DE102005031023B3

DE102005031023B3 - Solarkollektorfeld

Info

Publication number: DE102005031023B3
Application number: DE102005031023A
Authority: DE
Inventors: Martin Eickhoff
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-07-02
Filing date: 2005-07-02
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2025-07-03
Also published as: ES2332620A1; ES2332620B1

Abstract

Das Solarkollektorfeld weist zahlreiche Kollektoren auf, die U-förmige Kollektorstränge (S¶1¶-S¶7¶) bilden. Jeder Kollektorstrang weist eine hinlaufende Reihe (R¶1¶) und eine rücklaufende Reihe (R¶2¶) von Kollektoren auf. Zur Erzeugung von überhitztem Dampf mit konstanter Temperatur ist an jedem Kollektorstrang eine Einspritzleitung (12) vorgesehen, welche den Auslass des ersten Kollektors (K¶1¶) mit dem Einlass des letzten Kollektors (K¶n¶) dieses Kollektorstranges (S¶1¶) verbindet. Der Durchlass durch die Einspritzleitung (12) regelt die Kollektorstrangaustrittstemperatur. Durch die kurzen Einspritzleitungen (12) werden lange Rohrleitungen innerhalb des Einspritzsystems vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarkollektorfeld mit zahlreichen Kollektoren, die mindestens einen Kollektorstrang aus in Serie geschalteten Kollektoren bilden, welche von einem verdampfbaren flüssigen Medium durchströmt werden, wobei der Kollektorstrang mindestens eine erste Reihe von Kollektoren aufweist, die in einer ersten Richtung durchströmt sind, und mindestens eine zweite Reihe von Kollektoren, die in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchströmt sind, und mit einem Einspritzsystem zum Einspritzen von flüssigem Medium in einen der Kollektoren des Kollektorstranges.

Bekannt sind Solarkollektorfelder, die Parabolrinnenkollektoren aufweisen. Ein langgestreckter Parabolrinnenspiegel fokussiert einfallende Solarstrahlung auf ein Absorberrohr, das von einem verdampfbaren Medium durchströmt wird. Ein entsprechender Kollektor ist in DE 43 31 784 C2 (DLR) beschrieben. Üblicherweise werden solche Kollektoren zu einem Kollektorstrang zusammengefasst, der aus zahlreichen in Serie geschalteten Kollektoren besteht. Der Kollektorstrang, dessen Kollektoren seriell durchströmt werden, bildet eine erste hinlaufende Reihe von Kollektoren und eine zweite zurücklaufende Reihe von Kollektoren. Jeder Kollektorstrang hat somit einen U-förmigen Verlauf.

Es ist bekannt, direktwasserverdampfende Solarkraftwerke aufzubauen, bei denen die Kollektorstränge von Wasser durchströmt werden, welches durch die zunehmende Erhitzung verdampft. Der Dampf kann einem Kraftwerksblock zugeführt werden, um eine Dampfturbine zu betreiben, welche beispielsweise einen Stromgenerator antreibt. Direktwasserverdampfende Parabolrinnenkraftwerke benötigen ein Einspritzsystem, durch welches die Dampfaustrittstemperatur des im Kollektorfeld erzeugten und überhitzten Dampfs geregelt wird. Üblicherweise ist das Einspritzsystem ein separates Leitungssystem, welches vom Kraftwerksblock aus bis zum letzten Kollektor jedes Kollektorstranges und wieder zurück zum Kraftwerksblock verläuft. Dadurch entstehen lange Injektionsleitungen. Diese haben neben hohen Installationskosten auch Nachteile im Betrieb des Kraftwerksblocks, wie zusätzliche Wärme- und Druckverluste und ein Verzögern des Aufheizvorganges am Morgen, wodurch die tägliche Stromproduktion gemindert wird. Das Einspritzsystem ermöglicht es, die Dampfturbine in ihrem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben und außerdem gefährliche thermodynamische Prozesszustände in der Turbine zu vermeiden, z.B. Tröpfchenbildung. Mit dem Einspritzsystem erfolgt eine Regelung der Dampftemperatur am Austrittsende des Kollektorstranges. Die Temperaturregelung wird durch Einspritzen von Wasser in den Einlass des letzten Kollektors des Kollektorstranges erreicht.

