CH713487A1 - High-temperature radiation receiver system. - Google Patents
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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.The invention relates to a high-temperature radiation receiver system (11) for collecting concentrated radiation comprising a container (13) with at least one radiation inlet opening (15), in the container (13) provided absorber bodies (17) which at least partially formed as a black body and behind the radiation inlet opening (15) are arranged for collecting the radiation energy and conversion of the same into thermal energy and in the absorber bodies (17) existing channels for the passage of a heat transfer medium (21). Furthermore, the system (11) comprises a high-temperature storage (37) forming receiving space for heat storage elements (25), which defines a storage zone and can be flowed through by the heat transfer medium and in the receiving space existing heat storage elements (25). The heat transfer medium (21) is a liquid metal or a liquid mixture of metals whose boiling point is greater than 750 ° C.
Description
Beschreibungdescription
Gebiet der Erfindung [0001] Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Strahlungsreceiver-System gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.Field of the Invention The invention relates to a high temperature radiation receiver system according to the preamble of claim 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.Background Art High-temperature radiation receivers for collecting concentrated radiation require a heat transfer medium in order to dissipate the concentrated heat. Various liquid heat transfer media have been developed to dissipate the heat as efficiently as possible. Thermo oils and molten salts are known as heat transfer media. However, these have the disadvantage that they are little or not thermally stable above 600 ° C. In addition, the salt melts decompose above 600 ° C and form highly corrosive fission products, which attack and destroy the plants. The efficiency of high-temperature radiation receivers, however, would improve significantly if heat could be transferred beyond 600 ° C.
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.OBJECT OF THE INVENTION From the disadvantages of the described prior art, the present invention initiates the task of further developing a high-temperature radiation receiver system such that the amount of heat transferable to the liquid heat transfer medium can be increased.
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.The solution of the problem is achieved in a high-temperature radiation receiver system for collecting concentrated radiation in that the heat transfer medium is a liquid metal or a liquid mixture of metals whose boiling point is greater than 750 ° C. When using liquid metal cooling with a sufficient circulation speed, the metal mixture can be adjusted so that the metal vapor pressure remains low. During receiver operation, the heat transfer medium in the cooling circuit is a liquid. Consequently, the vessel walls are not attacked by reactions which are due to high pressure and aggressive metal vapor, or by corrosion. A sufficient creep strength of the absorber body (receiver tubes or plates), which is essential for a reliable and low-maintenance receiver operation, is given by the invention.
[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.The invention is preferably characterized in that the heat transfer medium is liquid tin or a liquid metal mixture with a tin content. This has the great advantage that tin has a boiling point of 2620 ° C, but melts already at 232 ° C. Tin mixtures with light alloy melt at even lower temperatures, which facilitates starting operations of the cooling circuit, especially in cold areas. Tin can therefore absorb the heat energy from the focused radiation in a very efficient way. The tin heats up to 800 ° C without building up a significant vapor pressure. The cooling circuit can therefore operate at low pressure. The materials that come into contact with the heat transfer medium may be materials with lower resistance to pressure and aggressiveness of the heat transfer medium than is the case with materials for corrosive and high vapor pressure heat transfer media. [0006] It has proved expedient to if metallic or ceramic lines are provided for the circulation of the heat transfer medium, which are heat and chemical resistant up to at least 800 ° C and are resistant to thermal shocks. This allows the receiver system to operate at high temperatures. However, a heavy load on the lines due to a chemically highly aggressive and corrosive heat transfer medium is eliminated since the heat transfer medium is not vaporized and does not form a high pressure. Accordingly, the material costs of the lines can be substantially reduced.
[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.Conveniently, the metals of the liquid metal mixture are selected such that a boiling delay occurs at the boiling point of the metal mixture. This can delay the formation of steam and the operating pressure remains low.
[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.The invention is also preferably characterized by the fact that the high-temperature storage has a first storage tank which is filled with the heat storage elements and is durchström-bar of the heat transfer medium. The energy of the heat transfer medium, which is sufficiently produced in the presence of radiation, can be easily cached. Accordingly, energy can be taken from the first charged storage tank even if no radiation, in particular solar radiation, is present.
[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.It proves to be advantageous if the bottom of the first storage tank is designed as a sedimentation tank. Local overheating with partial evaporation of the liquid metal or the metal mixture can thereby be compensated, as well as the settling of possible intermetallic compounds.
