DE10149806A1

DE10149806A1 - Solarturmkraftwerk

Info

Publication number: DE10149806A1
Application number: DE10149806A
Authority: DE
Inventors: Robert Pitz-Paal; Bernhard Hoffschmidt; Christiane Glasmacher-Remberg
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-10-10
Also published as: DE10149806C2

Abstract

Das Solarturmkraftwerk enthält einen Strahlungsreceiver (11), der von Solarstrahlung (12) auf sehr hohe Temperaturen aufgeheizt wird. Aus dem Strahlungsreceiver (11) wird die Wärme durch eine Luftströmung abgeführt und einem Sand-Heißluft-Wärmetauscher (16) zugeführt. In dem Sand-Heißluft-Wärmetauscher gibt die Heißluft Wärme an herabrieselnden Sand ab, der über eine Sandleitung (20) zugeführt wird. Der erhitzte Sand gelangt in einen Heißspeicher (21), in dem die Wärme des Solarturmkraftwerks gespeichert wird, bis sie bei Bedarf an einen Sandkühler (23) abgegeben wird. Der kalte Sand wird einem Kaltspeicher (27) zugeführt und dort für die Weiterleitung zu dem Sand-Heißluft-Wärmetauscher (16) bereitgehalten. Die Erfindung ermöglicht eine Wärmespeicherung mit hoher Energiedichte und eine Wärmespeicherung mit hohem Nutzfaktor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarturmkraftwerk mit einem auf einem Turm montierten Strahlungsreceiver, der Heißluft an einen Wärmetauscher liefert.
Ein Weg zur solarthermischen Nutzung von Sonnenstrahlung ist die Verwendung von volumetrischen Receivern in Solarturmkraftwerken. Hierbei konzentriert ein Heliostatfeld aus Spiegeln, die dem Sonnenstand nachgeführt sind, die solare Strahlung auf den Strahlungsreceiver, der auf einem Turm angeordnet ist und eine Empfangsfläche von mehreren 100 qm haben kann. Ein volumetrischer Strahlungsreceiver besteht aus einem luftdurchlässigen porösen Material mit großer volumenbezogener Oberfläche, in dem die konzentrierte Solarstrahlung absorbiert wird, wobei das Material sich auf die Temperaturen erwärmt, die über 1000°C liegen können. Durch das poröse Material wird Umgebungsluft gesaugt, welche sich dabei auf entsprechend hohe Temperaturen erwärmt. Durch die konvektive Übertragung der Wärmeenergie an das Wärmeträgermedium Luft wird das Receivermaterial gekühlt. Die heiße Luft wird einem nachgeschalteten Wärmekraftprozess zugeführt und beispielsweise zur Dampferzeugung benutzt.
eine Schwierigkeit besteht darin, die Solarenergie zu speichern, um sie jeweils dann ausnutzen zu können, wenn ein Energiebedarf vorhanden ist. Bekannt sind Energiespeicher aus einer Schüttung von Al₂O₃-Körpern, die bei Be- und Entladung Wärme konvektiv aufnehmen oder abgeben können. Ein wesentliches Kriterium bei der technischen Auslegung eines solchen Wärmespeichers ist der zulässige Druckverlust bei der Durchströmung. Dieser Druckverlust sollte so klein wie möglich sein, um die Pumpleistung der Heißluftströmung geringzuhalten. Eine Schwierigkeit bei solchen Festbett-Wärmespeichern besteht darin, das gesamte Speichervolumen gleichmäßig zu erhitzen, um es für den Be- und Entladevorgang zu nutzen. Welcher Anteil vom gesamten Speichervolumen thermisch ausgenutzt wird, wird durch den Begriff des Nutzfaktors in Prozent angegeben und hängt vom Massenstrom und vom Wärmeübergang ab. Der Nutzfaktor kann erhöht werden durch Verkleinerung des hydraulischen Durchmessers des Speichermaterials oder durch Vergrößerung der Länge des durchströmten Wärmespeichers. Jede dieser Maßnahmen führt aber zu einer Erhöhung des Druckverlusts. Der tolerable Druckverlust, das verwendete Speichermaterial und die Größe des Speichers ergeben sich durch eine Wirtschaftlichkeits- und Wirkungsgradbetrachtung. Unter Festlegung dieser Werte wird bei einem praktisch durchgeführten Projekt derzeit ein Nutzfaktor von 70% erreicht.
In der Zukunft sollen Solarkraftwerke auch für die netzgekoppelte Grundlastversorgung eingesetzt werden. Um dies im rein solaren Bereich erreichen zu können, also ohne fossile Zusatzfeuerung, müssen die Solarkraftwerke mit großen Speichern ausgestattet werden. Für ein Solarturmkraftwerk mit volumetrischem Receiver und einem Speicher der erwähnten Bauart ist dies jedoch nur dann möglich, wenn der Speicher nicht in seiner Tiefe, sondern in der Breite wächst. Dies führt zu erhöhten Druckverlusten bei der Luftführung zum Speicher und der Verteilung im Speicher.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Solarturmkraftwerk zu schaffen, das einen Heißspeicher mit geringen Druckverlusten aufweist und einen hohen Nutzfaktor bei kleiner Baugröße liefert.

