rasche Wärmeentladung bzw. -entnähme wird insbesondere durch die weiter unten beschriebenen speziell aufgebauten Wärmespeicherelemente ermöglicht.

[0048] In dem «download» Betrieb wird das weiter oben beschriebene «Cheng-Cycle Verfahren» umgesetzt. Der komprimierte Stickstoff wird in einer Dampfstrahlpumpe 65 mit Wasserdampf versetzt. Der Wasserdampf hat ca. 50 bar. Das Gemisch wird durch den ersten Speichertank 23 in einer Überhitzer- Schlange 66 geführt und verlässt den ersten Speichertank 23 mit ca. 40-50 bar. Das Gas-Wasserdampf-Gemisch tritt in die erste Gasturbine 59 ab Hochdruckstufe ein. Im nächsten Betriebsschritt wird das Gemisch einer zweiten Gasturbine 67 als Niederdruckstufe zugeführt.

[0049] Das entspannte Gemisch wird dem zweiten Speichertank 24 zugeführt. Im Gegenstrom zu dem Gemisch wird dem zweiten Speichertank 24 Wasser zugeführt, welches verdampft wird. Der zweite Speichertank 24 wirkt daher als ein Dampferzeuger. Der erzeugte Dampf verlässt vorzugsweise mit ca. 300 °C und 100 bar den Dampferzeuger 24 und wird der Dampfstrahlpumpe 65 zugeführt.

[0050] Das in der zweiten Gasturbine 67 entspannte Stickstoff-Dampf-Gemisch verlässt den Dampferzeuger 24 und wird in einem Kondensator 69 getrennt. Das Wasser-Kondensat wird in einem Luftkühler 71 vorgewärmt bevor es in dem Dampferzeuger 24 verdampft wird. Das Kondensat wird mit einer Speisewasserpumpe 73 in den Dampferzeuger 24 gepumpt.

[0051] Der von dem Wasserdampf durch Kondensation getrennte Stickstoff wird ebenfalls über den Luftkühler 71 geführt. In einem zweiten Kompresser 75, welcher von der zweiten Gasturbine 67 angetrieben wird, wird der Stickstoff vorverdichtet. Die zweite Gasturbine treibt auch einen Generator 77 zur Stromerzeugung an. Der komprimierte Stickstoff wird über den Zwischenkühler 63 geführt. Durch die Abkühlung des Stickstoffes in dem Zwischenkühler 63 wird der erste Kompressor 61 entlastet. Der in dem ersten Kompressor 61 verdichtete Stickstoff wird der Dampf Strahlpumpe 65 zur Vermischung mit dem überhitzten Wasserdampf zugeführt. Ferner wird der Druck des Gemisches in der Dampfstrahlpumpe 65 um 25 bis 50 bar erhöht.

[0052] Um den Wärmeübergang zwischen dem Wärmetransfermedium 21 und den Wärmespeicherelementen 25 zu verbessern und zu beschleunigen, sind die Wärmespeicherelemente 25 in Lagen 79 aufgebaut, wobei an den Lagen 79 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 81 vorgesehen sind (Fig. 7 und 8). Einzelne Durchgangsöffnungen 81 benachbarter Schichten 79 bilden Kanäle 83. Bevorzugt sind die Kanäle 83 parallel ausgerichtet. Bevorzugt läuft ein zentraler Kanal 85 durch das Zentrum des Wärmespeicherelements 25. In den Kanälen 83, 85 sind Rohre 87 aufgenommen. Anstatt von Rohren 87 können auch Stäbe in den Kanälen83, 85 aufgenommen sein. Die Rohre 87 sind aus Fasern aus Siliciumcar-bid oder einem Carbid Composite aufgebaut. Die Fasern können den inneren Wärmefluss erleichtern, indem sie an der Oberfläche nach aussen gerichtet sind. Die Lagen 79 sind Faser-Gewebe-Lagen und können mit Silicium beschichtet sein, das durch Vorerhitzen einsintern kann.