[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.In a further preferred embodiment, the high-temperature reservoir to a second storage tank, which is flowed through by the heat transfer medium or a superheated low-pressure steam at a pressure of less than 40, wherein the heat transfer medium or the low-pressure steam thermally conductive with the heat storage elements in the first storage tank communicates. The stored in the first storage tank te heat energy is transferable to a low-pressure steam. The compressive stress of the steam generator tubes is therefore in the range of standard solutions in gas turbine operation.
[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.It proves to be particularly advantageous if in the second storage tank, a second heat exchanger is integrated, by which heat from the low-pressure steam to a high-pressure steam cycle, in particular a closed gas / steam turbine cycle, transferable. It is particularly preferred if the gas / steam turbine cycle is a Cheng process or a Cheng cycle. The high-pressure steam which can be produced in the receiver system according to the invention is ideally suited to operate a Cheng cycle of a gas turbine, since a high thermodynamic gradient of more than 800 ° C. to 120 ° C. can be provided. The Cheng cycle is very flexible in operation and can be applied to a relatively small gas turbine. Another advantage is that such a gas turbine can be started quickly.
[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.In a further embodiment, the high-temperature radiation receiver system comprises a third designed as a long-term storage storage tank on which heat can be transferred from the located in the second memory low-pressure steam by a second heat exchanger. The heat energy from the high-temperature accumulator can be used particularly flexibly by the third storage tank for many applications which require heat, where low-pressure steam (about 40-50 bar) with a high temperature (greater than 800 ° C.) is required. The third storage tank may have a temperature stratification. It is also conceivable to connect the low-pressure steam to a Cheng cycle of a gas turbine.
[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.It is preferred if a fourth storage tank is provided which can be charged by low-pressure steam from the third storage tank. As a result, a high temperature gradient of over 800 ° C to 120 ° C can be achieved.
[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.In a further embodiment, the fourth storage tank is chargeable by an additional heat or radiation source or electromagnetic induction. In the fourth storage tank incurred condenser water can be heated by the additional heat or radiation source and the resulting steam can be used to charge the third storage tank.
[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.Conveniently, the high-temperature radiation receiver system is constructed as a tower, wherein the container is arranged at the top and the first storage tank between the container and the second storage tank is arranged. The system can be built very compact, whereby a plurality of small receivers as a «receiver field» can be realized. Many smaller receiver systems are preferable to a few large ones because they are more cost effective, more flexible, and can be deployed at multiple sites with relatively little effort. In addition, the individual small systems are individually process-controllable according to the local irradiation conditions.
[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.In a further preferred embodiment, the high-temperature radiation receiver system is designed as a "be-am down" arrangement with modular independently controllable elements. The controllable elements make it possible to obtain the necessary temperature by radiation.
[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.In a further particularly preferred embodiment, the system for heat storage is constructed such that the existing heat from a guided in a first circuit heat transfer medium to a guided in a second circuit gas or gas mixture, in particular nitrogen, is transferable. In the system, not only the heat storage elements are heated in the "upload" mode, but also a gas, preferably nitrogen. As a result, the heat recovered from the radiation can be stored twice, on the one hand in the heat storage elements and the other in the gas. The gas is directly available to the drive of the gas turbine in "download" mode.
[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.In a further particularly preferred embodiment of the invention, the system for heat removal is constructed such that circulated water is vaporized by the guided in the second circuit gas and to implement a Cheng cycle of a gas turbine, a steam jet pump is provided in which the gas is miscible with the water vapor and the water vapor can be brought to a higher pressure with subsequent overheating, and the mixture is used to drive the gas turbine. By heating the gas, a high-efficiency Cheng Cycle is realized, even when no combustion gases are available. The heat extraction in the "download" operation can be done very quickly in 1 to 2 hours. The fact that the heat is available in a concentrated form in a short time, the gas turbine of the Cheng cycle can be large enough to be able to supply a particularly large amount of electricity to the power grid in a short time. The system is therefore ideally suited to cover load peaks in the power grid.
[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.It proves to be expedient if the heat storage elements are constructed in fiber-fabric layers. This allows the heat storage elements to cope with the rapid heat transfer between the "upload" and the "download" operation without material damage or destruction.
[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.In a further preferred embodiment of the invention, a plurality of channels is provided on the heat storage elements, in which channels tubes are accommodated. The pipes allow the heat to be dissipated quickly even from inside the heat storage elements. This allows a particularly high heat density from the heat storage elements dissipate in a short time, without damaging the material of the balls.
