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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen
Kraftwerks, bei dem ein Wärmeträgermedium in einem
Verdampferabschnitt durch Solarstrahlung unter Aufnahme von Wärme
verdampft wird, wobei der Verdampferabschnitt eine Mehrzahl von
Verdampfersträngen aufweist, auf welche das Wärmeträgermedium
verteilt wird.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend
einen Verdampferabschnitt mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen, in
denen Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung unter
Wärmeaufnahme verdampfbar ist.
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In
solarthermischen Kraftwerken wird ein Wärmeträgermedium
durch Solarstrahlung erhitzt. Die thermische Energie des Wärmeträgermediums wird
(teilweise) in einer oder mehreren Turbinen in mechanische Energie
umgewandt. An einem oder mehreren Generatoren wird die mechanische
Energie in elektrische Energie umgewandelt. Es ist dabei auch möglich,
dass dampfförmiges Wärmeträgermedium
als Prozessdampf beispielsweise in einer chemischen Anlage eingesetzt
wird.
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Es
gibt solarthermische Kraftwerke, bei welchen überhitzter
Dampf Dampfturbinen zugeführt wird, und solarthermische
Kraftwerke, welche Gasturbinen aufweisen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art und ein solarthermisches Kraftwerk der eingangs genannten Art
bereitzustellen, bei welchem sich ungleichförmige Bestrahlungssituationen
des Verdampferabschnitts auf effektive Weise berücksichtigen
lassen.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass die Massenstromverteilung an dem Verdampferabschnitt
geregelt wird, wobei die Massenströme individuell an allen
oder einer Mehrheit der Verdampferstränge eingestellt werden
und eine Regelgröße eine Größe
ist, welche einen räumlichen Energieanstieg an einem jeweiligen
Verdampferstrang in einem Bereich des Verdampferstrangs, in dem
Wärmeträgermedium noch nicht verdampft ist, charakterisiert.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird an dem
Verdampferabschnitt die Massenstromverteilung auf die Verdampferstränge
geregelt. Dadurch lässt sich der Dampfgehalt an den Abschnitten
der Verdampferstränge auf einfache Weise regeln. Es sind
keine Sensoren zur Messung der Dampfgehalte notwendig. Solche Sensoren
sind sehr teuer und involvieren auch regelungstechnische Probleme.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Istwert
der Größe, welche den räumlichen Energieanstieg
für das Wärmeträgermedium an einem jeweiligen
Verdampferstrang charakterisiert, mit einem Sollwert verglichen.
Wenn eine Abweichung vorhanden ist, dann wird der Massenstrom an
dem jeweiligen Verdampferstrang so eingestellt, dass sich der Istwert
dem Sollwert annähert.
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Ein
Verdampferabschnitt eines solarthermischen Kraftwerks erstreckt
sich über einen großen Flächenbereich.
Es ist eine Mehrzahl von Verdampfersträngen vorhanden,
wobei die Verdampferstränge wiederum üblicherweise
eine Mehrzahl von Solarkollektoren oder Absorbern aufweisen. Ein
Verdampferstrang kann beispielsweise eine Länge in der
Größenordnung von 1000 m aufweisen. Es können
50 oder mehr Verdampferstränge vorgesehen sein. Dadurch
können in dem Verdampferabschnitt ungleichmäßige
Bestrahlungsbedingungen vorliegen und es können auch unterschiedliche
hydraulische Bedingungen vorliegen. Dies kann dazu führen,
dass beispielsweise in einem Verdampferstrang dampfförmiges
Wärmeträgermedium erzeugt und überhitzt
wird, während in einem anderen Verdampferstrang gar keine
Verdampfung erfolgt. Durch die erfindungsgemäße
Lösung lassen sich auf einfache Weise solche unterschiedlichen
Bedingungen berücksichtigen und durch eine angepasste Verteilung
des Wärmeträgermediums (über Einstellung
der Massenströme) lassen sich diese unterschiedlichen Bedingungen
berücksichtigen. Dadurch wiederum lässt sich die
Erzeugung von dampfförmigem Wärmeträgermedium an
dem Verdampferabschnitt optimieren.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung ist es auf
einfache Weise möglich, an allen Verdampfersträngen
des Verdampferabschnitts am jeweiligen Ausgang den gleichen Dampfzustand
(das heißt den gleichen Dampfgehalt) einzustellen. Dies
erfolgt ohne Messung des Dampfzustands über die Berücksichtigung
des räumlichen Anstiegs der Größe, welche
den Energieanstieg am Wärmeträgermedium charakterisiert,
insbesondere am Anfangsbereich eines Verdampferstrangs. Beispielsweise
lässt sich ein räumlicher Temperaturanstieg im
Anfangsbereich eines Verdampferstrangs als Enthalpie-Anstieg interpretieren
und über die gesamte Länge eines Verdampferstrangs
extrapolieren; dadurch erhält man angenähert die
Austrittsenthalpie bzw. den Austrittsdampfgehalt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung hat die Regelung
das Ziel, den Zustand am Austritt eines Verdampferstrangs in allen
Verdampfersträngen möglichst gleich einzustellen
und eine Austrocknung an einzelnen Verdampfersträngen zu
vermeiden.
