DE10128562C1 - Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische/elektrische Energie in einem solarthermischen Kraftwerk - Google Patents

Abstract

Um ein solarthermisches Kraftwerk mit einem Arbeitsmediumkreislauf, umfassend einen Verdampferstrang, welcher eine Mehrzahl von Solarkollektoren aufweist, mittels denen in dem Arbeitsmedium Dampf erzeugbar ist, einen Dampfturbinenstrang, an welchen der Verdampferstrang zur Bereitstellung von Dampf gekoppelt ist, und einen Vorwärmerstrang, welcher an den Dampfturbinenstrang gekoppelt ist und über den Arbeitsmedium zum Verdampferstrang rückführbar ist, wobei ein Abscheider an den Verdampferstrang gekoppelt ist, mittels dem flüssiges Arbeitsmedium und Dampf aus einem Zwei-Phasen-Gemisch des Arbeitsmediums trennbar ist, so zu verbessern, daß sich dieses sicher betreiben läßt, wird vorgeschlagen, daß das Arbeitsmedium von dem Verdampferstrang und/oder dem Dampfturbinenstrang in den Vorwärmerstrang geführt ist, wobei die Einleitung in den Vorwärmerstrang auf einem niedrigeren Druckniveau liegt als die Ausleitung aus dem Verdampferstrang und/oder Turbinenstrang.

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk mit ei­ nem Arbeitsmediumkreislauf, umfassend einen Verdampferstrang, welcher eine Mehrzahl von Solarkollektoren aufweist, mittels denen in dem Arbeitsmedium Dampf erzeugbar ist, einen Dampf­ turbinenstrang, an welchen der Verdampferstrang zur Bereit­ stellung von Dampf gekoppelt ist, und einen Vorwärmerstrang, welcher an den Dampfturbinenstrang gekoppelt ist und über den Arbeitsmedium zum Verdampferstrang rückführbar ist, wobei ein Abscheider an den Verdampferstrang gekoppelt ist, mittels dem flüssiges Arbeitsmedium und Dampf aus einem Zwei-Phasen- Gemisch des Arbeitsmediums trennbar ist.

Ein derartiges solarthermisches Kraftwerk ist beispielsweise aus dem Artikel "THE DISS PROJECT: DIRECT STEAM GENERATION IN PARABOLIC TROUGHS OPERATION AND MAINTENANCE EXPERIENCE & UPDATE ON PROJECT STATUS" von E. Zarza et al., Proceedings of the Solar Forum 2001, Washington D. C., 23. April bis 25. April 2001, bekannt. Es handelt sich dabei um ein Ein­ kreissystem, da das Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, in dem Verdampferstrang verdampft wird und überhitzt wird und dann der so erzeugte Dampf dem Dampfturbinenstrang zugeführt wird und von dort wieder im Arbeitsmediumkreislauf zurückge­ führt wird und in den Verdampferstrang vorgewärmt in einem Vorwärmerstrang eingekoppelt wird.

In der DE 197 18 044 C1 ist ein Solarkollektorsystem mit zwei voneinander getrennten Kreislaufsystemen beschrieben; einem Primärkreislauf mit einem ersten Wärmeträgermedium und einem Sekundärkreislauf mit einem zweiten Wärmeträgermedium. Der im Durchlauf betriebene Primärkreislauf umfaßt einen Verdampferstrang und einen Dampfturbinenstrang, an welchen der Verdampferstrang zur Bereitstellung von Dampf gekoppelt ist und über den Arbeitsmedium zum Verdampferstrang rückführbar ist. Auf der Niedrig­ temperaturseite des Verdampferstranges wird das erste Wärmeträgermedium in einem Kollektor vorerwärmt und anschließend mittels einer Pumpe ver­ dichtet und zum Hochtemperaturteil des Verdampferstranges geführt, wo es in einem zweiten Kollektor auf eine Temperatur oberhalb seines Siedepunktes erhitzt wird, so daß es verdampft und aus dem zweiten Kollektor austritt. An­ schließend wird das erste Wärmeträgermedium einer Turbine zugeleitet, die einen Generator antreibt. Der Hoch- und der Niedertemperaturteil des Ver­ dampferstranges sind über einen geschlossenen Sekundärkreislauf mitein­ ander gekoppelt, der dazu dient, die Wärmeverluste des Hochtemperaturteils für den Niedertemperaturteil nutzbar zu machen.

In der DE 43 31 784 C2 ist ein Rinnenkollektor für Solarstrahlung beschrieben, der einen sich in einer Längsrichtung erstreckenden Rinnenspiegel, welcher die Strahlung in einen Fokusbereich reflektiert, und einen sich in der Längs­ richtung durch den Fokusbereich des Rinnenspiegels hindurcherstreckenden Absorberstrang umfaßt, welcher zur Abfuhr der entsprechenden Wärme von einem Wärmetransportmedium durchflossen ist und welcher einen sich quer zu der Längsrichtung erstreckenden Absorberschirm aufweist.

Mit dem sogenannten Rezirkulationskonzept, bei dem ein Ab­ scheider vorgesehen ist, welcher an den Verdampferstrang ge­ koppelt ist, wobei abgeschiedenes flüssiges Arbeitsmedium wieder in den Arbeitsmediumkreislauf zurückgeführt wird, läßt sich eine sichere Betriebsweise eines solarthermischen Kraft­ werks erreichen, wobei im Zusammenhang mit einem Einkreis­ system sich die Stromgestehungskosten bis zu 25% gegenüber einem Zweikreissystem senken lassen.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein solarthermisches Kraftwerk der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich dieses sicher betreiben läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Ar­ beitsmedium von dem Verdampferstrang und/oder dem Dampfturbi­ nenstrang in den Vorwärmerstrang geführt ist, wobei die Ein­ leitung in den Vorwärmerstrang auf einem niedrigeren Druck­ niveau liegt als die Ausleitung aus dem Verdampferstrang und/oder Dampfturbinenstrang.