Da spezielle Anforderungen an das Einspritzsystem in Bezug auf Druck und Temperatur gestellt werden, ist das üblicherweise verwendete zentrale Einspritzsystem als separates Leitungssystem ausgeführt, welches vom Kraftwerksblock aus bis zum letzten Kollektor jedes Kollektorstranges und wieder zurück verläuft. Der Rücklauf des Einspritzsystems dient dazu, dass während des Betriebes mehr Wasser als für die Einspritzung nötig durch das Leitungssystem gepumpt werden kann, so dass die Einspritzleitungen auf genügend hoher Temperatur gehalten werden können. Anderenfalls würde sich das sonst sehr langsam fließende Wasser in den langen Einspritzleitungen zu stark abkühlen.

In DE 101 52 971 C1 ist ein Solarkollektorfeld beschrieben, dessen Kollektoren von einem verdampfbaren Medium durchströmt werden. Das Kollektorfeld weist jeweils einen ersten Kollektorstrang auf, der von einer Versorgungsleitung mit Wasser versorgt wird und einen zweiten Kollektorstrang, der über einen Überhitzer mit einer Sammelleitung verbunden ist. Zwischen der Versorgungsleitung und der Sammelleitung befindet sich mindestens eine Verbindungsleitung, über die flüssiges Wärmeübertragungsmedium aus der Versorgungsleitung in die Sammelleitung einkoppelbar ist und/oder Dampf aus der Sammelleitung zur Versorgungsleitung zurückführbar ist. Dadurch soll die Dampftemperatur in der Sammelleitung durch Zuführen von Wasser so geregelt werden, dass der Dampf, der einer Dampfturbine zugeführt wird, eine geringe Schwankungsbreite in der Temperatur hat, auch bei Änderungen der solaren Einstrahlbedingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Solarkollektorfeld mit einem verbesserten und vereinfachten Einspritzsystem zu schaffen, bei dem sowohl die Herstellungs- und Installationskosten verringert als auch das Betriebsverhalten verbessert ist.

Das erfindungsgemäße Solarkollektorfeld ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Es zeichnet sich dadurch aus, dass das Einspritzsystem eine Einspritzleitung aufweist, die einen Auslass eines der Kollektoren der ersten Reihe mit einem Einlass eines der Kollektoren der zweiten Reihe des selben Kollektorstranges verbindet.

Die Erfindung verzichtet auf ein zentrales Einspritzsystem mit an den Kraftwerksblock angeschlossenen langen Hin- und Rückleitungen. Das erfindungsgemäße Solarkollektorfeld zeichnet sich durch eine besonders günstige strategische Schaltung von individuellen Einspritzleitungen aus, von denen jeweils eine für jeden Kollektorstrang vorgesehen ist. Diese Einspritzleitung verläuft von einem Kollektor zu einem anderen Kollektor des selben Kollektorstranges und bildet daher gewissermaßen eine Bypassleitung, durch die ein geringer Anteil des Fluides des betreffenden Kollektorstranges fließt. Das sich in den jeweils ersten Kollektoren des Kollektorstranges befindende vorgewärmte Speisewasser wird erfindungsgemäß für die Dampftemperaturregelung genutzt.