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Der
Dampfgehalt am Austritt eines Verdampferstrangs, der Bestrahlungszustand
für einen Verdampferstrang und der Massenstrom an einem
Verdampferstrang muss zur Einstellung des Dampfzustands an dem jeweiligen
Austritt der Verdampferstränge nicht gemessen werden.
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Grundsätzlich
ist es möglich, dass die Massenströme an allen
Verdampfersträngen des Verdampferabschnitts individuell
eingestellt werden. Alternativ ist es möglich, dass die
Massenströme nicht an allen Verdampfersträngen
eingestellt werden, sondern nur an einer Mehrheit der Verdampferstränge.
Der oder die "verbleibenden" Verdampferstränge, an welchen
kein Eingriff erfolgt, können dann als Referenzstrang bzw.
Referenzstränge für andere Verdampferstränge
dienen.
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Die
Energieaufnahme des Wärmeträgermediums in einem
Verdampferstrang lässt sich beispielsweise über
Ermittlung eines räumlichen Temperaturanstiegs in einem
Vorwärmbereich eines Verdampferstrangs bestimmen. Auch
aus der räumlichen Veränderung von anderen Größen
wie beispielsweise der Dichte oder der spezifischen Wärmekapazität
oder der spezifischen Enthalpie des Wärmeträgermediums
lässt sich die Energieaufnahme und damit der räumliche
Energieanstieg bestimmen. Auch aus der Ermittlung einer Rohrwandtemperatur kann
auf den räumlichen Energieanstieg geschlossen werden.
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Es
ist möglich, dass der Verdampferabschnitt als Kollektorfeld
ausgebildet ist, welcher eine Mehrzahl von Brennlinienkollektoren
umfasst. Bei einem solchen Brennlinienkollektor ist ein Absorber
in einem Fokalbereich eines Solarstrahlungskollektors angeordnet.
Es ist auch möglich, dass der Verdampferabschnitt beispielsweise
an einem Turmreceiver eines Turmkraftwerks realisiert ist, wobei
das Wärmeträgermedium in einem Absorber strömt.
Solarstrahlung wird beispielsweise über Heliostate auf
diesen Absorber zur Erhitzung des Wärmeträgermediums
gerichtet.
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Insbesondere
ist ein Sollwert der Regelgröße für alle
Verdampferstränge oder für eine Mehrheit der Verdampferstränge
des Verdampferabschnitts gleich. Dies bedeutet, dass der Sollwert
für alle Verdampferstränge oder zumindest für
eine Mehrheit der Verdampferstränge des Verdampferabschnitts
gleich ist.
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Dadurch
erhält man auf einfache Weise eine Vergleichmäßigung
der Direktverdampfung des flüssigen Wärmeträgermediums
an dem Verdampferabschnitt, auch wenn beispielsweise räumlich
ungleichmäßige Bestrahlungsbedingungen vorliegen.
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Günstig
ist es, wenn ein Istwert der Regelgröße an einem
Verdampferstrang über eine Länge von höchstens
200 m und insbesondere höchstens 150 m des Verdampferstrangs
ab einem Eingang des Verdampferstrangs (bezogen auf eine Verteilungsleitung)
ermittelt wird. Dadurch lässt sich gewährleisten,
dass der Energieanstieg in einem Bereich ermittelt wird, in dem
das Wärmeträgermedium noch nicht verdampft wird.
