DE102007013430B9 - Solar thermal power plant and method for operating a solar thermal power plant - Google Patents
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Abstract
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).A solar thermal power plant, comprising a plurality of combustion line collectors (30; 34; 330; 334) each having an extension in a longitudinal direction, to which a heat transfer medium can be heated, characterized in that at least one first group (28a; 28b; 28c; 328) of Refueling collectors (30; 330) and a second group (32a; 32b; 32c; 332) of refueling collectors (34; 334) are provided, wherein the refueling collectors (30; 34; 330; 334) of each group (28a; 28b; 28c; 32a; 32b; 32c; 328; 332) are connected in series with respect to a guide direction of the heat transfer medium and have the same geographical orientation of their longitudinal direction, and that the focal line collectors (30; 330) of the first group (28a; 28b; 28c; 328) have a different longitudinal orientation than the focal line collectors (34; 334) of the second group (32a; 32b; 32c; 332).
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.The invention relates to a solar thermal power plant, comprising a plurality of fuel line collectors each having an extension in a longitudinal direction, on which a heat transfer medium can be heated.
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.Furthermore, the invention relates to a method for operating a solar thermal power plant, which comprises a plurality of fuel line collectors each having an extension in a longitudinal direction, in which a heat transfer medium is fed to refiner collectors.
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
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.A solar thermal power plant is further described in R. Osuna et al., Proceedings of ISES 2005 Solar World Congress, Orlando, Florida, USA, August 2005, which presents a concept for combining different power plant technologies.
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.The invention has for its object to improve a solar thermal power plant of the type mentioned above and a method for operating a solar thermal power plant of the type mentioned so that the efficiency of the power plant is optimized in the time average.
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.This object is achieved in a solar thermal power plant of the type described above according to the invention that at least a first group of fuel line collectors and a second group of fuel line collectors are provided, the fuel line collectors of each group are connected in series with respect to a guide direction of the heat transfer medium and the same geographical Have alignment of their longitudinal direction, and that the focal line collectors of the first group have a different geographical orientation of their longitudinal direction than the focal line collectors of the second group.
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.The power that can be generated from solar radiation at a given point in time by a fuel line collector group depends on the respective position of the sun and thus on the season and the time of day. The geographical orientation of the longitudinal direction of the fuel line collectors is crucial for their performance profile.
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.Refueling collectors with, for example, the north-south direction longitudinal direction received in the summer at noon, the largest solar radiation power (based on the year), in winter, however, a much lower maximum solar radiation power in the morning and afternoon. Refueling collectors with, for example, aligned in the west-east direction longitudinal direction received in summer as in winter at noon, the largest solar radiation power in the daily average in summer less and in winter more aligned with their longitudinal direction in north-south direction 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.By the presence of at least a first group of fuel line collectors and a second group of fuel line collectors, wherein the fuel line collectors of each group are connected in series with respect to a direction of the heat transfer medium and have the same geographic orientation of their longitudinal direction, and wherein the fuel line collectors of the first group another geographic orientation of their longitudinal direction than the focal line collectors of the second group, it is possible to carry out the heating of heat transfer medium at a given time in the first and / or the second group and optionally other groups and thereby the ability of the respective focal line collectors to receive solar radiation power to use this time.
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.As a result, the amount of water vapor supplied by the fuel line collectors in the course of time can be adjusted to the demand for water vapor caused by the further process control.
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.If, for example, fuel line collectors are used both for the evaporation of water and for overheating of the steam and the steam is then transferred to produce electrical energy in steam turbines, as steady a supply of steam turbines is necessary. This can at such times in which too little superheated steam from the fuel line collectors is available, by an additional firing or by cached amounts of energy that were previously obtained from surpluses from the fuel line collectors, guaranteed. These alternatives are each associated with high technical complexity.
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.In the solar thermal power plant according to the invention, the supply of superheated steam from the fuel line collectors can be stabilized. As a result, the turbines can be operated over a longer period of time with transferred from the fuel line collectors steam. There are fewer surpluses and / or deficits of superheated steam, which causes a Additional firing or caching given effort is reduced.
