DE102007013430A1

DE102007013430A1 - Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks

Info

Publication number: DE102007013430A1
Application number: DE102007013430A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr. Buck; Markus Dr. Eck; Dan Bauer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: DE102007013430B4; DE102007013430B9

Abstract

Es wird ein solarthermisches Kraftwerk bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl von Brennlinienkollektoren mit jeweils einer Erstreckung in einer Längsrichtung, an denen ein Wärmeträgermedium erhitzbar ist, wobei mindestens eine erste Gruppe von Brennlinienkollektoren und eine zweite Gruppe von Brennlinienkollektoren vorgesehen sind, die Brennlinienkollektoren jeder Gruppe, bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums, in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen und die Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen als die Brennlinienkollektoren der zweiten Gruppe.

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Mehrzahl von Brennlinienkollektoren mit jeweils einer Erstreckung in einer Längsrichtung, an denen ein Wärmeträgermedium erhitzbar ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Mehrzahl von Brennlinienkollektoren mit jeweils einer Erstreckung in einer Längsrichtung umfasst, bei dem ein Wärmeträgermedium Brennlinienkollektoren zugeführt wird.
Ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Mehrzahl von Brennlinienkollektoren mit jeweils einer Erstreckung in einer Längsrichtung, an denen ein Wärmeträgermedium erhitzbar ist, ist beispielsweise aus der DE 101 28 562 C1 oder der DE 101 52 971 C1 bekannt.
Ein solarthermisches Kraftwerk ist weiterhin in dem Artikel R. Osuna et al., "Proceedings of ISES 2005 Solar World Congress", Orlando, Florida, USA, August 2005, beschrieben, der ein Konzept zur Kombination unterschiedlicher Kraftwerkstechnologien vorstellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solarthermisches Kraftwerk der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass der Wirkungsgrad des Kraftwerks im zeitlichen Mittel optimiert ist.
Diese Aufgabe wird bei einem solarthermischen Kraftwerk der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine erste Gruppe von Brennlinienkollektoren und eine zweite Gruppe von Brennlinienkollektoren vorgesehen sind, wobei die Brennlinienkollektoren jeder Gruppe bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen, und dass die Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen als die Brennlinienkollektoren der zweiten Gruppe.
Die von einer Brennlinienkollektorengruppe zu einem gegebenen Zeitpunkt aus solarer Strahlung erzeugbare Leistung hängt vom jeweiligen Sonnenstand und somit von der Jahreszeit und der Tageszeit ab. Dabei ist die geographische Ausrichtung der Längsrichtung der Brennlinienkollektoren entscheidend für ihr Leistungsprofil.
Brennlinienkollektoren mit beispielsweise in Nord-Süd-Richtung ausgerichteter Längsrichtung empfangen im Sommer um die Mittagszeit die größte Solarstrahlungsleistung (bezogen auf den Jahresverlauf), im Winter dagegen eine deutlich geringere maximale Solarstrahlungsleistung vormittags und nachmittags. Brennlinienkollektoren mit beispielsweise in West-Ost-Richtung ausgerichteter Längsrichtung empfangen im Sommer wie im Winter um die Mittagszeit die größte Solarstrahlungsleistung, im Tagesdurchschnitt im Sommer weniger und im Winter mehr als mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichtete Brennlinienkollektoren.
Durch das Vorhandensein von mindestens einer ersten Gruppe von Brennlinienkollektoren und einer zweiten Gruppe von Brennlinienkollektoren, wobei die Brennlinienkollektoren jeder Gruppe bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen, und wobei die Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen als die Brennlinienkollektoren der zweiten Gruppe, wird es ermöglicht, die Erhitzung von Wärmeträgermedium zu einem gegebenen Zeitpunkt in der ersten und/oder der zweiten Gruppe sowie gegebenenfalls weiteren Gruppen durchzuführen und dabei die Befähigung der jeweiligen Brennlinienkollektoren zum Empfang von Solarstrahlungsleistung zu diesem Zeitpunkt zu nutzen.
Dadurch kann die Menge des insgesamt von den Brennlinienkollektoren gelieferten Wasserdampfes im zeitlichen Verlauf dem durch die weitere Prozessführung bedingten Bedarf an Wasserdampf angepasst werden.
Wenn beispielsweise Brennlinienkollektoren sowohl zur Verdampfung von Wasser als auch zur Überhitzung des Dampfes eingesetzt werden und der Dampf anschließend zur Gewinnung elektrischer Energie in Dampfturbinen überführt wird, ist eine möglichst stetige Belieferung der Dampfturbinen notwendig. Diese kann zu solchen Zeitpunkten, in denen zu wenig überhitzter Wasserdampf aus den Brennlinienkollektoren erhältlich ist, durch eine Zusatzfeuerung oder durch zwischengespeicherte Energiemengen, die zuvor aus Überschüssen aus den Brennlinienkollektoren erhalten wurden, gewährleistet werden. Diese Alternativen sind jeweils mit hohem technischem Aufwand verbunden.
In dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk kann die Lieferung von überhitztem Dampf aus den Brennlinienkollektoren verstetigt werden. Dadurch können die Turbinen über einen längeren Zeitraum hinweg mit aus den Brennlinienkollektoren überführtem Wasserdampf betrieben werden. Es treten weniger Über- und/oder Unterschüsse von überhitztem Dampf auf, wodurch der durch eine Zusatzfeuerung oder eine Zwischenspeicherung gegebene Aufwand reduziert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Gruppe und die zweite Gruppe bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums parallel geschaltet. Bei dieser Kombination kann die durch jede dieser Gruppen geleitete Menge des Wärmeträgermediums der jeweiligen Befähigung der Gruppe zur Energieaufnahme angepasst werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die erste Gruppe und die zweite Gruppe bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet. Bei dieser Kombination können bei dem Erhitzen einer gegebenen Menge des Wärmeträgermediums die jeweiligen Befähigungen dieser Kollektorengruppen zur Energieaufnahme vorteilhaft genutzt werden. Es kann beispielsweise auch eine dritte Gruppe vorgesehen sein, deren Brennlinienkollektoren die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen wie die der zweiten Gruppe, wobei die erste Gruppe bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums mit der zweiten Gruppe in Reihe und mit der dritten Gruppe parallel geschaltet ist.
Es ist vorteilhaft, wenn das solarthermische Kraftwerk eine Verteilungsvorrichtung aufweist, durch die mindestens zwei Teilströme des Wärmeträgermediums für jeweils mindestens eine Gruppe erzeugbar sind. In diesem Fall kann die relative Größe der Teilströme auf einfache Weise reguliert werden.
Bevorzugterweise weist das solarthermische Kraftwerk eine Sammlungsvorrichtung auf, durch die die mindestens zwei Teilströme zu einem Gesamtstrom sammelbar sind. Die weitere Prozessführung ist mit einem verbleibenden Gesamtstrom technisch weniger aufwendig als mit getrennt verbleibenden Teilströmen.
Vorteilhafterweise ist die Sammlungsvorrichtung bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums den Brennlinienkollektoren nachgeschaltet. Dadurch wird sichergestellt, dass das gesamte in den Brennlinienkollektoren verdampfte Wärmeträgermedium in die Sammlungsvorrichtung überführt werden kann.