[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.It proves to be advantageous if through holes are provided at the individual layers, wherein the passage openings are made to coincide, whereby the plurality of channels is formed. The channels therefore do not have to be provided afterwards on the finished heat storage element, but are formed during the construction of the layers. This design is particularly gentle on materials. The heat storage elements therefore have no material starting points that could lead to tensions and material chipping during the strongly changing heat load. It would also be conceivable to use hollow balls as heat storage elements, since in these no heat has to be dissipated from the interior.
[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.It is preferred if the tubes are constructed of fibers. The fibers of the tubes may be oriented so that the heat transfer to the heat transfer medium can be accelerated.
[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:Further advantages and features will become apparent from the following description of two embodiments of the invention with reference to the schematic representations. It shows in a non-scale representation:
Fig. 1: eine erste Ausführungsform eines Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- Systems in einer schematischen Darstellung,1 shows a first embodiment of a high-temperature radiation receiver system in a schematic representation,
Fig. 2: eine zweite Ausführungsform eines Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver- Systems in einer Schnittdarstellung,2 shows a second embodiment of a high-temperature radiation receiver system in a sectional view,
Fig. 3: Fliessschema eines «upload»-Prozesses zur Energieaufladung des Hochtemperatur-Strahlungs-Receiver-Systems,3 shows a flow diagram of an "upload" process for charging the energy of the high-temperature radiation receiver system,
Fig. 4: Fliessschema eines «download»-Prozesses zur Energieentnahme aus dem Hochtemperatur-Strahlungs-Re-ceiver- System,4 shows a flow diagram of a "download" process for extracting energy from the high-temperature radiation-regenerative system,
Fig. 5: eine Ansicht der in Keilform angeordneten Absorber-Röhren,5 shows a view of the wedge-shaped absorber tubes,
Fig. 6: eine Ansicht von drei nebeneinander angeordneten Absorber-Röhren Kreisläufen,6 is a view of three juxtaposed absorber-tube circuits,
Fig. 7: eine Draufsicht auf ein Wärmespeicherelement undFig. 7 is a plan view of a heat storage element and
Fig. 8: eine Schnittdarstellung durch das Wärmespeicherelement aus Fig. 7.8: a sectional view through the heat storage element from 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.In Fig. 1, a high-temperature radiation receiver system is shown, which is generally designated by the reference numeral 11. The system 11 comprises a container 13 with a radiation inlet opening 15. The incoming radiation, in particular sunlight, is focused on the absorber body 17. In order to absorb as much radiation as possible and to convert the radiation energy into thermal energy, the absorber bodies 17 are preferably formed as black bodies. The absorber body 17 are conveniently covered with high temperature resistant, optimally black absorbing trays to ensure the limitation of local, short-term overheating on the surface. A delayed transmission of radiant heat and lateral heat flow are possible.
[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.In the absorber bodies 17 channels 19 are provided, in which a liquid heat transfer medium 21 is received, it can therefore also act to absorber tubes 19. The heat transfer medium 21 circulates in a cooling circuit comprising the absorber bodies 17. Heat transfer media with a low boiling point have a high vapor pressure, which, among other things, puts a lot of pressure on the cooling circuit. According to the invention, tin or a metal mixture with tin content is used as the heat transfer medium 21. This has the great advantage that tin has a boiling point of 2620 ° C, but already melts at 232 ° C and melts with light metal additive even below this value. Tin can therefore absorb the heat energy from the focused radiation in a very efficient way. The tin heats up to 800 ° C without building up a significant vapor pressure. The cooling circuit can therefore be operated at low pressure. During receiver system operation, the heat transfer medium in the cooling circuit is kept fluid and there are no harmful vapors or unwanted pressure increase. The materials which come in contact with the heat transfer medium 21 may be high-time-pressure, low-pressure materials which endure metallic solution corrosion for a limited time, but not chemically aggressive molten salts. This allows much more economical or cost-effective combinations of materials than is the case with materials that must have stock against molten salts and a high vapor pressure.
[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.Below the container 13, a first storage tank 23 is arranged, which is filled with heat storage elements 25. The heat storage elements 25 are ceramic bodies, which may for example have the shape of spheres. The heat storage elements 25 may store the heat transferred from the heat transfer medium 21 for a long time, for example, for 24 hours. The container 13 and the first storage tank 23 are connected to each other by a first heat exchanger 27.