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.In a preferred embodiment, the first group and the second group are connected in parallel with respect to the guide direction of the heat transfer medium. In this combination, the amount of heat transfer medium passed through each of these groups can be adjusted to suit the particular energy intake capability of the group.
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.In a further preferred embodiment of the invention, the first group and the second group are connected in series with respect to the guide direction of the heat transfer medium. In this combination, when heating a given amount of the heat transfer medium, the respective capabilities of these groups of collectors for energy absorption can be used to advantage. For example, it is also possible to provide a third group whose focal-line collectors have the same geographical orientation of their longitudinal direction as that of the second group, the first group being connected in series with the second group in series and with the third group in relation to the guiding direction of the heat-transfer medium.
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.It is advantageous if the solar thermal power plant has a distribution device, through which at least two partial streams of the heat transfer medium for each at least one group can be generated. In this case, the relative size of the partial flows can be regulated easily.
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.Preferably, the solar thermal power plant has a collection device, through which the at least two partial streams can be collected to form a total flow. The further process control is less technically complicated with a remaining total current than with separately remaining partial flows.
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.Advantageously, the collection device is downstream of the fuel line collectors with respect to the guide direction of the heat transfer medium. This ensures that the entire heat transfer medium vaporized in the combustion line collectors can be transferred to the collection device.
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.Advantageously, the solar thermal power plant according to the invention has at least one recirculation device which is assigned to one or more groups. If more heat transfer medium is fed into the groups, as can be evaporated in these, can be returned by the recirculation device after passing through the groups remaining liquid heat transfer medium and transferred again into this. In this way, the dependence of the amount of steam supplied by the groups of fluctuations of the solar irradiation conditions is reduced.
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.Such a recirculation device can be assigned to a single group and return the leaked from this liquid heat transfer medium into it. It can also be assigned to a plurality of groups and supply the collected liquid heat transfer medium that has escaped from it to a distribution device, from which it is re-directed into individual groups.
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.Preferably, the geographical orientation of the longitudinal direction and / or the number of focal line collectors of the groups depending on the geographical location of the location of the solar thermal power plant. Due to the geographical location, the conditions of solar radiation at a location depending on the time of day as well as the season and thus also the performance profile of located at this location focal line collectors are defined with different geographical orientation of their longitudinal direction.
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.In particular, it is provided that a focal-line collector in each case has a focal region with an extension length in the longitudinal direction and an extension width transverse to the longitudinal direction, wherein the extension length is greater than the extension width. Preferably, focal line collectors are used in which the focus area is linear and in particular its extension length is at least five times greater than its extension width. Such focal line collectors are very well suited for the evaporation of heat transfer medium, which is passed through its focus area.
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.In a preferred embodiment, at least one focal line collector is designed as a parabolic trough collector. Parabolic trough collectors have been used in solar thermal power plants for decades. Their components could be extensively optimized during this time.
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.In a further preferred embodiment of the invention, at least one focal line collector is designed as a linear Fresnel collector. Fresnel panels comprise individual non-arched or slightly curved mirror strips and are therefore inexpensive to produce.
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.In particular, at least one tower receiver and at least one heliostat associated with the corresponding tower receiver are provided, wherein the heat transfer medium can be heated at combustion line collectors and subsequently at the at least one tower receiver.
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. Through the combination of focal line collectors (which form a first heating section) and a tower receiver with associated heliostat field (through which a second heating section is formed), the specific advantages of these heating sections can be combined. The heat transfer medium is evaporated, for example, to fuel line collectors and the steam is then overheated in the tower receiver. If the heat transfer medium is, for example, water, steam with a temperature of up to about 300 ° C. is generated in the fuel line collectors. The stresses occurring here due to high pressure and high temperatures are limited and it can be used on relatively inexpensive investment technique. The more expensive component of the tower receiver with the associated heliostat field on the other hand serves only to overheat the steam to temperatures up to about 600 ° C and can be significantly smaller dimensions than a tower receiver, in which the evaporation must be performed.
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.About the associated heliostats receives a tower receiver in the summer as in winter at noon, the largest solar radiation power and can overheat at this time, the largest amount of water vapor supplied to him. Accordingly, for the production of this water vapor provided Brennlinienkollektoren should also be able to exploit the largest solar radiation performance over the entire year at noon.