Vorteilhafterweise weist das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk mindestens eine Rezirkulationsvorrichtung auf, welche einer oder mehreren Gruppen zugeordnet ist. Wenn mehr Wärmeträgermedium in die Gruppen eingespeist wird, als in diesen verdampft werden kann, kann durch die Rezirkulationsvorrichtung nach dem Durchlaufen der Gruppen flüssig verbliebenes Wärmeträgermedium zurückgeführt und erneut in diese überführt werden. Auf diese Weise wird die Abhängigkeit der von den Gruppen gelieferten Dampfmenge von Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen verringert.
Eine derartige Rezirkulationsvorrichtung kann einer einzelnen Gruppe zugeordnet sein und das aus diesem ausgetretene flüssige Wärmeträgermedium in ihn zurückführen. Sie kann auch einer Mehrzahl von Gruppen zugeordnet sein und das gesammelte aus diesen ausgetretene flüssige Wärmeträgermedium einer Verteilungsvorrichtung zuführen, von der aus es erneut in einzelne Gruppen geleitet wird.
Bevorzugterweise sind die geographische Ausrichtung der Längsrichtung und/oder die Anzahl der Brennlinienkollektoren der Gruppen abhängig von der geographischen Lage des Ortes des solarthermischen Kraftwerks. Durch die geographische Lage werden die Gegebenheiten der Sonneneinstrahlung an einem Ort in Abhängigkeit von der Tageszeit wie auch der Jahreszeit und somit auch das Leistungsprofil von an diesem Ort befindlichen Brennlinienkollektoren mit unterschiedlicher geographischer Ausrichtung ihrer Längsrichtung definiert.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Brennlinienkollektor jeweils einen Fokusbereich mit einer Erstreckungslänge in der Längsrichtung und einer Erstreckungsbreite quer zur Längsrichtung aufweist, wobei die Erstreckungslänge größer ist als die Erstreckungsbreite. Bevorzugterweise werden Brennlinienkollektoren eingesetzt, bei denen der Fokusbereich linienhaft ist und insbesondere seine Erstreckungslänge mindestens fünfmal größer ist als seine Erstreckungsbreite. Derartige Brennlinienkollektoren sind sehr gut zum Verdampfen von Wärmeträgermedium geeignet, das durch ihren Fokusbereich geleitet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Brennlinienkollektor als Parabolrinnenkollektor ausgebildet. Parabolrinnenkollektoren werden bereits seit Jahrzehnten in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt. Ihre Komponenten konnten in dieser Zeit umfassend optimiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein Brennlinienkollektor als linearer Fresnelkollektor ausgebildet. Fresnelkollektoren umfassen einzelne ungewölbte oder leicht gewölbte Spiegelstreifen und sind daher kostengünstig herstellbar.
Insbesondere sind mindestens ein Turmreceiver und mindestens ein dem entsprechenden Turmreceiver zugeordneter Heliostat vorgesehen, wobei das Wärmeträgermedium an Brennlinienkollektoren und nachfolgend an dem mindestens einen Turmreceiver erhitzbar ist.
Durch die Kombination aus Brennlinienkollektoren (welche einen ersten Erhitzungsabschnitt bilden) und einem Turmreceiver mit zugeordnetem Heliostatenfeld (durch welche ein zweiter Erhitzungsabschnitt gebildet ist) können die spezifischen Vorteile dieser Erhitzungsabschnitte kombiniert werden. Das Wärmeträgermedium wird beispielsweise an Brennlinienkollektoren verdampft und der Dampf anschließend im Turmreceiver überhitzt. Wenn es sich bei dem Wärmeträgermedium beispielsweise um Wasser handelt, wird in den Brennlinienkollektoren Dampf mit einer Temperatur von bis zu ca. 300°C erzeugt. Die hier auftretenden Belastungen durch hohen Druck und hohe Temperaturen sind begrenzt und es kann auf relativ kostengünstige Anlagetechnik zurückgegriffen werden. Der kostenintensivere Bestandteil des Turmreceivers mit dem zugeordneten Heliostatenfeld dient demgegenüber nur zur Überhitzung des Dampfes auf Temperaturen bis zu ca. 600°C und kann deutlich kleiner dimensioniert sein als ein Turmreceiver, in dem auch die Verdampfung durchgeführt werden muss.
Über die ihm zugeordneten Heliostaten empfängt ein Turmreceiver im Sommer wie im Winter um die Mittagszeit die größte Solarstrahlungsleistung und kann zu diesem Zeitpunkt die größte Menge an ihm zugeführten Wasserdampf überhitzen. Zur Erzeugung dieses Wasserdampfes vorgesehene Brennlinienkollektoren sollten dementsprechend ebenfalls über das gesamte Jahr hinweg um die Mittagszeit die größte Solarstrahlungsleistung ausnutzen können.
Durch das Vorhandensein einer ersten Gruppe von Brennlinienkollektoren und einer zweiten Gruppe von Brennlinienkollektoren, wobei die Brennlinienkollektoren jeder Gruppe bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen, und wobei die Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen als die Brennlinienkollektoren der zweiten Gruppe, kann dieser Anforderung besser entsprochen werden.
Die Menge des insgesamt von den Brennlinienkollektoren gelieferten Wasserdampfes kann der im Turmreceiver zu diesem Zeitpunkt maximal überhitzbaren Menge angenähert werden, so dass weniger Dampfüberschüsse und/oder -unterschüsse auftreten.
Im Fall von in den Brennlinienkollektoren erzeugten Dampfüberschüssen ist eine Zwischenspeicherung oder alternative Verwendung technisch und bezüglich der entstehenden Kosten aufwendig. Es kann nötig werden, zur Vermeidung der Überschüsse mindestens Teile der Brennlinienkollektoren zeitweise abzuschalten und somit ihr Potential zur Energiegewinnung ungenutzt zu lassen. Durch die Reduzierung der Überschüsse in einem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk wird im Jahresverlauf die Anzahl der Betriebsstunden erhöht, in denen sämtliche vorhandenen Brennlinienkollektoren eingesetzt werden können.
Die Reduzierung von Dampfunterschüssen gestattet eine bessere Nutzung des Potentials des Turmreceivers zur Energiegewinnung.
Die vom Turmreceiver gelieferte Menge an überhitztem Dampf wird somit gesteigert, so dass das Kraftwerk eine höhere Betriebszeit im Laufe eines Jahres aufweisen kann.
Wenn der von einem Turmreceiver bereitgestellte überhitzte Dampf beispielsweise in Dampfturbinen zur Generierung elektrischer Energie eingesetzt werden soll, sind diese vorzugsweise derart dimensioniert, dass der Turmreceiver in manchen Zeitspannen mehr überhitzten Dampf liefert, als in ihren verarbeitet werden kann. Dieser Überschuss an Wärmeenergie kann dann in Zwischenspeichern gespeichert werden und zu solchen Zeitpunkten, an denen der Turmreceiver einen Unterschuss an überhitztem Dampf liefert, den Turbinen zur Verfügung gestellt werden. Diese Speicherung ist mit Energieverlusten verbunden.
In dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk unterliegt die vom Turmreceiver gelieferte Menge an überhitztem Dampf weniger Schwankungen im zeitlichen Verlauf. Dadurch kann beispielsweise ein größerer Anteil dieser Menge direkt in Turbinen geleitet werden, und die mit der Zwischenspeicherung verbundenen Energieverluste werden verringert.
Weiterhin ist dem mindestens einen Turmreceiver bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums vorteilhafterweise eine Sammlungsvorrichtung vorgeschaltet. Dadurch kann dem Turmreceiver der in der Sammlungsvorrichtung gesammelte Sammelstrom zugeführt werden.
Vorteilhafterweise ist dem mindestens einen Turmreceiver eine Einspritzvorrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium zugeordnet. Zu einem Zeitpunkt, an dem der Turmreceiver zur Überhitzung größerer Mengen an verdampftem Wärmeträgermedium fähig ist, als von den Brennlinienkollektoren zur Verfügung gestellt werden kann, kann durch das in der Einspritzvorrichtung zusätzlich zugeführte Wärmeträgermedium verhindert werden, dass vom Turmreceiver aufnehmbare solare Energie ungenutzt verbleibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet und die Brennlinienkollektoren der zweiten Gruppe mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichtet. Brennlinienkollektoren mit diesen beiden Ausrichtungen weisen zeitliche Verläufe ihrer Fähigkeiten zur Energieaufnahme auf, die sich gegenseitig vorteilhaft ergänzen. Diese Kombination ist insbesondere dazu geeignet, einem Turmreceiver annähernd die zu einem gegebenen Zeitpunkt von ihm überhitzbare Menge an Wasserdampf zur Verfügung zu stellen.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Anzahl von Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe und/oder der zweiten Gruppe zu der Gesamtzahl von Brennlinienkollektoren im Bereich zwischen 20% und 80%. Ein derartiges Verhältnis ist für einen Großteil der möglichen Standorte für ein solarthermisches Kraftwerk angemessen.
Besonders bevorzugt liegt das Verhältnis im Bereich zwischen 40% und 60%. In Modellrechnungen zum Betrieb eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks mit einem Turmreceiver im südspanischen Sevilla hat sich für die Anzahl von Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe ein Verhältnis zu der Gesamtzahl von Brennlinienkollektoren von jeweils ca. 50% als besonders vorteilhaft erwiesen.
Vorzugsweise ist eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen. In einer derartigen Einrichtung kann die Wärmeenergie des überhitzten Mediums teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden.
Insbesondere umfasst die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mindestens eine Dampfturbine und mindestens einen Generator, wobei die mindestens eine Dampfturbine bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums den Brennlinienkollektoren nachgeschaltet ist. Dampfturbinen sind umfassend optimierte Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus der Wärmeenergie eines Dampfes.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Dampfturbine bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums einem oder mehreren Turmreceivern nachgeschaltet. Damit wird sichergestellt, dass der Dampfturbine Wärmeträgermedium zugeführt wird, welches zunächst an den Brennlinienkollektoren und nachfolgend an dem mindestens einen Turmreceiver hohe Energiemengen aufgenommen hat.
Vorteilhafterweise ist eine Zusatzheizvorrichtung vorgesehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die beispielsweise zum Betrieb einer Turbine benötigte Menge an überhitztem Dampf auch dann erzeugt wird, wenn die in den Brennlinienkollektoren und gegebenenfalls dem Turmreceiver erhitzte Menge an Wärmeträgermedium dazu nicht genügt.
Vorteilhafterweise umfasst die Zusatzheizvorrichtung eine fossile Feuerungsvorrichtung. Diese kann überhitzten Dampf zu jedem beliebigen Zeitpunkt zur Verfügung stellen.
Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßes solarthermisches Kraftwerk mindestens einen Wärmespeicher auf. Auch Wärmespeicher tragen dazu bei, dass die in dem solarthermischen Kraftwerk bereitgestellte Menge an überhitztem Dampf zeitlich möglichst wenig variiert. In einem Wärmespeicher vorliegende Wärmeenergie kann beispielsweise nachts freigesetzt werden, wenn aufgrund mangelnder Sonneneinstrahlung die Brennlinienkollektoren und gegebenenfalls der Turmreceiver zu wenig Dampf liefern.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Wärmespeicher über einen Wärmeträgermediumkreislauf mit mindestens einer Dampfturbine gekoppelt. Dann kann die in ihm gespeicherte Energie an Wärmeträgermedium abgegeben werden, das nachfolgend direkt der mindestens einen Turbine zugeführt wird.
Beispielsweise wird als Wärmeträgermedium Wasser verwendet. Unter anderem durch die hohe Wärmeaufnahmefähigkeit des Wassers ist es insbesondere gut dazu geeignet, in Brennlinienkollektoren verdampft und anschließend in einem Turmreceiver überhitzt zu werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Wärmeträgermedium mindestens einer ersten Gruppe von Brennlinienkollektoren und einer zweiten Gruppe von Brennlinienkollektoren zugeführt wird, wobei die Brennlinienkollektoren jeder Gruppe bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen, und wobei die Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen als die Brennlinienkollektoren der zweiten Gruppe. Dadurch kann das Wärmeträgermedium zu einem gegebenen Zeitpunkt in der ersten und/oder der zweiten Gruppe sowie gegebenenfalls weiteren Gruppen zugleich erhitzt und dabei die Befähigung der jeweiligen Brennlinienkollektoren zum Empfang von Solarstrahlungsleistung zu diesem Zeitpunkt genutzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform durchläuft Wärmeträgermedium die erste Gruppe und die zweite Gruppe nacheinander. Dadurch kann eine gegebene Menge des Wärmeträgermediums in jeder dieser Gruppen entsprechend der jeweiligen Befähigung der Gruppe zur Energieaufnahme Wärmeenergie aufnehmen. Dabei kann entweder die erste Gruppe oder die zweite Gruppe zuerst durchlaufen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform durchläuft Wärmeträgermedium die erste und die zweite Gruppe parallel. Dadurch kann durch diese Gruppen jeweils eine ihrer jeweiligen Befähigung zur Energieaufnahme angepasste Menge an Wärmeträgermedium geleitet werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Massenstromdichten der mindestens zwei Teilströme zeitlich abhängig vom Sonnenstand eingestellt werden. Dadurch können die im Verlauf der Tageszeiten wie der Jahreszeiten variierenden Mengen an solarer Energie, die von den Brennlinienkollektorengruppen aufgenommen werden können, bei der Festlegung der Mengen des durch sie geleiteten Wärmeträgermediums berücksichtigt werden.
Bevorzugterweise werden die mindestens zwei Teilströme durch eine Verteilungsvorrichtung erzeugt. Dadurch kann ihre relative Größe auf einfache Weise reguliert werden.