[0053] Die Kanäle 83, 85 und die darin aufgenommenen Rohre 87 vergrössern die Wärmeaustauschfläche der Wärmespeicherelemente 25 mit dem Wärmetransfermedium 21. Bevorzugt sind die Wärmespeicherelemente 25 als Kugeln 25 ausgeformt. In Kombination mit den einzelnen Schichten 79 lassen sich die Wärmespeicherelemente 25 relativ spannungsfrei aufheizen und abkühlen. Da diese über 1000 °C erwärmt werden können, ist eine grosse Hitzestabilität für eine akzeptable Lebensdauer der Kugeln von grosser Bedeutung. Der Aufbau der Kugeln ermöglicht es, dass diese einen Durchmesser von bevorzugt bis zu 10 cm haben können, ohne dass sie bei der auftretenden Hitzebelastung und dem Hitzewechsel bersten oder brechen. Dadurch können keine Bruchstücke oder Kugelbrösel entstehen, welche der ersten und zweiten Gasturbine 59, 67, insbesondere deren Lager, massiv schaden könnten. Kugeln mit einer solchen Grösse haben den Vorteil, dass ihr Durchmesser grösser als der Durchmesser von den mit dem ersten Speichertank 23 verbundenen Rohren ist. Dadurch können die Kugeln nicht in die Rohre des Speichertanks 23 wandern und diese eventuell verstopfen. Die ausgeführte Grösse der Kugeln 25 führt auch zu einer reduzierten Packungsdichte im Vergleich zu kleineren Wärmespeicherelementen. Dadurch sind die Kugeln in dem Kugelbett leichter gegeneinander verschiebbar bzw. können gegeneinander wandern. Ein Verklemmen während der starken Erhitzung und Abkühlung der Kugeln untereinander kann durch deren Dimensionierung unterbunden werden.

Legende [0054] 11 Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System, Gesamtanlage 13 Behälter 15 Strahlungseintrittsöffnung 17 Absorberkörper 19 Kanäle 21 Wärmetransfermedium 23 Erster Speichertank 24 Zweiter Speichertank, Dampferzeuger 25 Wärmespeicherelemente, Kugeln 26 Erste Leitung 27 Erster Wärmetauscher 29 Zweiter Speichertank 31 Zweiter Wärmetauscher 32 Kanäle

Claims

33 Hochdruck-Wärmetauscher 35 Hochdruck-Kreislauf 37 Hochtemperaturspeicher 39 Steigleitung 41 Umwälzpumpe 43 Dritter Speichertank 45 Vierter Speichertank 47 Wärme- oder Strahlungsquelle oder elektromagnetische Induktion 49 Erster Kreislauf 51 Umwälzpumpe 53 Mediumsumpf 55 Druckflaschen 57 Zweiter Kreislauf 59 Erste Gasturbine 61 Erster Kompressor 63 Zwischenkühler 65 Dampfstrahlpumpe 66 Überhitzer- Schlange 67 Zweite Gasturbine 69 Kondensator 71 Luftkühler 73 Speisewasserpumpe 75 Kompressor 77 Generator 79 Lagen 81 Durchgangsöffnungen 83 Kanäle 85 Zentraler Kanal 87 Rohre Patentansprüche

1. Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-System (11) zum Auffangen konzentrierter Strahlung umfassend - einen Behälter (13) mit wenigstens einer Strahlungseintrittsöffnung (15), - im Behälter (13) vorgesehenen Absorberkörpern (17), welche wenigstens bereichsweise als schwarze Körper ausgebildet und hinter der Strahlungseintrittsöffnung (15) angeordnet sind, zum Auffangen der Strahlungsenergie und Umwandlung derselben in thermische Energie, - in den Absorberkörpern (17) vorhandene Kanäle (19) für die Durchleitung eines Wärmetransfermediums (21), - einen einen Hochtemperatur-Speicher (37) bildenden Aufnahmeraum für Wärmespeicherelemente (25), welcher eine Speicherzone definiert und von dem Wärmetransfermedium (17) durchströmbar ist und - im Aufnahmeraum vorhandene Wärmespeicherelemente (25), dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransfermedium (21) ein flüssiges Metall bzw. eine flüssige Mischung aus Metallen ist, deren Siedepunkt grösser als 750 °C ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransfermedium (21) flüssiges Zinn oder eine flüssige Metallmischung mit einem Zinnanteil ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zirkulation des Wärmetransfermediums (21) metallische oder keramische Leitungen (26) vorgesehen sind, welche bis wenigstens 800 °C hitze- und chemiebeständig sind und resistent gegen Temperaturschocks sind.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalle der flüssigen Metallmischung derart ausgewählt sind, dass beim Siedepunkt der Metallmischung ein Siedeverzug auftritt.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturspeicher (37) einen ersten Speichertank (23) aufweist, welcher mit den Wärmespeicherelementen (25) befüllt ist und von dem Wärmetransfermedium (21) durchströmt ist.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des ersten Speichertanks (23) als ein Absetzbecken ausgebildet ist.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturspeicher (37) einen zweiten Speichertank (29) aufweist, welcher von dem Wärmetransfermedium (21) oder einem überhitzten Niederdruck-Dampf bei einem Druck von weniger als 40 bar durchströmbar ist, wobei das Wärmetransfermedium (21) oder der Niederdruck-Dampf thermisch leitend mit den Wärmespeicherelementen (25) in dem ersten Speichertank (23) in Verbindung steht.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Speichertank (29) ein Wärmetauscher (33) integriert ist, durch welchen Wärme von dem Niederdruck-Dampf auf einen Hochdruck-Dampfkreislauf, insbesondere einen geschlossenen Gas-/Dampfturbinen-Kreislauf, übertragbar ist.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckkreislauf mit einem Cheng-Cycle einer Gasturbine verbunden ist.
10. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- System (11) einen dritten als Langzeitspeicher ausgeführten Speichertank (43) umfasst, auf welchen durch einen zweiten Wärmetauscher Wärme von dem in dem zweiten Speicher befindlichen Niederdruck-Dampf übertragbar ist.
11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein vierter Speichertank (45) vorgesehen ist, welcher durch Niedrigdruckdampf aus dem dritten Speichertank (43) aufladbar ist.
12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Speichertank (45) durch eine zusätzliche Wärme- oder Strahlungsquelle oder elektromagnetische Induktion (47) aufladbar ist.
13. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- System (11) als ein Turm aufgebaut ist, wobei der Behälter (13) zuoberst angeordnet ist und der erste Speichertank (23) zwischen dem Behälter (13) und dem zweiten Speichertank (29) angeordnet ist.
14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- System (11) als eine «beam down» Anordnung mit modularen unabhängig regelbaren Elementen ausgeführt ist.
15. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Receiver- System (11) zur Wärmeaufladung derart auf gebaut ist, dass die vorhandene Wärme von einem in einem ersten Kreislauf (49) geführte Wärmetransfermedium (21) an ein in einem zweiten Kreislauf (57) geführtes Gas oder Gasmischung, insbesondere Stickstoff, übertragbar ist.
16. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (11) zur Wärmeentnahme derart aufgebaut ist, dass in einem Kreislauf geführtes Wasser von dem in dem zweiten Kreislauf (49) geführten Gas verdampfbar ist und zur Umsetzung eines Cheng-Cycles einer Gasturbine (59, 67) eine Dampfstrahlpumpe (65) vorgesehen ist, in welcher das Gas mit dem Wasserdampf vermischbar ist und der Wasserdampf auf einen höheren Druck mit nachfolgender Überhitzung gebracht werden kann, und das Gemisch dem Antrieb der Gasturbine (59, 67) dient.
17. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherelemente (25) in Faser-Gewebe-Lagen (79) aufgebaut sind.
18. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Wärmespeicherelementen (25) eine Mehrzahl von Kanälen (83, 85) vorgesehen ist, in welchen Kanälen (83, 85) Rohre (87) aufgenommen sind.
19. System nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass an den einzelnen Lagen (79) Durchgangsöffnungen (81) vorgesehen sind, wobei die Durchgangsöffnungen (81) zur Deckung gebracht sind, wodurch die Mehrzahl von Kanälen (83, 85) gebildet ist.
20. System nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (87) aus Fasern aufgebaut sind.