[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.Below the first storage tank 23, a second storage tank 29 is arranged, which is fluidly connected to the first storage tank 23 with a second heat exchanger 31. The second storage tank can be flowed through by a closed gas / steam turbine circuit 35. This circuit 35 is a high-pressure circuit and is used for example for driving a gas / steam turbine.
[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.If sufficient radiation can be absorbed via the absorber body 17, the tin is liquefied as a highly heatable heat transfer medium 21 and absorbs the heat of the radiation. Even if the tin can be heated above 1000 ° C by the focused radiation, the liquid metal cooling circuit can be operated at low pressures since the tin has a very low vapor pressure and evaporates beyond 2500 ° C. The liquefied tin charges the high-temperature storage 37, which includes the first storage tank 23 and the second storage tank 29, with heat. The liquid tin flows via the first heat exchanger 27 from the container 13 into the first storage tank 23. There, the heat storage elements 25 and the walls of the first storage tank 23 are charged with heat.
[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.If the tin can not be sufficiently heated by radiation, for example, at night, the high-temperature reservoir 37, in particular the first storage tank 23, can be discharged. For this purpose, low-pressure steam is overheated in the first storage tank 23 and can deliver the amount of heat absorbed to the high-pressure circuit 35. As a result, a gas / steam turbine connected to the high-pressure circuit 35 can be operated 24 hours a day by the high-temperature radiation receiver system 11. The low-pressure steam is limited to a temperature of 570 ° C, so that the compressive stress in the steam-generating pipes is not too large. Due to the high-temperature radiation receiver system 11 according to the invention, temperature gradients of 850 ° C. to 120 ° C. are possible. This allows the gas / steam turbine to be operated very efficiently.
[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.Such a combined steam / gas turbine utilization is realized by injection of high pressure steam, for example from the high pressure circuit 35, into a superheated combustor, as easily represented by natural gas or kerosene firing.
[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.For the gas-steam turbine operation in the entire range of> 800 ° C to the condensation of the water content of the gas, the so-called. "Cheng cycle process" can be used. This process is defined by using combined inert gases (or optionally fuel gases) with additionally injected steam in a turbine. The required pressure in the gas heater heat exchanger can be limited to about 25-40 bar, which is the o.a. Creep rupture strength of components increased over vapor pressures in conventional Rankine cycles.
[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.Steam can be injected into the Cheng Cycle turbine by means of a steam jet pump. Thus, the pressure of the compressor gas can be controlled or increased and the gas inlet temperature can be limited simultaneously.
[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.Conveniently, the Cheng Cycle turbine is designed such that it can be operated both with gas heating from the receiver radiation energy of the high-temperature radiation receiver system 11 and by fuel gases as reserve capacity available at any time. This turbine can therefore be operated in two operating modes. Advantageously, then the possible, high combustion gas temperature can be controlled by the steam steel pump and the additional energy can be used in the form of pressure increase in the turbine.
[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.Because of the irregular availability of the receiver radiation energy directly superheated steam with 40 bar and temperatures> 800 ° C can be generated in the first storage tank 23 after the receiver. This can then advantageously by controlled condensation in a 'long-term storage' of> 4 h to 36 h, the heat to the ceramic heat storage elements 25 deliver. A discharge in countercurrent then advantageously allows a quick start of the Cheng turbine with partial load, which is supplemented after a short time by the available steam. Ideally, the reservoir is designed so that superheated steam is generated at a higher pressure, which can advantageously increase the effect of the steam jet pump.
[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.The high pressure circuit 35 may also be used to charge a third storage tank 43. The third storage tank is preferably designed as a long-term storage. A fourth storage tank 45 is chargeable by low pressure steam from the third storage tank. The fourth storage tank 45 is chargeable by an additional heat or radiation source or electromagnetic induction 47. The heat or radiation source or electromagnetic induction 47 can heat up generated condenser water and the resulting vapor can be supplied to the third storage tank 43 to charge it.
[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.FIG. 2 shows a second embodiment of the high-temperature radiation receiver system 11. Basically, the components are identical to the 1 embodiment, however, the arrangement of heat exchangers is different.