Insbesondere werden die mindestens zwei Teilströme nach Durchlaufen der jeweiligen Brennlinienkollektoren durch eine Sammlungsvorrichtung zu einem Gesamtstrom gesammelt. Dadurch kann bei der weiteren Prozessführung mit dem Gesamtstrom anstelle der Teilströme gearbeitet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens ein Turmreceiver und mindestens ein dem entsprechenden Turmreceiver zugeordneter Heliostat vorgesehen und das Wärmeträgermedium wird nach Durchlaufen der Brennlinienkollektoren dem mindestens einen Turmreceiver zugeführt. Dadurch können diese beiden Komponenten des Kraftwerks jeweils eine ihren spezifischen Vorteilen entsprechende Aufgabe bei der Aufnahme von solarer Energie übernehmen.
Vorteilhafterweise wird das Wärmeträgermedium in den Brennlinienkollektoren verdampft und in dem mindestens einen Turmreceiver überhitzt. Dadurch werden einerseits die Belastungen der Brennlinienkollektoren durch hohen Druck und hohe Temperaturen begrenzt, andererseits kann der kostenintensivere Turmreceiver relativ klein dimensioniert sein.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläutert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks in schematischer Blockschaltbild-Darstellung;
2 Beispiele für den Verlauf der jeweils erzeugbaren Leistung der folgenden Vorrichtungen zur Aufnahme von Solarenergie in Abhängigkeit von der Tageszeit: a) eines Turmreceivers mit zugeordneten Heliostaten; b) einer Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren; c) einer Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren; jeweils dargestellt für Sommer und für Winter unter den Sonneneinstrahlungsbedingungen des südspanischen Sevilla;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks in schematischer Blockschaltbild-Darstellung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 in schematischer Blockschaltbild-Darstellung gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Brennlinienkollektorenabschnitt 12, in dem ein flüssiges Wärmeträgermedium verdampfbar ist, einen Turmreceiverabschnitt 14, in dem dampfförmiges Wärmeträgermedium überhitzbar ist, sowie einen Turbinenabschnitt 16, in dem überhitztes Wärmeträgermedium zur Erzeugung elektrischer Energie einsetzbar ist.
Der Brennlinienkollektorenabschnitt 12 umfasst eine Verteilungsvorrichtung 18, ein erstes Brennlinienkollektorfeld 20 mit ersten Gruppen 28a, 28b, 28c von Brennlinienkollektoren 30, ein zweites Brennlinienkollektorfeld 22 mit zweiten Gruppen 32a, 32b, 32c von Brennlinienkollektoren 34, eine Sammlungsvorrichtung 24 und einen Behälter 26. Die Brennlinienkollektoren 30, 34 jeder Gruppe 28a, 28b, 28c, 32a, 32b, 32c sind bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet und weisen die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung auf. Beispielhaft sind in 1 jeweils sieben Brennlinienkollektoren 30, 34 in jeder Gruppe 28a, 28b, 28c, 32a, 32b, 32c dargestellt.
Die Brennlinienkollektoren 30 der ersten Gruppen 28a, 28b, 28c weisen eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung auf als die Brennlinienkollektoren 34 der zweiten Gruppen 32a, 32b, 32c. Die ersteren sind in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet, die letzteren in West-Ost-Richtung. Die Gruppen 28a, 28b, 28c, 32a, 32b, 32c sind bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums parallel zueinander geschaltet.
Ein Brennlinienkollektorfeld 20, 22 kann beispielsweise mehr als 50 Gruppen 28a, 28b, 28c, 32a, 32b, 32c umfassen.
Durch die Brennlinienkollektoren 30, 34 ist solare Strahlung in einen Fokusbereich bündelbar. Dieser Fokusbereich ist linienhaft und weist eine Erstreckungslänge in der Längsrichtung und eine Erstreckungsbreite quer zur Längsrichtung auf, wobei die Erstreckungslänge größer ist als die Erstreckungsbreite.
Die Brennlinienkollektoren 30, 34 sind insbesondere als Parabolrinnenkollektoren oder lineare Fresnelkollektoren ausgebildet.
Die Verteilungsvorrichtung 18 weist einen Eingang 36, eine Anzahl an ersten Ausgängen 38a, 38b, 38c, die der Anzahl der ersten Gruppen 28a, 28b, 28c entspricht, und eine Anzahl an zweiten Ausgängen 40a, 40b, 40c, die der Anzahl der zweiten Gruppen 32a, 32b, 32c entspricht, auf. Der Eingang 36 der Verteilungsvorrichtung 18 ist mit einer Zuführungsleitung 42 verbunden, die mit einer Pumpe 44 versehen ist. Jeder erste Ausgang 38a, 38b, 38c ist an eine erste Gruppe 28a, 28b, 28c des Brennlinienkollektorfeldes 20 gekoppelt. Jeder zweite Ausgang 40a, 40b, 40c ist an eine zweite Gruppe 32a, 32b, 32c des Brennlinienkollektorfeldes 22 gekoppelt.
Aus der Zuführungsleitung 42 zugeführtes flüssiges Wärmeträgermedium mit einer Abschnittsführungsrichtung 46 ist in der Verteilungsvorrichtung 18 in erste Teilströme 48a, 48b, 48c, deren Anzahl der Anzahl der ersten Gruppen 28a, 28b, 28c entspricht, und zweite Teilströme 50a, 50b, 50c, deren Anzahl der Anzahl der zweiten Gruppen 32a, 32b, 32c entspricht, unterteilbar. Die ersten Teilströme 48a, 48b, 48c sind über die ersten Ausgänge 38a, 38b, 38c in die ersten Gruppen 28a, 28b, 28c des Brennlinienkollektorfeides 20 leitbar und weisen dort eine Abschnittsführungsrichtung 52 auf. Die zweiten Teilströme 50a, 50b, 50c sind über die zweiten Ausgänge 40a, 40b, 40c in die zweiten Gruppen 32a, 32b, 32c des Brennlinienkollektorfeldes 22 leitbar und weisen dort eine Abschnittsführungsrichtung 54 auf.
In den Gruppen 28a, 28b, 28c, 32a, 32b, 32c ist flüssiges Wärmeträgermedium durch von den Brennlinienkollektoren 30 und 34 gebündelte solare Strahlung mindestens teilweise verdampfbar.
Die Sammlungsvorrichtung 24 weist einen ersten Eingang 56, einen zweiten Eingang 58 und einen Ausgang 60 auf. Die ersten Gruppen 28a, 28b, 28c münden in eine Leitung 62, die mit dem ersten Eingang 56 der Sammlungsvorrichtung 24 verbunden ist und über die die ersten Teilströme 48a, 48b, 48c in die Sammlungsvorrichtung 24 überführbar sind. Die zweiten Gruppen 32a, 32b, 32c münden in eine Leitung 64, die mit dem zweiten Eingang 58 der Sammlungsvorrichtung 24 verbunden ist und über die auch die zweiten Teilströme 50a, 50b, 50c in die Sammlungsvorrichtung 24 überführbar sind, so dass das Wärmeträgermedium der Teilströme 48a, 48b, 48c, 50a, 50b, 50c in der Sammlungsvorrichtung 24 zu einem Gesamtstrom 66 sammelbar ist.