Vom Abscheider abgeschiedenes flüssiges Arbeitsmedium muß grundsätzlich wieder in den Arbeitsmediumkreislauf zurück­ geführt werden. Nachfolgend dem Abscheider herrschen dabei Drücke in der Größenordnung von 100 bar, wenn das solar­ thermische Kraftwerk effektiv betrieben werden soll. In dem Vorwärmerstrang, welcher dem Dampfturbinenstrang nachgeschal­ tet ist, herrschen in Teilbereichen, welche Entspannungs­ bereichen von Turbinen nachgeschaltet sind, niedrigere Drücke als im Verdampferstrang und im Dampfturbinenstrang. Die not­ wendige Druckdifferenz, welche die Einkopplung des Arbeits­ mediums ermöglicht, ist dann automatisch bereitgestellt und es kann auf entsprechende Pumpen und insbesondere auf eine Rezirkulationspumpe verzichtet werden. Eine Rezirkulations­ pumpe muß grundsätzlich bei einem hohen Druck arbeiten und auch bei hohen Temperaturen; bei einem Druck von 100 bar be­ trägt beispielsweise die Sättigungstemperatur von Wasser be­ züglich Wasserdampf 311°C. Pumpen für diese Arbeitsbereiche haben sich als sehr störanfällig erwiesen. Da erfindungsgemäß dann auf eine Rezirkulationspumpe verzichtet werden kann, er­ geben sich beim erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk höhere Standzeiten.

In einem Dampfturbinenstrang kann ein Wärmetauscher angeord­ net sein, welchem Zwischenüberhitzerdampf von dem Verdampfer­ strang zugeführt ist, welcher Dampf von einer Hochdruckturbi­ nen zwischenerhitzt, wobei dieser nachträglich nochmals er­ hitzte Dampf dann von dem Wärmetauscher einer Niederdruck­ turbine zugeführt wird. Das Arbeitsmedium, welches in dem Wärmetauscher innere Energie verloren hat, wird dann wieder in den Arbeitsmediumkreislauf zurückgeführt, wobei es beim Durchlaufen des Wärmetauschers kondensiert ist. Wird dieses durch den Zwischenübertragerdampf gebildete Arbeitsmedium in den Vorwärmerstrang auf ein niedriges Druckniveau geführt, läßt sich für diese Rückführung ebenfalls auf eine Pumpe verzichten und es ergeben sich die bereits geschilderten Vorteile.

Bei dem Rezirkulationskonzept wird dem Verdampferstrang mehr Arbeitsmedium zugeführt, als in einem Verdampfer des Verdamp­ ferstrangs verdampfbar ist. Auf diese Weise läßt sich eine hohe Betriebssicherheit bei solarer Direktverdampfung in einem Verdampfer des Verdampferstrangs erreichen.

Aus dem Verdampferstrang und/oder Dampfturbinenstrang wird insbesondere flüssiges Arbeitsmedium in den Vorwärmerstrang geführt.

Insbesondere ist es vorgesehen, daß der Verdampferstrang eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Solarkollektoren umfaßt, durch die das Arbeitsmedium geführt ist, wobei die Reihe von Solarkollektoren insbesondere aufgeteilt ist in einen Ver­ dampfer und einen Überhitzer.

Beim Rezirkulationskonzept ist der Abscheider zwischen einem Verdampfer des Verdampferstrangs und einem Überhitzer des Verdampferstrangs angeordnet. Der aus dem Zwei-Phasen-Gemisch des Arbeitsmediums abgeschiedene Dampf wird dann dem Überhit­ zer bereitgestellt, so daß die einzige Dampfquelle des Über­ hitzers der Abscheider ist.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Solarkollektor einen Rinnenkollektor umfaßt. Dieser weist ein Absorberrohr auf, in dem sich durch Solarstrahlung eine Direktverdampfung des Arbeitsmediums, insbesondere Wassers, durchführen läßt.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks wird vom Abscheider abgeschiede­ nes flüssiges Arbeitsmedium in den Vorwärmerstrang geführt. Dadurch läßt sich auf eine Rezirkulationspumpe verzichten, so daß das flüssige Arbeitsmedium pumpenfrei in den Vorwärmer­ strang geführt ist.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß Arbeitsmedium von einem Wärmetauscher im Dampfturbinenstrang in den Arbeitsmedium­ kreislauf zwischen Vorwärmerstrang und Verdampferstrang geführt ist, wobei insbesondere in der Führung für dieses Arbeitsmedium von dem Wärmetauscher des Dampfturbinenstrangs in den Arbeitsmediumkreislauf eine oder mehrere Pumpen ange­ ordnet sind, um dieses Arbeitsmedium kondensierter Zwischen­ überhitzerdampf) zu befördern.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks ist das Arbeitsmedium von einem Wärmetauscher des Dampfturbinenstrangs in den Vorwärmerstrang geführt, wobei dies alternativ oder kombiniert mit der Führung von flüssigem Arbeitsmedium vom Abscheider in den Vorwärmerstrang erfolgen kann. Dadurch läßt sich ebenfalls auf eine Pumpe für die Beförderung des Arbeitsmediums zwi­ schen dem Dampfturbinenstrang und dem Arbeitsmediumkreislauf verzichten, wobei sich dann der kondensierte Zwischenüber­ hitzerdampf über den Vorwärmerstrang wieder in den Arbeits­ mediumkreislauf einkoppeln läßt.

Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, daß flüssiges Arbeitsmedium aus dem Verdampferstrang und/oder aus dem Dampfturbinenstrang in eine Vorwärmer des Vorwärmerstrangs geführt ist. Ein Vorwärmer weist zwei Durchgänge auf: einen Durchgang für Arbeitsmedium, welches vorgewärmt werden soll und einen Durchgang für Vorwärmermedium, welches ebenfalls Arbeitsmedium ist, und welches das Arbeitsmedium im Arbeits­ mediumkreislauf erwärmen soll. Das zu erwärmende Arbeits­ medium im Arbeitsmediumkreislauf steht dabei im wesentlichen unter dem Druck, unter welchem es durch den Verdampferstrang geführt ist. Das Erwärmungs-Arbeitsmedium (Vorwärmemedium) läßt sich unter einem geringeren Druck durch den Vorwärmer führen und dann zurück in den Arbeitsmediumkreislauf ein­ koppeln. Insbesondere läßt sich dabei ein solcher Vorwärmer einer Dampfdruckturbine nach Dampfentspannung nachschalten, so daß automatisch ein niedrigeres Druckniveau bereitgestellt ist. Durch Einkopplung in einen Vorwärmer ist also dann bei dem Erwärmungsmediumsdurchlauf das niedrige Druckniveau bereitgestellt, mittels welchem auf eine Pumpe verzichtet werden kann.

Es kann auch vorgesehen sein, daß flüssiges Arbeitsmedium aus dem Verdampferstrang und/oder aus dem Dampfturbinenstrang in einen Arbeitsmedium-Zwischenspeicher geführt ist, wobei dieser Arbeitsmedium-Zwischenspeicher in dem Vorwärmerstrang angeordnet ist. Dieser läßt sich ebenfalls auf einem niedri­ gen Druckniveau halten, indem er beispielsweise einer Pumpe zum Durchtreiben des Arbeitsmediums in dem Arbeitsmedium­ kreislauf vorgeschaltet ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn flüssiges Arbeits­ medium in einem Injektionsstrang in den Verdampferstrang führbar ist. Es läßt sich dann in einen Überhitzer des Ver­ dampferstrangs flüssiges Arbeitsmedium einkoppeln, um bei­ spielsweise den Massestrom durch den Überhitzer zu erhöhen.

Vorteilhafterweise ist dabei eine Einkopplung von flüssigem Arbeitsmedium in den Verdampferstrang einer Einkopplung von Arbeitsmedium aus dem Abscheider bezogen auf die Strömungs­ richtung des Arbeitsmediums nachgeschaltet, so daß sich separat von der Rezirkulation von flüssigem Wasser eine Flüssigkeitsinjektion in den Überhitzer durchführen läßt.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist der Injektions­ strang an den Arbeitsmediumkreislauf gekoppelt, d. h. das not­ wendige flüssige Arbeitsmedium zur Injektion in den Überhit­ zer wird in dem Arbeitsmediumkreislauf direkt entnommen.

Die Erfindung betrifft ferner ein solarthermisches Kraftwerk mit einem Arbeitsmediumkreislauf, umfassend einen Verdampfer­ strang, welcher eine Mehrzahl von Sonnenkollektoren aufweist, mittels denen in dem Arbeitsmedium Dampf erzeugbar ist, einen Dampfturbinenstrang, an welchen der Verdampferstrang zur Be­ reitstellung von Dampf gekoppelt ist, und einen Vorwärmer­ strang, welcher an den Dampfturbinenstrang gekoppelt ist um über dem Arbeitsmedium zum Verdampferstrang rückführbar ist, wobei ein Abscheider an den Verdampferstrang gekoppelt ist, mittels dem flüssiges Arbeitsmedium und Dampf aus einem Zwei- Phasen-Gemisch des Arbeitsmediums trennbar ist, wobei ein Injektionsstrang zur Einkopplung von flüssigem Arbeitsmedium in den Verdampferstrang vorgesehen ist.

Bei einem solchen solarthermischen Kraftwerk wird die ein­ gangs genannte Aufgabe, das Kraftwerk so zu verbessern, daß es sicher betreibbar ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Injektionsstrang an den Abscheider gekoppelt ist.

Dadurch läßt sich auf eine separate, mit dem Arbeitsmedium­ kreislauf direkt verbundene Leitung zur Injektion von flüssi­ gem Arbeitsmedium in den Überhitzer verzichten. Da darüber hinaus das injizierte Arbeitsmedium nicht dem Arbeitsmedium­ kreislauf direkt entnommen wird, sondern vom Abscheider stammt, läßt sich der Massestrom des im Arbeitsmediumkreis­ lauf zirkulierenden Arbeitsmediums geringer halten.

Dieses erfindungsgemäße Konzept läßt sich auch mit dem oben diskutierten Konzept der Einkopplung von Arbeitsmedium in den Vorwärmerstrang kombinieren.

Besonders günstig ist es dabei, wenn der Injektionsstrang an einen Ausgang für flüssiges Arbeitsmedium des Abscheiders ge­ koppelt ist, um so eine Direkteinkopplung von abgeschiedenem flüssigen Arbeitsmedium in den Überhitzer zu ermöglichen.