Insbesondere wird die Temperatur in einem Bereich eines Verdampferstrangs
ermittelt, in dem das flüssige Wärmeträgermedium
noch flüssig ist und sensitiv Wärme aufnimmt.
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Es
ist ferner günstig, wenn ein Istwert der Regelgröße
an einem Verdampferstrang an einem oder mehreren bezogen auf einen
Eingang des Verdampferstrangs vorderen Solarkollektoren oder vorderen
Absorbern des Verdampferstrangs bestimmt wird. Dadurch ist gewährleistet,
dass die Ermittlung in einem Bereich gemessen wird, in dem das Wärmeträgermedium
noch flüssig ist.
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Bei
einer günstigen Ausführungsform wird ein Istwert
der Regelgröße an einem ersten Solarkollektor
oder ersten Absorber eines Verdampferstrangs bestimmt. Der erste
Solarkollektor oder erste Absorber des Verdampferstrangs ist derjenige,
welcher der Verteilungsleitung, über welche flüssiges
Wärmeträgermedium in den Verdampferstrang eingekoppelt wird,
am nächsten ist. Es lässt sich dadurch sicherstellen,
dass der räumliche Energieanstieg an flüssigem
Wärmeträgermedium ermittelt wird.
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Insbesondere
wird ein Istwert der Regelgröße zwischen einem
Eingang und einem Ausgang des ersten Solarkollektors oder des ersten
Absorbers bestimmt. Dadurch lässt sich der räumliche
Energieanstieg auf einfache Weise ermitteln.
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Der
räumliche Temperaturanstieg ist ein Beispiel für
eine Größe, durch die die Energieaufnahme in einem
Verdampferstrang auf einfache Weise ermittelt werden kann.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Regelgröße
ein räumlicher Temperaturanstieg ist und ein Istwert des
räumlichen Temperaturanstiegs an den Verdampfersträngen
oder einer Mehrheit der Verdampferstränge aus Temperaturmesswerten
des Wärmeträgermediums bestimmt wird. Die Temperatur
lässt sich auf einfache Weise messen und der räumliche
Temperaturanstieg lässt sich dadurch auf einfache Weise
mindestens näherungsweise ermitteln bzw. abschätzen.
Dadurch wiederum lässt sich das erfindungsgemäße
Regelungsverfahren auf einfache Weise durchführen.
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Insbesondere
werden für das Wärmeträgermedium an mindestens
zwei beabstandeten Stellen Temperaturmesswerte des Wärmeträgermediums
ermittelt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der räumliche
Temperaturanstieg als Istwert zur Einregelung auf einen Sollwert
bestimmen.
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Günstigerweise
wird einem Verdampferstrang eine Massenstrom-Einstellungseinrichtung zugeordnet,
durch die der Massenstrom an dem Verdampferstrang einstellbar ist.
Durch Steuerung des Massenstroms lässt sich eine Einregelung
des Istwerts der Regelgröße auf einen Sollwert
bewirken. Dadurch wiederum lassen sich ungleichmäßige
Bestrahlungsbedingungen und auch ungleichmäßige hydraulische
Verhältnisse in Bezug auf die Austrittsparameter des jeweiligen
Verdampferstrangs berücksichtigen. Ungleichmäßige
hydraulische Verhältnisse können beispielsweise
durch unterschiedliche Längen und Formen von Zuleitungen,
unterschiedliche Einbauten usw. verursacht sein.
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Günstigerweise
wird der Massenstrom an einem Verdampferstrang so eingestellt, dass
ein Istwert der Regelgröße an dem Verdampferstrang
auf einen Sollwert der Regelgröße eingeregelt
wird. Dadurch lässt sich der Verdampferabschnitt auf einfache
Weise regeln.
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Insbesondere
sind die Verdampferstränge an dem Verdampferabschnitt parallel
angeordnet. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise Wärmeträgermedium
aufteilen. Es kann dadurch ein großer effektiver Flächenbereich
durchströmt werden, um so wiederum effektiv Wärme
durch Solarstrahlung aufnehmen zu können.