[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.The container 13 and the first storage tank 23 are connected to each other by a first line 27. The liquid heat transfer medium 21 flows via the first line 27 from the container 13 into the first storage tank 23. There, the heat storage elements 25 and the walls of the first storage tank 23 are charged with heat. The liquid heat transfer medium (tin) flows via the channels 32 into the second storage tank 29, where it can transfer heat to the high-pressure heat exchanger 33. The cooled tin is returned via the riser 39 by means of a circulating pump 41, suitable for the conveyance of liquid metal, for example a three-phase current field pump, to the absorber bodies 17.
[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.If the tin can not be sufficiently heated by radiation, for example, at night, the high-temperature storage 37, in particular the first storage tank 23, can be discharged. For this purpose, low-pressure steam is overheated in the first storage tank 23 and can deliver the amount of heat absorbed to the high-pressure heat exchanger 33. As a result, a gas / steam turbine connected to the high-pressure circuit 35 can be operated 24 hours a day by the high-temperature radiation receiver system 11. The low-pressure steam is limited to a temperature of 570 ° C, so that the compressive stress in the steam-generating pipes is not too large. The inventive high-temperature radiation receiver system 11 temperature gradient of more than 850 ° C to 120 ° C are possible. This allows the gas / steam turbine to be operated very efficiently.
[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.It is understood that the output to the high-pressure circuit 35 heat can also be used for other purposes than the operation of a gas / steam turbine.
[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.3 and 4, an expanded flow diagram is shown, which shows in Fig. 3 the "upload" operation and in Fig. 4 the "download" operation. During «upload» operation, the first storage tank 23 is charged with heat. In the "download" mode, heat is removed from the storage tank 23 for further use.
[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.During «upload» operation, the absorber bodies 17 arranged in the container 13 are heated by concentrated radiation, preferably by solar radiation. The metal is a liquid heat transfer medium 21 as described above. The liquid heat transfer medium 21 circulates in a first circuit 49. The medium 21 is guided into the first storage tank 23. After the heat has been released into the first storage tank 23, the medium 21 returns to the container 13 via a heatable riser 39. The circulation takes place by means of a circulating pump 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).As shown in FIGS. 5 and 6, the absorber body 17 are shown as absorber tubes 19. At least in the region of the container 13, the absorber tubes 19 are designed in three parallel first circuits. If one of the first circuits needs to be locked or otherwise serviced, the other two circuits can continue to operate. This provides redundancy in the first circuit. In Fig. 5, the arrangement of the absorber tubes 19 is shown in a wedge shape, whereby the absorber tubes 19 form the radiation entrance opening 15. In Fig. 7 it is shown that the absorber tubes 19 of the first three circuits are arranged inside each other and next to each other in order to be packed as closely as possible. Nevertheless, each of the first three circuits can be pulled and removed from the pack without having to remove the remaining first circuits. For this purpose, the pipe bends of two of the first three circuits are bent upwards or downwards (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.If the first circuit 49 is stopped, for example, at night when there is no solar radiation, the liquid heat transfer medium 21 is kept liquid in the medium sump 53. To maintain the liquid state of the medium 21, the riser 39 is heated. In addition, a pressure is built up in the medium sump 53, whereby the liquid medium 21 is again circulated. The pressure that restarts the circulation process may be provided by an inert gas stored in pressure bottles 55.
[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.During the "upload" operation, an inert gas, preferably nitrogen, is conducted in a second circuit 57. During the "upload" operation not only the heat storage elements 25 are heated in the first storage tank 23, but also the nitrogen in the second circuit 57. The second circuit can therefore also be referred to as gas heating cycle.
[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.A small portion of the heated nitrogen drives a first gas turbine 59. The first gas turbine 59 drives a first compressor 61, which is integrated into the second circuit 57. During the "upload" operation, the gas turbine 59 and the compressor 61 serve to circulate the inert gas present in the second circuit and to heat it up during the circulation.
[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.The nitrogen enters the second storage tank 24 and is passed through the intercooler 63. The intercooler 63 is not in use during «upload» operation. In the first compressor 61, the nitrogen is compressed to about 25 bar. If the first circuit 49 is not in use, for example in bad weather or during maintenance work, the first storage tank can also be heated with storable fuels. For example, methanol or alcohol are conceivable. Then the entire system can also represent a reserve capacity as a gas turbine plant. The entire system 11 is therefore extremely flexible.