Das erfindungsgemäße Solarturmkraftwerk ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert. Hiernach ist der Wärmetauscher, an den die vom Strahlungsreceiver kommende Heißluft die Wärme abgibt, ein Sand-Heißluft-Wärmetauscher, durch den Sand hindurchrieselt und dabei erhitzt wird. Ein Heißspeicher ist zur Aufnahme des erhitzten Sandes und zur Abgabe an einen Sandkühler vorgesehen.

Die Erfindung benutzt Sand als Transport- und Speichermedium für die von der Heißluft abgegebenen Wärme. Da Sand über eine hohe spezifische Oberfläche verfügt, ist der Wärmeübergang in dem Sand-Heißluft-Wärmetauscher sehr gut und die Druckverluste im Wärmetauscher sind klein. Hierdurch werden die Pumpleistungen für den Heißluftkreislauf stark reduziert. Der Druckverlust im Sand-Heißluft-Wärmetauscher ist kaum abhängig von der Anlagengröße. Hierdurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Solarturmkraftwerks. Es wird ein Nutzfaktor von nahezu 100% erreicht, da der Sand in seinem gesamten Volumen gleichmäßig erhitzt wird. Der hohe Nutzfaktor ermöglicht eine Einsparung an Speichermaterial und eine Verkleinerung der Baugröße des Wärmespeichers. Eine Verringerung der Baugröße des Wärmespeichers wird auch durch den Wegfall von Strömungskanälen im Speicher bewirkt. Die Speicherung von Quarzsand ist auch bei hohen Temperaturen verhältnismäßig einfach und in der Größe nicht begrenzt. Der Heißspeicher kann mit einer hitzebeständigen Auskleidung aus Schamottematerial versehen werden.

Bei einem Heißspeicher mit festen Einbauten kommt es durch den transienten Betrieb aufgrund der wechselnden thermischen Ausdehnung des Speichermaterials zu einer Zerbröckelung des Speichermaterials. Bei dem Speicherkonzept mit Sand besteht diese Gefahr nicht, da sich der Heißspeicher immer auf demselben Temperaturniveau befindet, ebenso wie auch ein eventuell vorhandener Kaltspeicher.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Sand in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Dieser Kreislauf enthält einen dem Sandkühler nachgeschalteten Kaltspeicher, welcher mit dem auf dem Turm angeordneten Wärmetauscher verbunden ist. Vom Kaltspeicher aus wird der Sand in den Sand-Heißluft-Wärmetauscher derart gefördert, dass eine Heißspeichertemperatur von etwa 800°C erreicht wird, wodurch die Heißluft auf Temperaturen von unter 200°C abgekühlt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Heißspeicher unterhalb des Sand-Heißluft-Wärmetauschers derart angeordnet, dass der Sand ihn vom Wärmetauscher aus im Fallen, also ausschließlich durch Schwerkraftwirkung, erreicht. Dies hat den Vorteil, dass ein Fördereinrichtung für den heißen Sand nicht benötigt wird.