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.By the presence of a first group of fuel line collectors and a second group of fuel rail collectors, wherein the fuel line collectors of each group are connected in series with respect to a guide direction of the heat transfer medium and have the same geographic orientation of their longitudinal direction, and wherein the fuel line collectors of the first group have a different geographic orientation Their longitudinal direction than the focal line collectors of the second group, this requirement can be better met.
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.The amount of total supplied by the fuel line collectors steam can be approximated in the tower receiver at this time maximum überhitzbaren amount, so that fewer excess steam and / or -unterschüsse occur.
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.In the case of excess steam generated in the fuel line collectors, caching or alternative use is expensive technically and in terms of cost. It may be necessary to temporarily shut off at least parts of the fuel collector to avoid surpluses and thus to leave their potential for energy production unused. By reducing the surpluses in a solar thermal power plant according to the invention, the number of operating hours is increased in the course of the year, in which all existing fuel line collectors can be used.
Die Reduzierung von Dampfunterschüssen gestattet eine bessere Nutzung des Potentials des Turmreceivers zur Energiegewinnung.The reduction of vapor defaults allows a better use of the potential of the tower receiver for energy production.
Die vom Turmreceiver gelieferte Menge an überhitztem Dampf wird somit gesteigert, so dass das Kraftwerk eine höhere Betriebszeit im Laufe eines Jahres aufweisen kann.The amount of superheated steam supplied by the tower receiver is thus increased, so that the power plant can have a longer operating time in the course of a year.
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.If the superheated steam provided by a tower receiver is to be used, for example, in steam turbines to generate electrical energy, these are preferably dimensioned such that the tower receiver supplies more superheated steam in some time periods than can be processed in it. This excess of heat energy may then be stored in latches and provided to the turbines at times when the tower receiver provides a surplus of superheated steam. This storage is associated with energy losses.
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.In the solar thermal power plant according to the invention, the amount of superheated steam delivered by the tower receiver is less subject to fluctuations over time. As a result, for example, a larger proportion of this amount can be routed directly into turbines, and the energy losses associated with the intermediate storage are reduced.
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.Furthermore, the at least one tower receiver is advantageously preceded by a collecting device in relation to the guiding direction of the heat transfer medium. As a result, the collector collected in the collecting device can be supplied to the tower receiver.
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.Advantageously, the at least one tower receiver is associated with an injection device for liquid heat transfer medium. At a time when the tower receiver is capable of overheating larger amounts of vaporized heat transfer medium than can be provided by the fuel line collectors, the heat carrier medium additionally supplied in the injection device can prevent unacceptable solar energy absorbed by the tower receiver.
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.In a preferred embodiment, the fuel line collectors of the first group with their longitudinal direction aligned in north-south direction and aligned the focal line collectors of the second group with its longitudinal direction in west-east direction. Firing line collectors with these two orientations have time histories of their energy absorption capabilities that complement each other favorably. This combination is particularly suitable for providing a tower receiver with the amount of water vapor that it is capable of overheating at a given time.
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.Preferably, the ratio of the number of focal line collectors of the first group and / or the second group to the total number of focal line collectors is in the range between 20% and 80%. Such a relationship is appropriate for much of the potential locations for a solar thermal power plant.
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.Particularly preferably, the ratio is in the range between 40% and 60%. In model calculations for operating a solar thermal power plant according to the invention with a tower receiver in Sevilla, southern Spain, a ratio to the total number of fusible link collectors of approximately 50% each has proved to be particularly advantageous for the number of fuel line collectors of the first group and the second group.
Es ist eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen. In einer derartigen Einrichtung kann die Wärmeenergie des überhitzten Mediums teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden.It is provided a device for generating electrical energy. In such a device, the heat energy of the superheated medium can be partially converted into electrical energy.
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.In particular, the device for generating electrical energy comprises at least one steam turbine and at least one generator, wherein the at least one steam turbine is connected downstream of the fuel line collectors with respect to the guide direction of the heat transfer medium. Steam turbines are extensively optimized devices for generating electrical energy from the heat energy of a steam.