Vom Ausgang 60 der Sammlungsvorrichtung 24 führt eine Leitung 68 zu einem Eingang 70 des Behälters 26. Der Behälter 26 weist weiterhin einen ersten Ausgang 72 und einen zweiten Ausgang 74 auf. Der erste Ausgang 72 ist mit einer Leitung 76 verbunden, die mit einer Pumpe 78 versehen ist und zu einer in der Zuführungsleitung 42 angeordneten Zusammenführung 80 führt. Der mit einer Abschnittsführungsrichtung 82 in den Behälter 26 geführte Gesamtstrom 66 kann eine Mischung aus flüssigem und verdampftem Wärmeträgermedium enthalten. Die Leitung 76, die Pumpe 78 und die Zusammenführung 80 bilden eine Rezirkulationsvorrichtung 83, durch die in dem Behälter 26 aus dem Gesamtstrom 66 abgetrenntes flüssiges Wärmeträgermedium mit einer Abschnittsführungsrichtung 84 wieder in die Zuführungsleitung 42 und somit wieder in den Brennlinienkollektorenabschnitt 12 überführt werden kann.
Der Turmreceiver-Abschnitt 14 des in 1 dargestellten Kraftwerks 10 umfasst einen Turmreceiver 86 und ein Heliostatenfeld 88 mit einer Mehrzahl von Heliostaten 90, von denen in 1 schematisch vier dargestellt sind. Der Turmreceiver 86 weist einen Fokusbereich 92 auf, in den mithilfe der Heliostaten 90 solare Strahlung bündelbar ist. Über eine mit dem zweiten Ausgang 74 des Behälters 26 verbundene Leitung 94 ist verdampftes Wärmeträgermedium mit einer Abschnittsführungsrichtung 96 durch den Fokusbereich 92 leitbar und dort überhitzbar.
Der Turbinenabschnitt 16 des Kraftwerks 10 umfasst eine Turbine 98 mit einem Generator 100 und einen Kondensator 102. Im Turmreceiver 86 überhitztes Wärmeträgermedium ist der Turbine 98 über eine Leitung 104 zuführbar, wo ein Anteil seiner Wärmeenergie zur Generierung elektrischer Energie eingesetzt werden kann. Durch die Turbine 98 geleitetes Wärmeträgermedium ist über eine Leitung 106 dem Kondensator 102 zuführbar, in dem weitere Wärmeenergie aus dem Wärmeträgermedium abführbar ist. Der Kondensator 102 ist mit der Zuführungsleitung 42 verbunden, so dass in dem Kraftwerk 10 ein geschlossener Wärmeträgermediumkreislauf vorliegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks funktioniert wie folgt:
Über die Zuführungsleitung 42 wird flüssiges Wärmeträgermedium in den Brennlinienkollektorenabschnitt 12 geleitet. Es wird in die Verteilungsvorrichtung 18 überführt und dort in erste Teilströme 48a, 48b, 48c und zweite Teilströme 50a, 50b, 50c unterteilt.
Die ersten Teilströme 48a, 48b, 48c werden den ersten Gruppen 28a, 28b, 28c des Brennlinienkollektorfeldes 20 zugeführt, wo sie eine in Nord-Süd-Richtung ausgerichtete Abschnittsführungsrichtung 52 aufweisen.
Die zweiten Teilströme 50a, 50b, 50c werden den zweiten Gruppen 32a, 32b, 32c des Brennlinienkollektorfeides 22 zugeführt, wo sie eine in West-Ost-Richtung ausgerichtete Abschnittsführungsrichtung 54 aufweisen.
Die Teilströme 48a, 48b, 48c, 50a, 50b, 50c nehmen beim Durchlaufen des jeweiligen Brennlinienkollektorfeldes 20, 22 Wärmeenergie aus solarer Strahlung auf, die ihnen von den Brennlinienkollektoren 30 und 34 gebündelt zugeführt wird. Die Energiezufuhr bewirkt eine mindestens teilweise Verdampfung des Wärmeträgermediums. Die jeweils aufgenommene Energiemenge hängt von der Ausrichtung der Längsrichtung der Brennlinienkollektoren 30 und 34 in Nord-Süd-Richtung oder in West-Ost-Richtung ab.
Nach dem Durchlaufen der Brennlinienkollektorfelder 20, 22 wird das Wärmeträgermedium der Teilströme 48a, 48b, 48c, 50a, 50b, 50c in der Sammlungsvorrichtung 24 zu einem Gesamtstrom 66 gesammelt, der mit einer Abschnittsführungsrichtung 82 in den Behälter 26 geleitet wird. Ein hier flüssig vorliegender Teil des Wärmeträgermediums kann in einem Rezirkulationsverfahren in Behälter 26 abgetrennt und in der Rezirkulationsvorrichtung 83 über die Leitung 74 wieder in die zur Verteilungsvorrichtung 18 führende Zuführungsleitung 42 eingespeist werden. Durch ein derartiges Verfahren wird die Abhängigkeit der aus den Gruppen 28a, 28b, 28c, 32a, 32b, 32c erhaltenen Dampfmenge von Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen verringert.
In Dampfform vorliegendes Wärmeträgermedium wird in den Turmreceiver-Abschnitt 14 des Kraftwerks 10 geführt. Es durchläuft den Fokusbereich 92 des Turmreceivers 86 und nimmt dort Wärmeenergie aus solarer Strahlung auf, die von den Heliostaten 90 in den Fokusbereich 92 gebündelt wird. Dadurch wird das Wärmeträgermedium überhitzt.
Nach dem Durchlaufen des Turmreceiver-Abschnitts 14 wird das Wärmeträgermedium in den Turbinen-Abschnitt 16 geleitet. In der Turbine 98 gibt es durch Dampfentspannung Wärmeenergie ab, die mithilfe des Generators 100 in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Nachfolgend wird dem Wärmeträgermedium beim Durchlaufen des Kondensators 102 weitere Wärmeenergie entzogen. Anschließend wird es erneut in die Zuführungsleitung 42 eingespeist. Somit wird der Wärmeträgermediumkreislauf geschlossen.
Somit wird bei dem Betreiben eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks nach dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren flüssiges Wärmeträgermedium erster Teilströme 48a, 48b, 48c in Brennlinienkollektoren 30 mit in Nord-Süd-Richtung ausgerichteter Längsrichtung verdampft und flüssiges Wärmeträgermedium zweiter Teilströme 50a, 50b, 50c in Brennlinienkollektoren 34 mit in West-Ost-Richtung ausgerichteter Längsrichtung verdampft. Nachfolgend werden die ersten Teilströme 48a, 48b, 48c und die zweiten Teilströme 50a, 50b, 50c zu einem Gesamtstrom 66 gesammelt, der in einem Turmreceiver 86 überhitzt wird.
Bei einem derartigen Verfahren ist ein größerer Anteil der insgesamt durch die verschiedenen Komponenten des solarthermischen Kraftwerks aufnehmbaren solaren Energie nutzbar als bei einem Verfahren, in dem sämtliche Brennlinienkollektoren dieselbe Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen. Weiterhin wird der zeitliche Verlauf der in dem solarthermischen Kraftwerk erzeugten Leistung verstetigt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks ergeben sich aus dem Verlauf der jeweils erzeugbaren Leistung der Komponenten, in denen eine Erhitzung von Wärmeträgermedium durch solare Strahlung erfolgt, in Abhängigkeit von der Tageszeit während des Sommers und während des Winters. Diese Verläufe sind in 2 unter Voraussetzung der Sonneneinstrahlungsbedingungen des südspanischen Sevilla jeweils für einen Turmreceiver mit zugeordneten Heliostaten, eine Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd- Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren und eine Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren dargestellt.