Das erfindungsgemäße Speicherkonzept benötigt eine Förderanlage zum Transport des Sandes. Da der Volumenstrom des Sandes eine Energiedichte aufweist, die etwa das 1000-fache derjenigen von heißer Luft beträgt, können kleinere Rohrdurchmesser verwendet werden als bei Luft, wodurch die thermischen Verluste des Sandsystems beim Transport des Sandes geringgehalten werden.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaubild einer ersten Ausführungsform des Solarturmkraftwerks,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Sand-Heißluft-Gegenstromwärmetauschers, und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sand-Heißluft- Gegenstromwärmetauschers.

Gemäß Fig. 1 weist das Solarturmkraftwerk einen Turm 10 auf, auf dem ein Strahlungsreceiver 11 angeordnet ist. Der Strahlungsreceiver 11 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen Material, insbesondere Keramik, das porös und somit luftdurchlässig ist. Auf den Strahlungsreceiver fällt Solarstrahlung 12, die von einem auf der Erde angeordneten Heliostatfeld auf den Strahlungsreceiver reflektiert und gebündelt wird. Der Strahlungsreceiver 11 ist ein thermischer Absorber, der von der Solarstrahlung 12 auf Temperaturen von über 1000°C erwärmt wird. Ein Gebläse 13 saugt durch eine Leitung 14 Luft durch den Strahlungsreceiver 11 hindurch. Infolge der Saugwirkung wird kalte Außenluft 15 in den Strahlungsreceiver eingesaugt, wo sie sich erwärmt. Die Heißluft gelangt durch Leitung 14 in einen Sand-Heißluft-Gegenstromwärmetauscher 16 und verlässt diesen nach Abkühlung durch eine Leitung 17. Die Luft wird dann als abgekühlte Luft 18 mit einer Temperatur, die höher ist als diejenige der Außenluft 15, vor die Ansaugfläche des Strahlungsreceivers 11 geblasen.

Die Luft wird dem Sand-Heißluft-Wärmetauscher 16 als Heißluft von unten zugeführt. Im Innenraum des Wärmetauschers 16 steigt die Luft auf. Dabei gibt sie Wärme an eine Heizschlange eines Vorwärmers 19 ab, die von einem flüssigen Wärmeträgermedium durchflossen ist. Die Heizschlange ist Bestandteil eines Vorwärmers 19 oder Verdampfers, um das Wärmeträgermedium in einer ersten Stufe zu erwärmen.

In den Innenraum des Sand-Heißluft-Wärmetauschers 16 mündet eine Sandleitung 20, durch die kalter Sand zugeführt wird, der in dem Innenraum Gegenstrom zu der aufsteigenden Heißluft herabsinkt. Dabei gibt die Heißluft ihre Wärme an den Sand ab. Der auf diese Weise erhitzte Sand fällt in einen Heißspeicher 21, der im unteren Bereich des Turmes 10 angeordnet ist. Der Heißspeicher 21 ist ein Behälter, der mit hitzebeständigem Material ausgekleidet ist und in dem der Sand mit einer Temperatur von beispielsweise 800°C enthalten ist.

Aus dem Heißspeicher 21 kann der heiße Sand durch eine Sandleitung 22 an einen Fließbettkühler 23 kontrolliert abgegeben werden. Durch den als Fließbettkühler ausgebildeten Sandkühler 23 wird der Sand in einer blasenbildenden Wirbelschicht hindurchgefördert. Der Fließbettkühler enthält Wärmetauscherschlangen 24 und 25, die von einem flüssigen oder dampfförmigen Wärmeträgermedium durchströmt werden und einen Verdampfer bzw. Überhitzer bilden. An diese Wärmetauscherschlangen gibt der Sand seine Wärme ab. Durch eine Sandleitung 26 wird der kalte Sand von dem Sandkühler 23 zu einem Kaltspeicher 27 übertragen, in dem kalter Sand mit einer Temperatur von beispielsweise 150°C bereitgehalten wird. Der Auslass 28 des Kaltspeichers 27 ist mit der Sandleitung 20 verbunden. In der Sandleitung 20 ist eine (nicht dargestellte) Fördereinrichtung zur Förderung des Sandes mit Hilfe von Luft enthalten.

