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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Solarkollektorfeldes mit dem erfindungsgemäßen Einspritzsystem.
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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.
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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.
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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... Kn bezeichnet. Die Indizes steigen in der
Reihenfolge der Kollektoren in Richtung des strömenden Mediums. Die Strömungsrichtung
ist für
den Kollektorstrang S1 durch Pfeile angegeben.
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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.
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In
gleicher Weise wie dies vorstehend für den Kollektorstrang S1 beschrieben ist, ist auch jeder der übrigen Kollektorstränge ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist der
Auslass des in Strömungsrichtung
ersten Kollektors K1 mit dem Einlass des
in Strömungsrichtung
letzten Kollektors Kn 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 Kn injiziert wird.
Die Menge des injizierten Fluides ergibt sich aus der Temperatur des
Dampfs im Austritt von Kollektor Kn. Sie
wird erhöht,
um eine zu starke Überhitzung
zu verhindern, oder verringert, um eine zu geringe Überhitzung
des erzeugten Dampfes zu verhindern.
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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 Kn 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.
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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.