[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.To discharge the system 11 is driven in the «download» operation. During heat removal in «download» mode, the first circuit 49 is not in operation. The «download» mode can be used to cover peak periods of electricity demand. For example in the morning or in the evening. The "download" mode can be activated very quickly and is therefore ready for use with a short lead time. The «download» operation is designed to remove the heat within 1-2 hours. Since the heat can be dissipated in a short time, can be in the system 11 operate a comparatively large-sized second gas turbine 67, as if the heat would be available only slower. The rapid heat discharge or -dnähme is made possible in particular by the specially constructed heat storage elements described below.
[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.In the "download" mode, the "Cheng Cycle Method" described above is implemented. The compressed nitrogen is added in a steam jet pump 65 with steam. The water vapor has about 50 bar. The mixture is passed through the first storage tank 23 in a superheater coil 66 and leaves the first storage tank 23 with about 40-50 bar. The gas-steam mixture enters the first gas turbine 59 from the high-pressure stage. In the next operating step, the mixture is fed to a second gas turbine 67 as a low-pressure stage.
[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.The expanded mixture is supplied to the second storage tank 24. In countercurrent to the mixture, water is supplied to the second storage tank 24, which is evaporated. The second storage tank 24 therefore acts as a steam generator. The steam generated preferably leaves the steam generator 24 at about 300 ° C. and 100 bar and is fed to the steam jet pump 65.
[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.The expanded in the second gas turbine 67 nitrogen-steam mixture leaves the steam generator 24 and is separated in a condenser 69. The water condensate is preheated in an air cooler 71 before it is evaporated in the steam generator 24. The condensate is pumped with a feedwater pump 73 into the steam generator 24.
[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.The separated from the water vapor by condensation nitrogen is also passed through the air cooler 71. In a second compressor 75, which is driven by the second gas turbine 67, the nitrogen is precompressed. The second gas turbine also drives a generator 77 for power generation. The compressed nitrogen is passed over the intercooler 63. By cooling the nitrogen in the intercooler 63, the first compressor 61 is relieved. The nitrogen compressed in the first compressor 61 is supplied to the steam jet pump 65 for mixing with the superheated steam. Further, the pressure of the mixture in the steam jet pump 65 is increased by 25 to 50 bar.
[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.In order to improve and accelerate the heat transfer between the heat transfer medium 21 and the heat storage elements 25, the heat storage elements 25 are constructed in layers 79, wherein at the layers 79 a plurality of through holes 81 are provided (Figures 7 and 8). Individual passage openings 81 of adjacent layers 79 form channels 83. Preferably, the channels 83 are aligned in parallel. Preferably, a central channel 85 passes through the center of the heat storage element 25. Pipes 87 are received in the channels 83, 85. Instead of tubes 87, rods can also be accommodated in the channels 83, 85. The tubes 87 are constructed of fibers of silicon carbide or a carbide composite. The fibers can facilitate internal heat flow by being directed outward on the surface. The layers 79 are fiber-fabric layers and may be coated with silicon which can sinter by preheating.
[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.The channels 83, 85 and the tubes 87 received therein increase the heat exchange surface of the heat storage elements 25 with the heat transfer medium 21. Preferably, the heat storage elements 25 are formed as balls 25. In combination with the individual layers 79, the heat storage elements 25 can be heated up and cooled down relatively stress-free. Since these can be heated above 1000 ° C, a large heat stability for an acceptable life of the balls of great importance. The construction of the balls allows them to have a diameter of preferably up to 10 cm, without bursting or breaking in the heat load and the heat change occurring. As a result, no fragments or ball crumbs arise, which could damage the first and second gas turbine 59, 67, in particular their bearings massively. Balls of such a size have the advantage that their diameter is greater than the diameter of the pipes connected to the first storage tank 23. As a result, the balls can not migrate into the tubes of the storage tank 23 and possibly clog them. The executed size of the balls 25 also leads to a reduced packing density compared to smaller heat storage elements. As a result, the balls are easier in the ball bed against each other or can move against each other. Jamming during the intense heating and cooling of the balls with each other can be prevented by their dimensioning.
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 KanäleLegend 11 High-temperature radiation receiver system, overall system 13 Container 15 Radiation inlet opening 17 Absorber body 19 Channels 21 Heat transfer medium 23 First storage tank 24 Second storage tank, steam generator 25 Heat storage elements, balls 26 First line 27 First heat exchanger 29 Second storage tank 31 Second heat exchanger 32 channels
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