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.In a preferred embodiment, the at least one steam turbine is connected downstream of one or more tower receivers with respect to the guide direction of the heat transfer medium. This ensures that the steam turbine heat transfer medium is supplied, which has first taken on the fuel line collectors and subsequently to the at least one tower receiver high amounts of energy.
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.Advantageously, an additional heating device is provided. This can ensure that the amount of superheated steam required, for example, for operating a turbine is also generated when the amount of heat transfer medium heated in the combustion line collectors and optionally the tower receiver does not suffice.
Vorteilhafterweise umfasst die Zusatzheizvorrichtung eine fossile Feuerungsvorrichtung. Diese kann überhitzten Dampf zu jedem beliebigen Zeitpunkt zur Verfügung stellen.Advantageously, the additional heating device comprises a fossil firing device. This can provide superheated steam at any time.
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.Preferably, a solar thermal power plant according to the invention has at least one heat storage. Also heat storage contribute to the fact that the amount of superheated steam provided in the solar thermal power plant varies as little as possible in time. Heat energy present in a heat accumulator can be released, for example, at night, when due to lack of solar radiation the fuel line collectors and possibly the tower receiver deliver too little steam.
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.Advantageously, the at least one heat accumulator is coupled via a heat transfer medium circuit with at least one steam turbine. Then, the energy stored in it can be delivered to the heat transfer medium, which is subsequently supplied directly to the at least one turbine.
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.For example, water is used as the heat transfer medium. Among other things, by the high heat absorption capacity of the water, it is particularly well suited to be evaporated in fuel line collectors and then overheated in a tower receiver.
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.The object mentioned in the introduction is achieved according to the invention in that a heat transfer medium is supplied to at least one first group of fuel line collectors and a second group of fuel line collectors, the fuel line collectors of each group being connected in series with respect to a guide direction of the heat transfer medium and the same geographic orientation of their longitudinal direction, and wherein the focal line collectors of the first group have a different geographical orientation of their longitudinal direction than the focal line collectors of the second group. As a result, the heat transfer medium at a given time in the first and / or the second group and possibly other groups at the same time heated while the ability of the respective fuel line collectors to receive solar radiation power are used at this time.
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.In a preferred embodiment, heat transfer medium passes through the first group and the second group in succession. This allows a given amount of the heat transfer medium in each of these groups will absorb thermal energy according to the respective capability of the group to absorb energy. In this case, either the first group or the second group can be run through first.
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.In a further preferred embodiment, heat transfer medium passes through the first and the second group in parallel. As a result, one of their respective ability to absorb energy adapted amount of heat transfer medium can be passed through these groups.
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.In particular, it is advantageous if the mass flow densities of the at least two partial flows are adjusted in time as a function of the position of the sun. As a result, the varying amounts of solar energy that can be absorbed by the fuel line collector groups in the course of the times of the day, such as the seasons, can be taken into account when determining the quantities of the heat transfer medium conducted through them.
Bevorzugterweise werden die mindestens zwei Teilströme durch eine Verteilungsvorrichtung erzeugt. Dadurch kann ihre relative Größe auf einfache Weise reguliert werden.Preferably, the at least two partial streams are generated by a distribution device. This allows their relative size to be regulated easily.
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.In particular, the at least two partial flows are collected after passing through the respective fuel line collectors by a collection device to a total flow. As a result, it is possible to work with the overall flow instead of the partial flows in the further process control.
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.In a preferred embodiment, at least one tower receiver and at least one heliostat associated with the corresponding tower receiver are provided, and the heat transfer medium is supplied to the at least one tower receiver after passing through the focal line collectors. As a result, these two components of the power plant can each assume a task corresponding to their specific advantages in the absorption of solar energy.