Auf diese Weise gelingt es, die Rohrlängen gegenüber einem üblichen zentralen Einspritzsystem um bis zu 80% zu reduzieren. Beim Betrieb ergibt sich der Vorteil, dass keine wesentlichen Wärme- und Druckverluste auftreten, und dass der Aufheizvorgang praktisch unverzögert durchgeführt wird.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass am Auslass der ersten Kollektoren jedes Kollektorstranges vorgewärmtes Speisewasser bei hohem Druck und hoher Temperatur vorhanden ist. Aufgrund des U-förmigen Verlaufs eines Kollektorstranges liegen die ersten Kollektoren und der letzte Kollektor des selben Stranges räumlich sehr nahe beieinander. Die Erfindung nutzt diesen Sachverhalt, indem für jeden Kollektorstrang individuell eine kurze Einspritzleitung zwischen dem Auslass eines der ersten Kollektoren und dem Einlass eines der letzten Kollektoren geschaffen wird. Vorzugsweise liegen diese durch eine Einspritzleitung verbundenen Kollektoren unmittelbar einander gegenüber, also in größtmöglicher Nachbarschaft, so dass die Einspritzleitung eine geringe Länge haben kann. Die Einspritzleitung enthält ein regelbares Ventil, das die zu injizierende Wassermenge in Abhängigkeit von der Dampftemperatur des letzten Kollektors regelt, um diese Dampftemperatur auf einem gewünschten Wert oder in einem gewünschten Bereich zu halten. Die Injektion erfolgt aufgrund des bestehenden Druckgefälles zwischen den ersten und den letzten Kollektoren des Kollektorstranges.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einspritzleitung den Auslass des in Strömungsrichtung ersten Kollektors mit dem Einlass des letzten Kollektors verbindet. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den Auslass des zweiten Kollektors mit dem Einlass des letzten Kollektors zu verbinden. Generell sieht die Erfindung vor, dass die in unmittelbarer Nachbarschaft angeordneten Einlässe und Auslässe zweier Kollektoren des selben Kollektorstrangs durch die Einspritzleitung verbunden werden.

Das Solarkollektorfeld kann zahlreiche Kollektorstränge aufweisen, die parallel zueinander an einen Kraftwerksblock angeschlossen sind, welcher mindestens eine Dampfturbine enthält. Sämtliche Kollektorstränge des Solarkollektorfeldes können über eine einzige Vorlaufleitung und eine einzige Rücklaufleitung mit dem Kraftwerksblock verbunden sein. Die Wasserinjektion erfolgt ausschließlich intern innerhalb des jeweiligen Kollektorstranges.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Solarkollektorfeldes mit dem erfindungsgemäßen Einspritzsystem.
In 1 ist ein Kraftwerksblock 10 dargestellt, der eine Dampfturbine enthält, welche beispielsweise einen Stromgenerator treibt. Der erforderliche Dampf wird von einem Kollektorfeld KF erzeugt, welches zahlreiche Kollektoren K enthält, die als Parabolrinnenkollektoren zum Einfangen von Solarenergie ausgebildet sind. Die Kollektoren K haben jeweils einen langgestreckten Parabolspiegel, der die Solarstrahlung auf ein Absorberrohr fokussiert, das von dem zu erwärmenden Medium durchströmt wird. Die Solarkollektoren sind entweder einzeln oder in Gruppen dem Höhenstand der Sonne automatisch nachgeführt, so dass sie jeweils ein Maximum der Solarenergie einfangen.
Das Solarkollektorfeld KF besteht bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus sieben Kollektorsträngen, die mit S₁... S₇ bezeichnet sind. Jeder der Kollektorstränge ist an eine Vorlaufleitung VL und eine Rücklaufleitung RL angeschlossen und über diese mit dem Kraftwerksblock 10 verbunden. Eine (nicht dargestellte) Pumpe treibt das Medium (Wasser, Dampf) in die Vorlaufleitung VL, durch die parallel zueinander geschalteten Kollektorstränge S₁-S₇ und in die Rücklaufleitung RL. Daher besteht ein Druckgefälle von der Vorlaufleitung VL zur Rücklaufleitung RL.
Jeder Kollektorstrang S₁-S₇ enthält zahlreiche Kollektoren K, die in Reihe zwischen die Vorlaufleitung VL und die Rücklaufleitung RL geschaltet sind. Untereinander sind benachbarte Kollektoren durch ein Rohrstück verbunden. Die Kollektoren eines Kollektorstranges sind mit K₁, K₂... K_n bezeichnet. Die Indizes steigen in der Reihenfolge der Kollektoren in Richtung des strömenden Mediums. Die Strömungsrichtung ist für den Kollektorstrang S₁ durch Pfeile angegeben.
Jeder Kollektorstrang besteht aus einer ersten Reihe R₁ von Kollektoren und einer zweiten Reihe R₂ von Kollektoren. Die Kollektoren der ersten Reihe R₁ sind in Längsrichtung zueinander ausgerichtet, d.h. in gegenseitiger Verlängerung angeordnet, und sie werden in einer ersten Richtung durchströmt, so dass die erste Reihe R₁ die hinlaufende Reihe von Kollektoren bildet. Die Kollektoren der zweiten Reihe R₂ werden in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchströmt. Sie sind ebenfalls in gegenseitiger Verlängerung angeordnet und bilden eine rücklaufende Reihe, die mit der Rücklaufleitung RL verbunden ist.
In gleicher Weise wie dies vorstehend für den Kollektorstrang S₁ beschrieben ist, ist auch jeder der übrigen Kollektorstränge ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist der Auslass des in Strömungsrichtung ersten Kollektors K₁ mit dem Einlass des in Strömungsrichtung letzten Kollektors K_n des selben Kollektorstranges durch eine Einspritzleitung 12, die ein Regelventil 13 enthält, verbunden. Die Einspritzleitung 12 bildet eine Bypassleitung, durch die das in dem ersten Kollektor K₁ vorgewärmte Fluid in den letzten Kollektor K_n injiziert wird. Die Menge des injizierten Fluides ergibt sich aus der Temperatur des Dampfs im Austritt von Kollektor K_n. Sie wird erhöht, um eine zu starke Überhitzung zu verhindern, oder verringert, um eine zu geringe Überhitzung des erzeugten Dampfes zu verhindern.
Da die Kollektoren innerhalb des Kollektorstranges in einer hinlaufenden und einer rücklaufenden Reihe R₁,R₂ angeordnet sind, liegen der erste Kollektor K₁ und der im Strömungsverlauf letzte Kollektor K_n des Kollektorstranges parallel zueinander und unmittelbar benachbart nebeneinander, so dass die Einspritzleitung 12 sehr kurz sein kann. Dies hat einerseits eine Materialersparnis an Rohrmaterial zur Folge und andererseits betriebliche Vorteile wie z.B. geringere Wärme- und Druckverluste und ein schnelleres morgendliches Aufheizen der Anlage.
Es ist nicht unbedingt erforderlich, den Auslass des ersten Kollektors mit dem Einlass des letzten Kollektors durch die Einspritzleitung 12 zu verbinden. Vielmehr kann alternativ auch beispielsweise der Auslass des zweiten Kollektors K₂ mit dem Einlass des vorletzten Kollektors oder des letzten Kollektors verbunden sein, oder es können andere kurze Verbindungen innerhalb des kurzen Kollektorsystems hergestellt werden. Wichtig ist, dass kein eigenes zentrales Versorgungsnetz für die Injektion vorgesehen ist.