Günstigerweise ist dazu eine Rückführung für flüssiges Ar­ beitsmedium in den Arbeitsmediumkreislauf an den gleichen Ausgang gekoppelt wie der Injektionsstrang, um so flüssiges Arbeitsmedium in den Verdampferstrang einem Verdampfer selber nachgeschaltet einkoppeln zu können.

Um beim Rezirkulationskonzept eine zusätzliche Arbeitsme­ diumsinjektion in den Überhitzer durchführen zu können, ist der Injektionsstrang an einen Überhitzer des Verdampfer­ strangs angekoppelt, welcher einem Verdampfer des Verdampfer­ strangs nachgeschaltet ist. Die Dampfquelle für den Überhit­ zer ist dann der in einem Abscheider abgeschiedene Dampf, welcher vom Verdampfer stammt, wobei dem Überhitzer bei­ spielsweise zur Erhöhung des Massestroms injizierbares Arbeitsmedium bereitstellbar ist.

Insbesondere ist dazu der Abscheider so zwischen Solarkollek­ toren des Verdampferstrangs gekoppelt, daß er die Dampfquelle für den Überhitzer bildet.

Ein besonders vorteilhaftes Arbeitsmedium ist Wasser, bei dem sich in einem solarthermischen Verdampfer gesättigter Wasser­ dampf bilden läßt, welcher in einem Überhitzer überhitzbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische/elektrische Energie, bei dem ein Arbeitsmedium in einem Arbeitsmediumkreislauf ge­ führt wird, welcher einen Verdampferstrang umfaßt, in dem Dampf erzeugt wird, ein Dampfturbinenstrang umfaßt, welchem der erzeugte Dampf zugeführt wird, und einen Vorwärmerstrang umfaßt, über den das Arbeitsmedium zurückgeführt wird, wobei dem Verdampferstrang mehr Arbeitsmedium zugeführt wird, als dort verdampfen kann und flüssiges Arbeitsmedium von dampfförmigem Arbeitsmedium getrennt wird und dem Arbeits­ mediumkreislauf zurückgeführt wird.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das genannte Verfahren so zu verbessern, daß sich die thermische Energieumwandlung auf sichere Weise durchführen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß flüs­ siges Arbeitsmedium von dem Verdampferstrang und/oder Arbeitsmedium von dem Dampfturbinenstrang auf ein niedrigeres Druckniveau des Vorwärmerstrangs geführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammen­ hang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk ge­ nannten Vorteile auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden bereits in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläutert.

Die eingangs genannte Aufgabe kann ferner dadurch gelöst werden, daß flüssiges Arbeitsmedium von dem Abscheider abgezweigt wird, welches in den Verdampferstrang injizierbar ist.

Dieses Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläutert.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient in Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 Ein schematisches Blockschaltbild eines solarthermischen Kraft­ werks, welches aus dem Stand der Technik bekannt ist;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solar­ thermischen Kraftwerks in schematischer Blockschaltbild-Dar­ stellung;

Fig. 3 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen solarthermischen Kraftwerks in Blockschalt­ bild-Darstellung und

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks.

Bei einem aus dem Stand der Technik, beispielsweise dem Arti­ kel "THE DISS PROJECT: DIRECT STEAM GENERATION IN PARABOLIC THROUGHS OPERATION AND MAINTENANCE EXPERIENCE & UPDATE ON PROJECT STATUS" of E. Zarza et al., Proceedings of the Solar Forum 2001, Washington D. C., 23. April bis 25. April 2001, ist ein Arbeitsmedium und insbesondere Wasser in einem Arbeitsmediumkreislauf 10 geführt. Dieser Arbeitsmediumkreis­ lauf 10 umfaßt einen Verdampferstrang 12, in dem das Arbeits­ medium solarthermisch direkt verdampft wird, einen Dampftur­ binenstrang 14, in dem mittels des Dampfes eine oder mehrere Turbinen angetrieben werden, um eine Umwandlung von mechani­ scher Energie in elektrische Energie zu bewirken, und einen Vorwärmerstrang 16, über den vorgewärmtes flüssiges Arbeits­ medium wieder dem Verdampferstrang 12 zuführbar ist.

Bei dem Arbeitsmediumkreislauf 10 handelt es sich um ein Ein­ kreissystem, bei dem nur ein Medium, das Arbeitsmedium, zum Einsatz kommt; insbesondere wird kein Wärmeträgeröl als Zwi­ schenübertragungsmedium eingesetzt.

Der Verdampferstrang 12 umfaßt eine Mehrzahl von in Reihe ge­ schalteten Solarkollektoren 18, bei denen es sich insbeson­ dere um Rinnenkollektoren handelt. Diese Rinnenkollektoren weisen jeweils ein Absorberrohr auf, in welchen eine direkte Dampferzeugung durch die Solarstrahlung in dem Arbeitsmedium erfolgt.

Im Verdampferstrang 12 wird dabei über einen Verdampfer­ strang-Eintritt 20 des Arbeitsmediumkreislaufes 10 das im wesentlichen flüssige Arbeitsmedium zugeführt und durchläuft eine erste Reihe 22 von hintereinandergeschalteten Solarkol­ lektoren 18, welche einen Verdampfer bilden. Ein Ausgang 24 dieser ersten Reihe 22 von Solarkollektoren 18 ist an einen Eingang 26 eines Abscheiders 28 gekoppelt, bei dem es sich beispielsweise um eine Abscheidertrommel handelt. Durch Ver­ dampfung des Arbeitsmediums in der ersten Reihe 22 und Bil­ dung von gesättigtem Dampf wird dem Abscheider 28 ein Flüs­ sigkeits-Dampf-Gemisch zugeführt und der Abscheider 28 trennt dieses Gemisch in die Flüssigphase und die Dampfphase.