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Bei
einer Ausführungsform wird Wärmeträgermedium
von den Verdampfersträngen in einen oder mehrere Flüssigkeit-Dampf-Abscheider
geführt. An diesem oder diesen kann noch flüssiges
Wärmeträgermedium von dampfförmigem Wärmeträgermedium
getrennt werden. Das flüssige Wärmeträgermedium
kann zu den Verdampfersträngen zurückgeführt (rezirkuliert)
werden.
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Das
dampfförmige Wärmeträgermedium kann beispielsweise
einem Überhitzerabschnitt zugeführt werden.
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Es
ist günstig, wenn flüssiges Wärmeträgermedium
rezirkuliert wird. Man erhält dadurch bei der solaren Direktverdampfung
eine Stabilisierung des Prozesses.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform wird Wärmeträgermedium
von dem Verdampferabschnitt direkt in einen Überhitzerabschnitt
geführt. Dieser Durchlauf ist nicht durch einen Abscheider
unterbrochen.
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Günstig
ist es, wenn verdampftes Wärmeträgermedium einem Überhitzerabschnitt
zugeführt wird, in dem es durch Solarstrahlung unter Wärmeaufnahme überhitzt
wird. Überhitztes Wärmeträgermedium lässt
sich beispielsweise als Prozessdampf verwenden oder es kann eine
oder mehrere Dampfturbinen antreiben.
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Insbesondere
umfasst ein Verdampferstrang einen oder mehrere Solarkollektoren
und/oder eine oder mehrere Absorbereinrichtungen. Bei den Solarkollektoren
handelt es sich insbesondere um Brennlinienkollektoren wie Rinnenkollektoren
oder Fresnel-Kollektoren. An einem Solarkollektor wird Solarstrahlung
auf einen Absorber konzentriert, welcher insbesondere fokal zu einem
Kollektorteil des Solarkollektors angeordnet ist. Eine Absorbereinrichtung kann
beispielsweise auf einem Turmreceiver angeordnet sein, auf welchen
Solarstrahlung gebündelt durch Heliostate gerichtet wird.
Bei dem letztgenannten Ausführungsbeispiel ist der Verdampferabschnitt mit
seinen Verdampfersträngen an einem Turmreceiver angeordnet.
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Die
eingangs genannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten solarthermischen
Kraftwerk erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass Massenstrom-Einstellungseinrichtungen vorgesehen sind, welche
jeweils Verdampfersträngen zugeordnet sind, Temperaturmesseinrichtungen
vorgesehen sind, welche jeweils Verdampfersträngen zugeordnet sind, über
die an räumlich beabstandeten Stellen die Temperatur des
Wärmeträgermediums an dem jeweiligen Verdampferstrang
messbar ist, und eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung vorgesehen
ist, welche den räumlichen Temperaturanstieg an den jeweiligen
Verdampfersträngen durch Steuerung der Massenstrom-Einstellungseinrichtung
regelt.
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Das
erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk weist
bereits die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erläuterten Vorteile auf. Der räumliche
Temperaturanstieg ist die Regelgröße.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
solarthermischen Kraftwerks wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
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Insbesondere
steuert die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die Massenstrom-Einstellungseinrichtungen
so, dass ein Istwert des räumlichen Temperaturanstiegs
bei allen Verdampfersträngen oder bei einer Mehrheit der Verdampferstränge
auf einen Sollwert des räumlichen Temperaturanstiegs eingeregelt
wird.
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Bei
einer einfachen Ausführungsform umfassen die Massenstrom-Einstellungseinrichtungen
jeweils mindestens ein Regelventil, durch das der Massenstrom an
einem Verdampferstrang einstellbar ist.