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.Advantageously, the heat transfer medium is vaporized in the fuel line collectors and overheated in the at least one tower receiver. As a result, on the one hand the stresses of the fuel line collectors are limited by high pressure and high temperatures, on the other hand, the more expensive tower receiver can be relatively small dimensions.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläutert.Further advantages of the method according to the invention have already been explained in connection with the solar thermal power plant according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.Further advantageous embodiments have also already been explained in connection with the device according to the invention.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments is used in conjunction with the drawings for a more detailed explanation of the invention. Show it:
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, welches in
Der Brennlinienkollektorenabschnitt
Die Brennlinienkollektoren
Ein Brennlinienkollektorfeld
Durch die Brennlinienkollektoren
Die Brennlinienkollektoren
Die Verteilungsvorrichtung
Aus der Zuführungsleitung
In den Gruppen
Die Sammlungsvorrichtung
Vom Ausgang
Der Turmreceiver-Abschnitt
Der Turbinenabschnitt
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks funktioniert wie folgt:
Über die Zuführungsleitung
Via the
Die ersten Teilströme
Die zweiten Teilströme
Die Teilströme
Nach dem Durchlaufen der Brennlinienkollektorfelder
In Dampfform vorliegendes Wärmeträgermedium wird in den Turmreceiver-Abschnitt
Nach dem Durchlaufen des Turmreceiver-Abschnitts
Nachfolgend wird dem Wärmeträgermedium beim Durchlaufen des Kondensators
Somit wird bei dem Betreiben eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks nach dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren flüssiges Wärmeträgermedium erster Teilströme
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.In such a method, a larger proportion of the total solar energy that can be absorbed by the various components of the solar thermal power plant can be used than in a method in which all the fuel line collectors have the same orientation of their longitudinal direction. Furthermore, the time course of the power generated in the solar thermal power plant is stabilized.
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
Ein Turmreceiver mit zugeordneten Heliostaten kann um die Mittagszeit die meiste Solarenergie aufnehmen. Dies gilt für den Sommer bei einem Verlauf
Eine Gruppe von mit ihrer Längsrichtung in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Parabolrinnenkollektoren zeigt im Sommer einen Verlauf
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.In a solar thermal power plant, only such a group of parabolic trough collectors oriented with their longitudinal direction in the north-south direction can be used to vaporize heat transfer medium, which is then transferred to a tower receiver for overheating. In this case, depending on the relative sizing of the two devices, the group provides either significantly more or significantly less vaporized heat transfer medium during most of a winter day than can be overheated by the tower receiver at any one time.
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.Even in the event that heat transfer medium in a group of aligned with their longitudinal direction in the north-south direction parabolic trough collectors both vaporized and overheated, and then be used to generate electricity in a turbine, resulting in steam surplus and / or steam deficits, as the Turbine must be supplied as constantly as possible with superheated steam.
Der Verlauf
Bei einem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk liegen die beiden Brennlinienkollektorengruppen, deren Leistungsprofile in
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.In a solar thermal power plant according to the invention, it is possible, for example, to respond to the seasonal fluctuations in solar radiation by virtue of the proportion of heat transfer medium which has been conducted through the group of focal line collectors aligned with its longitudinal direction in the west-east direction at the tower receiver or the steam turbine total amount of heat transfer medium in winter compared to the summer is significantly increased.
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.A proportion of the group of aligned with their longitudinal direction in the north-south direction Brennlinienkollektoren and the group of aligned with their longitudinal direction in east-west direction Brennlinienkollektoren of 50% of the total number of Brennlinienkollektoren has been in model calculations for operating a power plant according to the invention Sevillian Seville proved to be preferred.
In
Das solarthermische Kraftwerk
Der Brennlinienkollektorenabschnitt
Beispielhaft sind in jeder Brennlinienkollektorgruppe
Die Brennlinienkollektoren
Die erste Gruppe
Die Verteilungsvorrichtung
In den Brennlinienkollektorfeldern
Über eine Leitung
Der Turmreceiverabschnitt
Der Turbinenabschnitt
Die Turbinenverteilungsvorrichtung
Durch den ersten Ausgang
Die zwischen der zweiten Turbine
Durch den zweiten Ausgang
Die Einspritzverteilungsvorrichtung
Durch eine mit einer Pumpe
Die Speicherverteilungsvorrichtung
Vom ersten Ausgang
Vom zweiten Ausgang
Verdampftes Wärmeträgermedium ist aus dem Wasserabscheider
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