Ein erster Ausgang 30 des Abscheiders 28 für dampfförmiges Arbeitsmedium ist an einen Eingang 32 einer zweiten Reihe 34 von Solarkollektoren 18 gekoppelt, welche einen Überhitzer bildet.

Ein zweiter Ausgang 36 des Abscheiders 28 ist an eine Leitung 38 gekoppelt, über die abgeschiedenes flüssiges Arbeitsmedium in den Arbeitsmediumkreislauf 10 an einem Einspeispunkt 40 einspeisbar ist, welcher zwischen dem Vorwärmerstrang 16 und dem Verdampferstrang 12 und insbesondere vor dem Eingang 20 der ersten Reihe 22 von Solarkollektoren 18 liegt. In der Leitung 38 ist eine Pumpe 42 zur Beförderung des flüssigen Arbeitsmedium geschaltet.

Dem Verdampferstrang 12 mit seinem durch die erste Reihe 22 von Solarkollektoren 18 gebildeten Verdampfer wird mehr Ar­ beitsmedium zugeführt, als innerhalb des Verdampfers 22 ver­ dampft werden kann. Der von dem Abscheider 28 abgeschiedene Dampf 28 wird der zweiten Reihe 34 von Solarkollektoren 18 zugeführt, wobei diese zweite Reihe 34 dann als Überhitzer wirkt, in der der gesättigte Dampf überhitzt wird. Das über den Abscheider 28 und die Pumpe 42 wieder dem Arbeitsmedium­ kreislauf 10 zugeführte flüssige Arbeitsmedium vermischt sich nach der Einspeisung mit frischem Arbeitsmedium aus dem Vor­ wärmerstrang 16 und tritt dann wieder in den Verdampferstrang 12 ein. Dies wird auch als Rezirkulationskonzept bezeichnet und die Pumpe 42 wird als Rezirkulationspumpe bezeichnet.

Die Masseströme, welcher dem Verdampfer 22 zugeführt wird und welcher dem Überhitzer 34 zugeführt wird, stehen dabei bei­ spielsweise in einem Verhältnis 4 : 1, d. h. der dem Verdampfer­ strang 12 zugeführte Massestrom ist ca. 4-fach höher als der Massestrom, welcher am Ausgang 46 austritt.

Der in dem Überhitzer 34 überhitzte Dampf wird dem Dampftur­ binenstrang 14 zugeführt. Beispielsweise weist dieser eine Hochdruckturbine 44 auf, welcher der Dampf zur Entspannung von einem Ausgang 46 des Überhitzers 34 über eine Leitung 48 zugeführt wird. Von der Hochdruckturbine 44 wird entspannter Dampf, welcher mechanische Energie an die Hochdruckturbine 44 abgegeben hat, zu einer Niederdruckturbine 50 geführt, bei der eine weitere Entspannung erfolgt. Die beiden Turbinen 44 und 50 sind dadurch bezüglich der Dampfströmung hintereinan­ dergeschaltet. Sie weisen unterschiedliche Arbeitspunkte auf, d. h. die Hochdruckturbine 44 ist optimiert auf eine Dampfent­ spannung bei hohen Drücken, während die Niederdruckturbine 50 auf eine Dampfentspannung bei niedrigeren Drücken optimiert ist. Dadurch läßt sich ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwand­ lung der thermischen Energie in Dampf in mechanische Energie/­ elektrische Energie an den Turbinen 44 und 50 erreichen.

Der entspannte Dampf von der Hochdruckturbine 44 wird der Niederdruckturbine 50 über einen Wärmetauscher 52 zugeführt. In der Leitung 48 ist dabei eine Abzweigung 54 angeordnet, über welche ein Teilstrom des Dampfes aus dem Überhitzer 34 dem Wärmetauscher 52 zuführbar ist, um eine Zwischenerwärmung des von der Hochdruckturbine 44 durch den Wärmetauscher 52 zu der Niederdruckturbine 50 geführten Dampfes durchzuführen und so dessen thermischen Energieinhalt zu erhöhen. Der Wärmetau­ scher 52 wirkt damit als Zwischenüberhitzer für die Nieder­ druckturbine 50.

Der über die Abzweigung 54 dem Wärmetauscher 52 zugeführte Zwischenüberhitzerdampf, welcher in dem Wärmetauscher 52 innere Energie verloren hat und kondensiert ist, wird als Flüssigkeit über eine Leitung 56 dem Arbeitsmediumkreislauf 10 über einen Einspeispunkt 58 zugeführt, welcher zwischen dem Vorwärmerstrang 16 und dem Verdampferstrang 12 angeordnet ist. In der Leitung 56 ist eine Pumpe 60 zur Beförderung des Zwischenüberhitzer-Arbeitsmediums vorgesehen.

Über eine Leitung 62 wird von der Hochdruckturbine 44 flüs­ sigkeitsreiches Arbeitsmedium in einen Zwischenspeicher 64 für flüssiges Arbeitsmedium des Vorwärmerstrangs 16 geführt.

Über eine Leitung 66 wird dampfreiches Arbeitsmedium durch einen Vorwärmer 68 geführt und von dort in den Zwischenspei­ cher 64.

Von der Niederdruckturbine 50 wird über eine Leitung 70 dampfreiches entspanntes Arbeitsmedium zu einem weiteren Vor­ wärmer 72 geführt, durchläuft diesen und dann in einen Kon­ densator 74 eingekoppelt. Dieser weist eine Kühlleitung 76 auf, um die Kondensation des Dampfes zu bewirken.