Der Sand wird somit in einem geschlossenen Kreislauf 30 gefördert, welcher den Heißspeicher 21, den Kaltspeicher 27 sowie den Sand-Heißluft-Wärmetauscher 16 und den Fließbettkühler 23 enthält.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Sand-Heißluft-Wärmetauschers 16. Dieser weist ein aufrechtstehendes zylindrisches Gehäuse 31 auf, das unten einen trichterförmigen Boden 32 hat, von dem eine vertikale Leitung 33 in das obere Ende des Heißspeichers 21 führt. Das Dach 34 des Behälters 31 enthält einen Kaltluft-Sammelraum 35, der mit der Leitung 17 verbunden ist. In den unteren Bereich des Behälters 31 führt die Heißluftleitung 14 hinein. In dem Behälter 31 befindet sich ein horizontales Lochblech 37 zur gleichmäßigen Verteilung der aufsteigenden Heißluftströmung über den gesamten Behälterquerschnitt. Die aufsteigende Heißluft gibt ihre Wärme an den herabrieselnden Sand ab und verlässt den Behälter als Kaltluft durch die Leitung 17. Der Sand wird durch die Sandleitung 20 in das obere Ende des Behälters 31 eingeleitet und dort mit Sanddüsen 36 verteilt, aus denen er herabrieselt. Der Sand sinkt ausschließlich unter Schwerkraftwirkung im freien Fall im Behälter 31 herab und wird von dem Boden 32 in die Heißsandleitung 33 geleitet.

In Fig. 3 ist ein Sand-Heißluft-Wärmetauscher 16a dargestellt, der im Innern eines zylindrischen senkrechten Gehäuses 31 mehrere schräge Leitbleche 40 aufweist, die eine aus Schrägflächen bestehende Kaskade bilden, auf der der Sand 41, der durch die Sandleitung 20 zugeführt wird, herabfällt. Zwischen jeweils zwei Leitblechen befindet sich eine Strecke freien Falls 42, in der der Sand herabrieselt. Die Leitbleche 40 haben eine solche Schräge, dass der Sand auf ihnen gleitet. Nach dem Verlassen des letzten Leitblechs 40 fällt der Sand auf den trichterförmigen Boden 32 von wo er in die Heißsandleitung 33 geleitet wird. Während des Absinkens in dem Gehäuse 31 wird der Sand 41 durch die aufsteigende Heißluft zunehmend im Gegenstrom erhitzt.

Claims

1. Solarturmkraftwerk mit einem auf einem Turm (10) montierten luftdurchströmten Strahlungsreceiver (11), der Heißluft an einen Wärmetauscher (16) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (16) ein Sand-Heißluft-Wärmetauscher ist, durch den Sand hindurchrieselt und dabei erhitzt wird, und dass ein Heißspeicher (21) zur Aufnahme des erhitzten Sandes und zur Abgabe an einen Sandkühler (23) vorgesehen ist.

2. Solarturmkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sand in einem geschlossenen Kreislauf (30) geführt ist und dass dem Sandkühler (23) im Kreislauf (30) ein Kaltspeicher (27) nachgeschaltet ist, welcher mit dem auf dem Turm angeordneten Wärmetauscher (16) verbunden ist.

3. Solarturmkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißspeicher (21) unterhalb des Sand- Heißluft-Wärmetauschers (16) derart angeordnet ist, dass der Sand ihn vom Wärmetauscher (16) aus im Fallen erreicht.

4. Solarturmkraftwerk nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sandkühler (23) ein Fließbettkühler ist, der als Wärmetauscher zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums ausgebildet ist.

5. Solarturmkraftwerk nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sand-Heißluft-Wärmetauscher einen von einem Wärmeträgermedium durchströmten Vorwärmer (19) enthält.