Ein Turmreceiver mit zugeordneten Heliostaten kann um die Mittagszeit die meiste Solarenergie aufnehmen. Dies gilt für den Sommer bei einem Verlauf 212 wie für den Winter bei einem Verlauf 214, wobei die erzeugbare Leistung im Winter über den gesamten Tagesverlauf hinweg niedriger ist. Wenn ein Turmreceiver zum Überhitzen von Wärmeträgermedium eingesetzt werden soll, das in weiteren Komponenten eines solarthermischen Kraftwerks bereits verdampft worden ist, ist es vorteilhaft, wenn diese weiteren Komponenten ebenfalls im Sommer wie im Winter um die Mittagszeit die meiste Solarenergie aufnehmen und somit um diese Zeit auch die größte Menge an verdampftem Wärmeträgermedium zur Verfügung stellen.
Eine Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren zeigt im Sommer einen Verlauf 218 der erzeugbaren Leistung, der vom Vormittag über den Mittag hinweg bis zum Nachmittag gleichbleibend hohe Werte aufweist. Der Verlauf 220 im Winter weist zwei Maxima mit relativ niedrigen Werten am Vormittag und am Nachmittag auf. In der Mittagszeit kann kaum solare Energie aufgenommen werden.
In einem solarthermischen Kraftwerk kann ausschließlich eine derartige Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren benutzt werden, um Wärmeträgermedium zu verdampfen, das anschließend zum Überhitzen in einen Turmreceiver überführt wird. In diesem Fall stellt die Gruppe in Abhängigkeit von der relativen Dimensionierung der beiden Vorrichtungen während des größten Teiles eines Wintertages entweder deutlich mehr oder deutlich weniger verdampftes Wärmeträgermedium zur Verfügung, als vom Turmreceiver zu dem jeweiligen Zeitpunkt überhitzt werden kann.
Auch in dem Fall, dass Wärmeträgermedium in einer Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren sowohl verdampft als auch überhitzt wird, um anschließend zur Stromerzeugung in einer Turbine eingesetzt zu werden, ergeben sich Dampfüberschüsse und/oder Dampfunterschüsse, da die Turbine möglichst stetig mit überhitztem Dampf beliefert werden muss.
Der Verlauf 224 der im Sommer erzeugbaren Leistung einer Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren weist ebenfalls ein Maximum um die Mittagszeit auf. Am Vormittag und am Nachmittag sind die Werte allerdings niedrig, so dass im Durchschnitt über den gesamten Tagesverlauf weniger Solarenergie aufgenommen werden kann als von einer Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren. Andererseits ist der Verlauf 226 der Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren im Winter gegenüber dem Verlauf 224 im Sommer kaum verändert, bei über den gesamten Tagesverlauf hinweg nur leicht niedrigeren Werten.
Bei einem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk liegen die beiden Brennlinienkollektorengruppen, deren Leistungsprofile in 2 dargestellt sind, bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums gemeinsam vor. In Abhängigkeit von der Tageszeit und der Jahreszeit kann das Wärmeträgermedium aufeinanderfolgend in beiden Gruppen, in nur einer der beiden Gruppen oder auch in beiden Gruppen parallel, in beliebigen Anteilen in Teilströme unterteilt, verdampft und gegebenenfalls auch überhitzt werden. Nachfolgend kann es zu einem Turmreceiver oder zu einer Dampfturbine geleitet werden. Dies ermöglicht einen über den Wechsel der Tageszeiten und der Jahreszeiten hinweg gleichmäßigeren Leistungsverlauf des Kraftwerks und im Verlauf eines Jahres einen höheren Wirkungsgrad als der Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks, in dem sämtliche Brennlinienkollektoren dieselbe Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen.
In einem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk kann beispielsweise auf die jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung dadurch reagiert werden, dass der Anteil von Wärmeträgermedium, das durch die Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichteten Brennlinienkollektoren geführt worden ist, an der dem Turmreceiver oder der Dampfturbine insgesamt zugeführten Menge an Wärmeträgermedium im Winter gegenüber dem Sommer deutlich erhöht wird.
Ein Anteil der Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Brennlinienkollektoren und der Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichteten Brennlinienkollektoren von jeweils 50 an der Gesamtzahl der Brennlinienkollektoren hat sich in Modellrechnungen zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Kraftwerks im südspanischen Sevilla als bevorzugt erwiesen.
In 3 ist ein zweites mit 310 bezeichnetes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks dargestellt.
Das solarthermische Kraftwerk 310 umfasst wieder, in der durch eine Führungsrichtung eines Wärmeträgermediums definierten Reihenfolge, einen Brennlinienkollektorenabschnitt 312, einen Turmreceiverabschnitt 314 und einen Turbinenabschnitt 316.
Der Brennlinienkollektorenabschnitt 312 umfasst eine Verteilungsvorrichtung 318, ein erstes Brennlinienkollektorfeld 320 mit einer ersten Gruppe 328 von Brennlinienkollektoren 330, ein zweites Brennlinienkollektorfeld 322 mit einer zweiten Gruppe 332 von Brennlinienkollektoren 334 und eine Sammlungsvorrichtung 324.
Beispielhaft sind in jeder Brennlinienkollektorgruppe 328, 332 sechs Brennlinienkollektoren 330, 334 dargestellt, die bezüglich der Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen.
Die Brennlinienkollektoren 330 der ersten Gruppe 328 sind mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet, die Brennlinienkollektoren 334 der zweiten Gruppe 332 in West-Ost-Richtung.
Die erste Gruppe 328 und die zweite Gruppe 332 sind bezüglich der Führungsrichtung des Wärmeträgermediums parallel angeordnet.
Die Verteilungsvorrichtung 318 weist einen mit einer Zuführungsleitung 342 verbundenen Eingang 336, einen ersten Ausgang 338 und einen zweiten Ausgang 340 auf. Über den ersten Ausgang 338 ist ein erster Teilstrom 348 des Wärmeträgermediums über eine Leitung 349 in das Brennlinienkollektorfeld 320 führbar, über den zweiten Ausgang 340 ein zweiter Teilstrom 350 über eine Leitung 351 in das Brennlinienkollektorfeld 322.
In den Brennlinienkollektorfeldern 320, 322 ist der jeweilige Teilstrom 348, 350 in die jeweilige Gruppe 328, 332 leitbar. Dort kann Wärmeträgermedium mindestens teilweise verdampft werden. Nach dem Durchlaufen der jeweiligen Gruppe 328, 332 kann es in einen jeweiligen Wasserabscheider 412, 414 geleitet werden. Flüssig vorliegendes Wärmeträgermedium ist hier abtrennbar und über eine jeweilige Leitung 416, 418 mit jeweils einer Pumpe 420, 422 zu einer in der jeweiligen Gruppe 328, 332 vor dem ersten Brennlinienkollektor 330, 334 angeordnete Zusammenführung 424, 426 führbar. In derartigen Rezirkulationsvorrichtungen 425, 427, wie sie beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 101 52 968 C1 bekannt sind, ist im Gegensatz zu der im ersten Ausführungsbeispiel dargestellten Rezirkulationsvorrichtung durch jeweils eine Gruppe 328, 332 geführtes Wärmeträgermedium rezirkulierbar.