Flüssigkeitsreiches Arbeitsmedium wird von der Niederdruck­ turbine 50 über eine Leitung 78 dem Kondensator 74 zugeführt und durchläuft diesen. Von dort wird das weitgehend flüssige Arbeitsmedium über eine Leitung 80 durch den Vorwärmer 72 zur Vorwärmung geführt, wobei in der Leitung 80 eine Pumpe 82 zur Beförderung des flüssigen Arbeitsmediums vorgesehen ist.

Von dem Vorwärmer 72 strömt das flüssige Arbeitsmedium über eine Leitung 84 in den Zwischenspeicher 64.

Mittels einer Pumpe 86, welche in einer Leitung 88 angeordnet ist, welche an den Zwischenspeicher 64 gekoppelt ist, wird das Arbeitsmedium von dem Zwischenspeicher durch den Vorwär­ mer 68 geführt und dort weiter vorgewärmt und dann über eine Leitung 90 dem Verdampferstrang 12 zugeführt.

In der Leitung 90 ist eine Abzweigung 92 angeordnet, über die sich (vorgewärmtes) flüssiges Arbeitsmedium abzweigen läßt und in den Überhitzer 34 einkoppeln läßt. Dazu ist ein als Ganzes mit 94 bezeichneter Injektionsstrang vorgesehen, welcher eine Leitung 96 umfaßt, die an die Abzweigung 92 gekoppelt ist und in den Überhitzer 34 führt und dort bei­ spielsweise zwischen zwei Solarkollektoren 18 in einen Ein­ speispunkt 98 mündet. Es kann dabei vorgesehen sein, daß in der Leitung 96 eine Drossel 100 angeordnet ist.

Bei einem Druck von 100 bar ist bei Wasser als Arbeitsmedium die Sättigungstemperatur, d. h. die Temperatur zur Herstellung von gesättigtem Dampf, ca. 311°C.

Durch die Vorwärmung im Vorwärmerstrang 16 lassen sich Tempe­ raturen im Arbeitsmedium (mit Wasser als Arbeitsmedium) er­ reichen, welche ca. 50 bis 60 K unterhalb der Sättigungstem­ peratur liegen.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks werden gleiche Komponenten wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Unter­ schied zu dem solarthermischen Kraftwerk gemäß Fig. 1 ist der zweite Ausgang 36 des Abscheiders 28 mit einer Leitung 102 verbunden, welche zu einem Vorwärmer 104 im Vorwärmer­ strang 16 führt. Dadurch wird in dem Verdampfer 22 erhitztes flüssiges Arbeitsmedium von dem Abscheider 28 diesem Vorwär­ mer 104 zugeführt. Eine Ausgangsleitung 106 dieses Vorwärmers 104 mündet dabei in die Leitung 66, welche eine Eingangslei­ tung für den Vorwärmer 66 darstellt.

Das flüssige Arbeitsmedium von den Turbinen 44 und 50 kommend durchläuft dann neben dem Vorwärmer 72 und dem Vorwärmer 68 auch den Vorwärmer 104, welcher dem Vorwärmer 68 in dem Arbeitsmediumkreislauf 10 nachgeschaltet ist, d. h. ein Aus­ gang 108 des Vorwärmers 68 in dem Arbeitsmediumkreislauf 10 ist an einen Eingang 110 des Vorwärmers 104 gekoppelt und ein Ausgang 112 des Vorwärmers 104 ist an den Verdampferstrang 12 gekoppelt.

In dem Verdampferstrang 12 strömt das Arbeitsmedium üblicher­ weise mit einem Druck, welcher in einem erwünschten Betriebs­ bereich in der Größenordnung von 100 bar liegt, während der Druck des Arbeitsmediums in dem Vorwärmerstrang in der Vor­ wärmerströmung in der Größenordnung von ca. 5 bis 15 bar und insbesondere im Bereich zwischen ca. 7 bis 10 bar liegt. Die Vorwärmerströmung ist dabei nicht direkt gekoppelt an die Be­ förderung des Arbeitsmediums im Arbeitsmediumkreislauf 10. Durch die Einkopplung des beim Abscheider 28 abgeschiedenen flüssigen Arbeitsmediums in den Vorwärmerstrang 16 auf nie­ drigerem Druckniveau als bei der Auskopplung anstatt in den Verdampferstrang 12 (vgl. Fig. 1), kann daher auf die Pumpe 42 verzichtet werden. In der Praxis hat sich die Pumpe 42, welche bei sehr hohen Drücken von ca. 100 bar betrieben wer­ den muß und auch bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von 300°C, als sehr störanfällig erwiesen. Erfindungsgemäß läßt sich auf diese Pumpe verzichten, so daß eine Erhöhung der Standzeit eines solarthermischen Kraftwerks erreichbar ist.

Um den Wirkungsgrad des solarthermischen Kraftwerks so hoch wie möglich zu halten, ist dabei eine möglichst geringe Rezirkulationsrate anstrebenswert. Bei einer Vergrößerung des Kollektorfelds im Verdampferstrang 18 kann eine eventuelle Verringerung des Gesamtwirkungsgrades, welche abhängig ist von der Rezirkulationsrate, kompensiert werden.

