DE10149806C2 - Solarturmkraftwerk - Google Patents
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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 Solarturmkraft
werken. 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 volu
metrischer Strahlungsreceiver besteht aus einem luftdurchläs
sigen 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.
Ein Solarturmkraftwerk, von dem der Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 ausgeht, ist bekannt aus DE 197 44 541 C2.
Dieses Solarturmkraftwerk weist einen aus einem porösen
Feststoff bestehenden Strahlungsreceiver auf, der die von einem
Heliostatfeld reflektierte Solarstrahlung empfängt und an
hindurchströmende Luft abgibt.
In DE 28 28 118 A1 ist ein Strahlungsreceiver beschrieben, der
als Absorbermaterial eine lose Schüttung von Festkörpern
enthält, die in einem Gehäuse enthalten sind. Das Gehäuse weist
ein Fenster für den Durchtritt der Strahlung eines
Heliostatfeldes auf. Das Festkörpermaterial dient als
Absorbermaterial und wird von unten nach oben von Luft
durchströmt, um die absorbierte Wärme konvektiv an die Luft
abzugeben.
In US 4,338,919 ist ein Solarkollektorsystem beschrieben, bei
dem ein Sonnenkollektor, der mit seiner Empfangsfläche der
Sonne direkt zugewandt ist, von Sand durchrieselt wird. Der
Sand bildet das Absorbermaterial, das die Solarstrahlung
absorbiert. Der dadurch erhitzte Sand wird in einen Speicher
geleitet und von dort in ein fluidisiertes Bett übergeben, das
von heißer Luft durchströmt wird. Von dem fluidisierten Bett
wird der Sand erneut dem Sonnenkollektor zugeführt. Bei einem
Solarturmkraftwerk lässt sich dieses Prinzip wegen der
erforderlichen Schrägstellung des Sonnenkollektors nicht
durchführen. Das Prinzip erlaubt auch keine Wärmeübertragung
von Luft zu Sand im Gegenstrom, weil ein Gegenstrombehälter
nicht vorhanden ist.
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 Wärme
speichers 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 er
höht 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 Druckver
lust, das verwendete Speichermaterial und die Größe des
Speichers ergeben sich durch eine Wirtschaftlichkeits- und Wir
kungsgradbetrachtung. Unter Festlegung dieser Werte wird bei
einem praktisch durchgeführten Projekt derzeit ein Nutzfaktor
von 70% erreicht.
In der Zukunft sollen Solarkraftwerke auch für die netzgekop
pelte Grundlastversorgung eingesetzt werden. Um dies im rein
solaren Bereich erreichen zu können, also ohne fossile Zusatz
feuerung, müssen die Solarkraftwerke mit großen Speichern aus
gestattet werden. Für ein Solarturmkraftwerk mit volumetrischem
Receiver und einem Speicher der erwähnten Bauart ist dies je
doch nur dann möglich, wenn der Speicher nicht in seiner Tiefe,
sondern in der Breite wächst. Dies führt zu erhöhten Druckver
lusten bei der Luftführung zum Speicher und der Verteilung im
Speicher.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein So
larturmkraftwerk zu schaffen, das einen Heißspeicher mit ge
ringen Druckverlusten aufweist und einen hohen Nutzfaktor bei
kleiner Baugröße liefert.
Das erfindungsgemäße Solarturmkraftwerk ist durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 definiert. Hiernach ist der Wärme
tauscher, 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 Wärme
speichers. Eine Verringerung der Baugröße des Wärmespeichers
wird auch durch den Wegfall von Strömungskanälen im Speicher
bewirkt. Die Speicherung von Quarzsand ist auch bei hohen Tem
peraturen verhältnismäßig einfach und in der Größe nicht be
grenzt. Der Heißspeicher kann mit einer hitzebeständigen Aus
kleidung aus Schamottematerial versehen werden.
Bei einem Heißspeicher mit festen Einbauten kommt es durch den
transienten Betrieb aufgrund der wechselnden thermischen Aus
dehnung des Speichermaterials zu einer Zerbröckelung des
Speichermaterials. Bei dem Speicherkonzept mit Sand besteht
diese Gefahr nicht, da sich der Heißspeicher immer auf dem
selben 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 verbun
den ist. Vom Kaltspeicher aus wird der Sand in den Sand-Heiß
luft-Wärmetauscher derart gefördert, dass eine Heißspeichertem
peratur 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 Sand
systems beim Transport des Sandes geringgehalten werden.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus
führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaubild einer ersten Ausführungsform des
Solarturmkraftwerks,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Sand-Heißluft-Gegenstrom
wärmetauschers, 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 Strah
lungsreceiver 11 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen
Material, insbesondere Keramik, das porös und somit luftdurch
lässig ist. Auf den Strahlungsreceiver fällt Solarstrahlung 12,
die von einem auf der Erde angeordneten Heliostatfeld auf den
Strahlungsreceiver reflektiert und gebündelt wird. Der Strah
lungsreceiver 11 ist ein thermischer Absorber, der von der So
larstrahlung 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 die
jenige der Außenluft 15, vor die Ansaugfläche des Strahlungs
receivers 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 Vor
wärmers 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 her
absinkt. 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 Heiß
speicher 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 Sand
leitung 22 an einen Fließbettkühler 23 kontrolliert abgegeben
werden. Durch den als Fließbettkühler ausgebildeten Sandkühler
23 wird der Sand in einer blasenbildenden Wirbelschicht hin
durchgefördert. Der Fließbettkühler enthält Wärmetauscher
schlangen 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 geför
dert, 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-Wärme
tauschers 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 Heiß
speichers 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 Heißluft
leitung 14 hinein. In dem Behälter 31 befindet sich ein hori
zontales Lochblech 37 zur gleichmäßigen Verteilung der auf
steigenden Heißluftströmung über den gesamten Behälterquer
schnitt. Die aufsteigende Heißluft gibt ihre Wärme an den her
abrieselnden 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 Sand
düsen 36 verteilt, aus denen er herabrieselt. Der Sand sinkt
ausschließlich unter Schwerkraftwirkung im freien Fall im Be
hälter 31 herab und wird von dem Boden 32 in die Heißsand
leitung 33 geleitet.
In Fig. 3 ist ein Sand-Heißluft-Wärmetauscher 16a dargestellt,
der im Innern eines zylindrischen senkrechten Gehäuses 31 meh
rere 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 trichterför
migen 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 er
hitzt.
Claims (5)
1. Solarturmkraftwerk mit einem auf einem Turm (10) montierten
luftdurchströmten Strahlungsreceiver (11) aus einem porösen
Feststoff, 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.
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 gekenn
zeichnet, 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 Fließbett
kühler ist, der als Wärmetauscher zur Erwärmung eines Wär
meträgermediums 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.
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