Über eine Leitung 362 ist verdampftes Wärmeträgermedium des ersten Teilstroms 348 von Wasserabscheider 412 zu einem ersten Eingang 356 der Sammlungsvorrichtung 324 leitbar, und über eine Leitung 364 ist verdampftes Wärmeträgermedium des zweiten Teilstroms 350 von Wasserabscheider 414 einem zweiten Eingang 358 der Sammlungsvorrichtung 324 zuführbar. In der Sammlungsvorrichtung 324 ist verdampftes Wärmeträgermedium der zwei Teilströme 348, 350 zu einem Gesamtstrom 366 sammelbar.
Der Turmreceiverabschnitt 314 des Kraftwerks umfasst einen Turmreceiver 386 und ein in 2 nicht dargestelltes Heliostatenfeld. Der Turmreceiver 386 weist einen Fokusbereich 392 und eine Einspritzvorrichtung 428 auf. Wärmeträgermedium ist von einem Ausgang 360 der Sammlungsvorrichtung 324 über eine Leitung 361 in dieser Reihenfolge durch den Fokusbereich 392, durch die Einspritzvorrichtung 428 und erneut durch den Fokusbereich 392 leitbar. Beim Durchlaufen des Fokusbereiches 392 ist es überhitzbar.
Der Turbinenabschnitt 316 des Kraftwerks umfasst eine Turbinenverteilungsvorrichtung 430, drei mit einem Generator 400 versehene Turbinen 398a, 398b, 398c, einen Kondensator 402, einen ersten Wärmespeicher 432, einen zweiten Wärmespeicher 434 und einen Behälter 436. Weiterhin umfasst der Turbinenabschnitt 316 eine Einspritzverteilungsvorrichtung 458 und eine Speicherverteilungsvorrichtung 460.
Die Turbinenverteilungsvorrichtung 430 weist einen Eingang 438, einen ersten Ausgang 440 und einen zweiten Ausgang 442 auf. Im Turmreceiver 386 überhitztes Wärmeträgermedium ist durch den Eingang 438 in die Turbinenverteilungsvorrichtung 430 leitbar.
Durch den ersten Ausgang 440 kann es in dieser Reihenfolge über eine Leitung 444 mit einer Absperrvorrichtung 446 in die erste Turbine 398a, über eine Leitung 448 von der ersten Turbine 398a in die zweite Turbine 398b und über eine Leitung 450 von der zweiten Turbine 398b in die dritte Turbine 398c geführt werden. Aus der dritten Turbine 398c ausgetretenes Wärmeträgermedium ist zu dem Kondensator 402 leitbar. Mithilfe einer Pumpe 452 ist es nachfolgend vom Kondensator 402 zu dem Behälter 436 führbar.
Die zwischen der zweiten Turbine 398b und der dritten Turbine 398c verlaufende Leitung 450 ist über eine Abzweigungsvorrichtung 454 mit einer zu dem Behälter 436 führenden Leitung 455 verbunden. Durch die Leitung 455 kann dem Behälter 436 Wärmeträgermedium zugeführt werden, das mehr Wärmeenergie aufweist als das aus dem Kondensator 402 zugeführte.
Durch den zweiten Ausgang 442 der Turbinenverteilungsvorrichtung 430 kann überhitztes Wärmeträgermedium über eine Leitung 457 in dieser Reihenfolge durch den ersten Wärmespeicher 432, den zweiten Wärmespeicher 434 und einen Wärmetauscher 456 in den Behälter 436 geführt werden. In den Wärmespeichern 432, 434 ist jeweils Wärmeenergie aus dem Wärmeträgermedium abführbar. Vorteilhafterweise ist der erste Wärmespeicher 432 ein Feststoffspeicher, der zweite Wärmespeicher 434 ein Latentwärmespeicher.
Die Einspritzverteilungsvorrichtung 458 weist einen Eingang 462, einen ersten Ausgang 464 und einen zweiten Ausgang 466 auf. Flüssiges Wärmeträgermedium ist durch eine mit einer Pumpe 468 versehene Leitung 467 vom Behälter 436 über den Wärmetauscher 456 zum Eingang 462 leitbar. Im Wärmetauscher 456 kann sein Strom sich mit dem Strom des vom zweiten Wärmespeicher 434 zum Behälter 436 geleiteten Wärmeträgermediums kreuzen.
Durch eine mit einer Pumpe 470 versehene Leitung 471 kann Wärmeträgermedium vom ersten Ausgang 464 der Einspritzverteilungsvorrichtung 458 zur Einspritzvorrichtung 428 des Turmreceivers 386 überführt werden. Wenn die aus der Sammlungsvorrichtung 324 in den Turmreceiver 386 überführte Menge an Wärmeträgermedium nicht groß genug ist, um die vom Turmreceiver 386 aufnehmbare solare Energie zu seiner Überhitzung einsetzen zu können, kann mithilfe der Einspritzeinrichtung 428 zusätzliches Wärmeträgermedium zugeführt werden.
Die Speicherverteilungsvorrichtung 460 weist einen Eingang 472, einen ersten Ausgang 474 und einen zweiten Ausgang 476 auf. Vom zweiten Ausgang 466 der Einspritzverteilungsvorrichtung 458 kann Wärmeträgermedium über eine Leitung 473 zum Eingang 472 der Speicherverteilungsvorrichtung 460 geführt werden.
Vom ersten Ausgang 474 der Speicherverteilungsvorrichtung 460 ist flüssiges Wärmeträgermedium der Zuführungsleitung 342 und somit wieder dem Brennlinienkollektorenabschnitt 312 des Kraftwerks 310 zuführbar. Damit liegt wiederum ein geschlossener Wärmeträgermediumkreislauf vor.
Vom zweiten Ausgang 476 der Speicherverteilungsvorrichtung 460 ist flüssiges Wärmeträgermedium über eine Leitung 478 dem zweiten Wärmespeicher 434 zuführbar. Wenn dieser beispielsweise ein Latentwärmespeicher ist, kann das Wärmeträgermedium in ihm mindestens teilweise verdampft werden. Nachfolgend ist es in einen Wasserabscheider 480 überführbar. In dem Wasserabscheider 480 abgetrenntes flüssiges Wärmeträgermedium kann mithilfe einer Pumpe 482 einer in der Leitung 478 angeordneten Zusammenführung 484 zugeführt werden, so dass es den zweiten Wärmespeicher 434 erneut durchlaufen kann.