Bei einer Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 2, welche in Fig. 3 schematisch gezeigt ist, führt eine Leitung 114 von dem Ausgang 36 des Abscheiders 28 in den Zwischenspeicher 64. Dieser liegt ebenfalls auf dem niedrigen Druckniveau, beispielsweise in der Größenordnung von 5 bis 15 bar und somit läßt sich am Abscheider 28 abgeschiedenes flüssiges Arbeitsmedium ohne Zuhilfenahme einer Pumpe in den Arbeitsmediumkreislauf 10 zurückführen.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 4 gezeigt ist, werden gleiche Komponenten wie bei dem solarthermischen Kraftwerk gemäß Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel führt von einem flüssigkeitsseitigen Ausgang 116 des Wärmetauschers 52 eine Leitung 118 für kondensierten Zwischenüber­ hitzerdampf zu einem Vorwärmer 120 im Vorwärmerstrang 16. Über einen Ausgang 122 führt eine Leitung 124 von diesem Vorwärmer 120 in die Leitung 66, welche an die Hochdruckturbine 44 gekoppelt ist.

Das Arbeitsmedium von dem Zwischenspeicher 64, welches den Vorwärmer 68 durchläuft, durchläuft dann ebenfalls den dem Vorwärmer 68 nachgeschalteten Vorwärmer 120, dessen Eingang 125 im Arbeitsmediumkreislauf 10 an einen Ausgang des Vorwärmers 68 gekoppelt ist und dessen Ausgang 127 für Arbeits­ medium an den Verdampferstrang 10 gekoppelt ist.

Durch die Führung von kondensiertem Zwischenüberhitzerdampf von dem Wärmetauscher 52 in dem Vorwärmerstrang 16 läßt sich auf die Pumpe 60 gemäß Fig. 1 verzichten, da der Vorwärmer­ strang im Bereich der Einkopplung in den Vorwärmer 120 auf einem niedrigeren Druckniveau liegt als der Ausgang 116 des Wärmetauschers 52.

Es kann auch vorgesehen sein, daß die Leitung 118 in den Zwi­ schenspeicher 64 mündet.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß die Lösungen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungs­ beispiel kombiniert werden, d. h. daß flüssiges Arbeitsmedium von dem Abscheider 28 in den Vorwärmerstrang 16 eingekoppelt wird und von dem Wärmetauscher 52 ebenfalls in den Vorwärmer­ strang 16 eingekoppelt wird.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, welches in Fig. 5 gezeigt ist, werden für gleiche Komponenten wie in Fig. 1 gleiche Bezugs­ zeichen verwendet.

Der Ausgang 36 des Abscheiders 28 ist dabei an einen Eingang 126 einer Abzweigung 128 gekoppelt. Ein erster Ausgang 130 dieser Abzweigung 128 ist über eine Leitung 132 an einen Ein­ gang des Verdampferstrangs 12 gekoppelt, wobei in der Leitung 132 eine Pumpe 134 zur Rezirkulation des flüssigen Arbeits­ mediums vorgesehen ist.

Von einem zweiten Ausgang 135 der Abzweigung 128 führt eine Leitung 136 in den Überhitzer 34, beispielsweise in eine Ver­ bindungsleitung 138 zwischen zwei Solarkollektoren 18.

In der Leitung 136 ist eine Drossel 140 angeordnet, über die sich flüssiges Wasser dosiert in den Überhitzer 34 einsprit­ zen läßt.

Auf diese Weise läßt sich die separate Leitung 96 für den Injektionsstrang 94 sparen, d. h. der Injektionsstrang läßt sich an den Rezirkulationsstrang koppeln. Da der Ausgang 36 des Abscheiders 28 auf einem höheren Druckniveau liegt als die Verbindungsleitung 138, wird keine Pumpe zur Einspritzung des Wassers über die Leitung 136 in den Überhitzer 34 benö­ tigt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Druckverlust in der Überhitzerzone des Überhitzers 34 höher ist als in der Leitung 136 zu einem Einspritzventil, welches die Verbindung zu der Verbindungsleitung 138 herstellt. Durch eine zusätz­ liche Drossel in dem Überhitzer 34, welche beispielsweise in der Verbindungsleitung 138 angeordnet ist (in der Zeichnung nicht gezeigt) läßt sich gegebenenfalls eine benötigte Druck­ differenz herstellen, um Wasser von dem Abscheider 36 in den Überhitzer 34 injizieren zu können.

Dadurch, daß auf die Abzweigung 92 verzichtet werden kann, läßt sich auch der Massestrom, welcher in dem Arbeitsmedium­ kreislauf 10 zirkuliert, geringer halten.

Claims (24)

1. Solarthermisches Kraftwerk mit einem Arbeitsmediumkreis­ lauf (10), umfassend einen Verdampferstrang (12), wel­ cher eine Mehrzahl von Solarkollektoren (18) aufweist, mittels denen in dem Arbeitsmedium Dampf erzeugbar ist, einen Dampfturbinenstrang (14), an welchen der Verdamp­ ferstrang (12) zur Bereitstellung von Dampf gekoppelt ist, und einen Vorwärmerstrang (16), welcher an den Dampfturbinenstrang (14) gekoppelt ist und über den Arbeitsmedium zum Verdampferstrang (12) rückführbar ist, wobei ein Abscheider (28) an den Verdampferstrang (12) gekoppelt ist, mittels dem flüssiges Arbeitsmedium und Dampf aus einem Zwei-Phasen-Gemisch des Arbeitsmediums trennbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsmedium von dem Verdampferstrang (12) und/oder dem Dampfturbinenstrang (14) in den Vorwärmerstrang (16) geführt ist, wobei die Einleitung in den Vorwärmerstrang (16) auf einem niedrigeren Druckniveau liegt als die Ausleitung aus dem Verdampferstrang (12) und/oder Dampf­ turbinenstrang (14).

2. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Vorwärmerstrang (16) ge­ führte Arbeitsmedium flüssig ist.

3. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Verdampferstrang (12) mehr Arbeitsmedium zugeführt wird als in einem Verdampfer (22) des Verdampferstrangs (12) verdampfbar ist.

4. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer­ strang (12) eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Solarkollektoren (18) umfaßt.

5. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abscheider (28) zwischen einem Verdampfer (22) des Verdampferstrangs (12) und einem Überhitzer (34) des Verdampferstrangs (12) angeordnet ist.

6. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Solarkollek­ tor (18) einen Rinnenkollektor umfaßt.

7. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vom Abscheider (28) abgeschiedenes flüssiges Arbeitsmedium in den Vor­ wärmerstrang (16) geführt ist.

8. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß flüssiges Arbeitsmedium pumpenfrei in den Vorwärmerstrang (16) geführt, ist.

9. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß Arbeitsmedium von einem Wärmetauscher (52) im Dampfturbinenstrang (14) in den Arbeitsmediumkreislauf (10) zwischen Vorwärmerstrang (16) und Verdampferstrang (12) geführt ist.

10. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einer Führung (56) für Arbeits­ medium von dem Wärmetauscher (52) des Dampfturbinen­ strangs (14) in den Arbeitsmediumkreislauf (10) eine oder mehrere Pumpen (60) angeordnet sind.

11. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsmedium von einem Wärmetauscher (52) des Dampfturbinenstrangs (14) in den Vorwärmerstrang (16) geführt ist.

12. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Arbeitsmedium pumpenfrei in den Vorwärmerstrang (16) geführt ist.

13. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Ar­ beitsmedium aus dem Verdampferstrang (12) und/oder Ar­ beitsmedium aus dem Dampfturbinenstrang (14) in einen Vorwärmer (104; 120) des Vorwärmerstrangs (16) geführt ist.

14. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Arbeits­ medium aus dem Verdampferstrang (12) und/oder Arbeits­ medium aus dem Dampfturbinenstrang (14) in einen Ar­ beitsmedium-Zwischenspeicher (64) geführt ist.

15. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Arbeitsmedium in einem Injektionsstrang (94) in den Ver­ dampferstrang (12) geführt ist.

16. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Einkopplung von flüssigem Ar­ beitsmedium in den Verdampferstrang (12) einer Einkopp­ lung von dampfförmigem Arbeitsmedium aus dem Abscheider (28) bezogen auf die Strömungsrichtung des Arbeitsme­ diums nachgeschaltet ist.

17. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 15 oder 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Injektionsstrang (94) an den Abeitsmediumkreislauf (10) gekoppelt ist.

18. Solarthermisches Kraftwerk, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, mit einem Arbeitsmediumkreislauf (10), umfassend einen Verdampferstrang (12), welcher eine Mehrzahl von Solarkollektoren (18) aufweist, mit­ tels denen in dem Arbeitsmedium Dampf erzeugbar ist, einen Dampfturbinenstrang (14), an welchen der Verdamp­ ferstrang (12) zur Bereitstellung von Dampf gekoppelt ist, und einen Vorwärmerstrang (16), welcher an den Dampfturbinenstrang (14) gekoppelt ist und über den Arbeitsmedium zum Verdampferstrang (12) rückführbar ist, wobei ein Abscheider (28) an den Verdampferstrang (12) gekoppelt ist, mittels dem flüssiges Arbeitsmedium und Dampf aus einem Zwei-Phasen-Gemisch des Arbeitsmediums trennbar ist, wobei ein Injektionsstrang zur Einkopplung von flüssigem Arbeitsmedium in den Verdampferstrang (12) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Injek­ tionsstrang (136) an den Abscheider (28) gekoppelt ist.

19. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Injektionsstrang (136) an einem Ausgang (36) für flüssiges Arbeitsmedium des Abscheiders (28) gekoppelt ist.

20. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Rückführung für flüssiges Ar­ beitsmedium in den Arbeitsmediumkreislauf (10) an den gleichen Ausgang (36) gekoppelt ist wie der Injektions­ strang (136).

21. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektionsstrang (136) in einen Überhitzer (34) des Verdampferstrangs (12) eingekoppelt ist, welcher einem Verdampfer (22) des Verdampferstrangs (12) nachgeschaltet ist.

22. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 18 bis 21 dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider (28) so zwischen Solarkollektoren (18) des Verdampferstrangs (12) angeordnet ist, daß er die Dampfquelle für den Überhitzer (34) bildet.

23. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium Wasser ist.

24. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in me­ chanische/elektrische Energie in einem solarthermischen Kraftwerk, bei dem ein Arbeitsmedium in einem Arbeits­ mediumkreislauf geführt wird, welcher einen Verdampfer­ strang umfaßt, in dem Dampf erzeugt wird, einen Dampf­ turbinenstrang umfaßt, welchem der erzeugte Dampf zuge­ führt wird, und einen Vorwärmerstrang umfaßt, über den das Arbeitsmedium zurückgeführt wird, wobei dem Verdamp­ ferstrang mehr Arbeitsmedium zugeführt wird, als dort verdampfen kann und flüssiges Arbeitsmedium von dampf­ förmigem Arbeitsmedium getrennt wird und dem Arbeits­ mediumkreislauf zurückgeführt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß flüssiges Arbeitsmedium von dem Verdampfer­ strang und/oder von dem Dampfturbinenstrang auf ein niedrigeres Druckniveau des Vorwärmerstrangs geführt wird.