Claims

Solarkollektorfeld mit zahlreichen Kollektoren, die mindestens einen Kollektorstrang (KS₁-KS₇) aus in Serie geschalteten Kollektoren bilden, welche von einem verdampfbaren Medium durchströmt werden, wobei der Kollektorstrang mindestens eine erste Reihe (R₁) von Kollektoren aufweist, die in einer ersten Richtung durchströmt sind, und mindestens eine zweite Reihe (R₂) von Kollektoren, die in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchströmt sind, und mit einem Einspritzsystem zum Einspritzen von flüssigem Medium in einen der Kollektoren des Kollektorstranges, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem eine Einspritzleitung (12) aufweist, die einen Auslass eines der Kollektoren der ersten Reihe (R₁) mit einem Einlass eines der Kollektoren der zweiten Reihe (R₂) verbindet.
Solarkollektorfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzleitung (12) den Auslass des in Strömungsrichtung ersten Kollektors (K₁) des Kollektorstranges mit dem Einlass des letzten Kollektors (K_n) verbindet.
Solarkollektorfeld nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Einspritzleitung (12) verbundenen Kollektoren einander gegenüberliegend in unmittelbar benachbarten Reihen angeordnet sind.
Solarkollektorfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarkollektorfeld (KF) mehrere Kollektorstränge (S₁-S₇) aufweist, die parallel zueinander an einen Kraftwerksblock (10) angeschlossen sind, welcher mindestens eine Dampfturbine enthält.