Verdampftes Wärmeträgermedium ist aus dem Wasserabscheider 480 über eine Leitung 483 durch den ersten Wärmespeicher 432 leitbar. Wenn dieser beispielsweise ein Feststoffspeicher ist, kann es dort überhitzt werden. Nachfolgend kann es über eine Absperrvorrichtung 486 zu einer in der zwischen der ersten Turbine 398a und der zweiten Turbine 398b verlaufenden Leitung 448 angeordneten Zusammenführung 488 geführt werden. Auf diese Weise kann in die in den Wärmespeichern 432, 434 gespeicherte Wärmeenergie zum Betrieb der Turbinen 398 verwendet werden, wenn die zu dem jeweiligen Zeitpunkt aus dem Turmreceiver 386 erhältliche Menge an überhitztem Dampf dazu nicht ausreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10128562 C1 [0003]
- DE 10152971 C1 [0003]
- DE 10152968 C1 [0100]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- R. Osuna et al., "Proceedings of ISES 2005 Solar World Congress", Orlando, Florida, USA, August 2005 [0004]

Claims

Solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Mehrzahl von Brennlinienkollektoren (30; 34; 330; 334) mit jeweils einer Erstreckung in einer Längsrichtung, an denen ein Wärmeträgermedium erhitzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Gruppe (28a; 28b; 28c; 328) von Brennlinienkollektoren (30; 330) und eine zweite Gruppe (32a; 32b; 32c; 332) von Brennlinienkollektoren (34; 334) vorgesehen sind, wobei die Brennlinienkollektoren (30; 34; 330; 334) jeder Gruppe (28a; 28b; 28c; 32a; 32b; 32c; 328; 332) bezogen auf eine Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen, und dass die Brennlinienkollektoren (30; 330) der ersten Gruppe (28a; 28b; 28c; 328) eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen als die Brennlinienkollektoren (34; 334) der zweiten Gruppe (32a; 32b; 32c; 332).
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe (28a; 28b; 28c; 328) und die zweite Gruppe (32a; 32b; 32c; 332) bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums parallel geschaltet sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gruppe (28a; 28b; 28c; 328) und die zweite Gruppe (32a; 32b; 32c; 332) bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verteilungsvorrichtung (18; 318), durch die mindestens zwei Teilströme (48; 50; 348; 350) des Wärmeträgermediums für jeweils mindestens eine Gruppe (28a; 28b; 28c; 32a; 32b; 32c; 328; 332) erzeugbar sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Sammlungsvorrichtung (24; 324), durch die die mindestens zwei Teilströme (48; 50; 348; 350) zu einem Gesamtstrom (66; 366) sammelbar sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammlungsvorrichtung (24; 324) bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums den Brennlinienkollektoren (30; 34; 330; 334) nachgeschaltet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Rezirkulationsvorrichtung (83; 425; 427), welche einer oder mehreren Gruppen (28a; 28b; 28c; 32a; 32b; 32c; 328; 332) zugeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die geographische Ausrichtung der Längsrichtung und/oder die Anzahl der Brennlinienkollektoren (30; 34; 330; 334) der Gruppen (28a; 28b; 28c; 32a; 32b; 32c; 328; 332) abhängig ist von der geographischen Lage des Ortes des solarthermischen Kraftwerks.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennlinienkollektor (30; 34; 330; 334) jeweils einen Fokusbereich mit einer Erstreckungslänge in der Längsrichtung und einer Erstreckungsbreite quer zur Längsrichtung aufweist, wobei die Erstreckungslänge größer ist als die Erstreckungsbreite.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Brennlinienkollektor (30; 34; 330; 334) als Parabolrinnenkollektor ausgebildet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Brennlinienkollektor (30; 34; 330; 334) als linearer Fresnelkollektor ausgebildet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Turmreceiver (86; 386) und mindestens einen dem entsprechenden Turmreceiver (86; 386) zugeordneten Heliostaten (90), wobei das Wärmeträgermedium an den Brennlinienkollektoren (30; 34; 330; 334) und nachfolgend an dem mindestens einen Turmreceiver (86; 386) erhitzbar ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Turmreceiver (86; 386) bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums eine Sammlungsvorrichtung (24; 324) vorgeschaltet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Turmreceiver (86; 386) eine Einspritzvorrichtung (428) für flüssiges Wärmeträgermedium zugeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennlinienkollektoren (30; 330) der ersten Gruppe (28a; 28b; 28c; 328) mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet sind und die Brennlinienkollektoren (34; 334) der zweiten Gruppe (32a; 32b; 32c; 332) mit ihrer Längsrichtung in West-Ost-Richtung ausgerichtet sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Anzahl von Brennlinienkollektoren (30; 330) der ersten Gruppe (28a; 28b; 28c; 328) und/oder der zweiten Gruppe (32a; 32b; 32c; 332) zu der Gesamtzahl von Brennlinienkollektoren (30; 34; 330; 334) im Bereich zwischen 20% und 80% liegt.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis im Bereich zwischen 40% und 60% liegt.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mindestens eine Dampfturbine (98; 398) und mindestens einen Generator (100; 400) umfasst, wobei die mindestens eine Dampfturbine (98; 398) bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums den Brennlinienkollektoren (30; 34; 330; 334) nachgeschaltet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Dampfturbine (98; 398) bezogen auf die Führungsrichtung des Wärmeträgermediums einem oder mehreren Turmreceivern (86; 386) nachgeschaltet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zusatzheizvorrichtung.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizvorrichtung eine fossile Feuerungsvorrichtung umfasst.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Wärmespeicher (432; 434).
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmespeicher (432; 434) über einen Wärmeträgermediumkreislauf mit mindestens einer Dampfturbine (98; 398) gekoppelt ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeträgermedium Wasser verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, welches eine Mehrzahl von Brennlinienkollektoren mit jeweils einer Erstreckung in einer Längsrichtung umfasst, wobei mindestens eine erste Gruppe von Brennlinienkollektoren und eine zweite Gruppe von Brennlinienkollektoren vorgesehen sind, die Brennlinienkollektoren jeder Gruppe bezogen auf eine Führungsrichtung eines Wärmeträgermediums in Reihe geschaltet sind und die gleiche geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen, und die Brennlinienkollektoren der ersten Gruppe eine andere geographische Ausrichtung ihrer Längsrichtung aufweisen als die Brennlinienkollektoren der zweiten Gruppe, bei dem das Wärmeträgermedium den mindestens zwei Gruppen von Brennlinienkollektoren zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium die erste Gruppe und die zweite Gruppe nacheinander durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium die erste Gruppe und die zweite Gruppe parallel durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenstromdichten der mindestens zwei Teilströme zeitlich abhängig vom Sonnenstand eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teilströme durch eine Verteilungsvorrichtung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Teilströme nach Durchlaufen der entsprechenden Brennlinienkollektoren durch eine Sammlungsvorrichtung zu einem Gesamtstrom gesammelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das solarthermische Kraftwerk mindestens einen Turmreceiver und mindestens einen dem entsprechenden Turmreceiver zugeordneten Heliostaten umfasst und dass das Wärmeträgermedium nach Durchlaufen der Brennlinienkollektoren dem mindestens einen Turmreceiver zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium in den Brennlinienkollektoren verdampft und in dem mindestens einen Turmreceiver überhitzt wird.