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Es
ist günstig, wenn die Temperaturmesseinrichtungen jeweils
mindestens einen Temperatursensor umfassen. Es lässt sich
dadurch eine Temperaturdifferenz ermitteln. Dadurch wiederum lässt
sich der räumliche Temperaturanstieg ermitteln. Es ist
dabei möglich, dass mindestens zwei Temperatursensoren
an den jeweiligen Verdampfersträngen angeordnet sind. Es
ist alternativ auch möglich, dass nur ein Temperatursensor
an einem Verdampferstrang angeordnet ist und ein weiterer Temperatursensor
an einer Verteilerleitung, an welche die Verdampferstränge
des Verdampferabschnitts angeschlossen sind, angeordnet ist. Dieser
Temperatursensor an dem Verteiler misst zentral die Temperatur des
Speise-Wärmeträgermediums für den Verdampferabschnitt.
Es muss dann die Temperatur an einem Eintritt der Verdampferstränge
nicht gemessen werden. Wenn über mindestens zwei Temperatursensoren
die Temperaturen an den jeweiligen Verdampfersträngen gemessen
werden, dann können unterschiedliche Temperaturverluste
und unterschiedliche Durchlaufzeiten in Zuleitungen zu dem jeweiligen
Verdampferstrang berücksichtigt werden und die aus solchen unterschiedlichen
Verhältnisse resultierenden Ungenauigkeiten sind vermieden.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Temperatur
des Speise-Wärmeträgermediums in einem Verteiler
zu dem Verdampferabschnitt nicht gemessen wird, sondern als zeitlich
konstant angenommen wird.
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Es
ist insbesondere günstig, wenn an einem Verdampferstrang
mindestens zwei Temperatursensoren angeordnet sind. Dadurch lassen
sich beispielsweise unterschiedliche Temperaturverluste und unterschiedliche
Durchlaufzeiten in Zuleitungen zu dem jeweiligen Verdampferstrang
berücksichtigen, da die Temperaturen an dem entsprechenden
Verdampferstrang mit mindestens zwei Temperatursensoren direkt am
Verdampferstrang ermittelbar sind.
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Günstigerweise
ist ein maximaler Abstand des ersten Temperatursensors und des letzten
Temperatursensors 200 m und insbesondere 150 m. Dadurch ist gewährleistet,
dass die Temperaturmessung zur Bestimmung des räumlichen
Temperaturanstiegs außerhalb eines Bereichs erfolgt, in
dem Wärmeträgermedium bereits verdampft ist.
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Insbesondere
ist der erste Temperatursensor an oder in der Nähe eines
Eingangs des jeweiligen Verdampferstrangs angeordnet. Dadurch erhält
man auf einfache Weise einen "minimalen" Eingangswert, auf dessen
Grundlage der räumliche Temperaturanstieg bestimmbar ist.
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Es
ist ferner günstig, wenn der letzte Temperatursensor an
oder in der Nähe eines Ausgangs eines ersten Solarkollektors
oder ersten Absorbers des jeweiligen Verdampferstrangs angeordnet
ist. Dadurch muss der entsprechende Solarkollektor oder Absorber
nicht oder nur minimal modifiziert werden. Ferner lässt
sich gewährleisten, dass der räumlich letzte Temperaturwert
in einem Bereich bestimmt wird, in dem das Wärmeträgermedium
noch flüssig ist und nicht verdampft ist.
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Insbesondere
sind die Temperatursensoren zwischen einem Eingang und einem Ausgang
eines ersten Solarkollektors oder ersten Absorbers des jeweiligen
Verdampferstrangs angeordnet. Dadurch lässt sich auf einfache
Weise eine Temperaturdifferenz über den ersten Solarkollektor
oder ersten Absorbers ermitteln, auf dessen Grundlage der räumliche
Temperaturanstieg ermittelbar ist. Weiterhin können sowieso
vorhandene Temperatursensoren verwendet werden.
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Vorteilhafterweise
sind die Verdampferstränge des Verdampferabschnitts parallel
angeordnet. Dadurch lässt sich Wärmeträgermedium
in dem Verdampferabschnitt parallel aufteilen. Dadurch lässt sich
Wärmeträgermedium in einem großen Flächenbereich
führen, so dass wiederum effektiv Wärme durch
Solarstrahlung aufgenommen werden kann.
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Insbesondere
umfasst ein Verdampferstrang jeweils mindestens einen Solarkollektor
und vorzugsweise eine Mehrzahl von Solarkollektoren und/oder einen
oder mehrere Absorber für Solarstrahlung. Dadurch lässt
sich auf einfache Weise Wärmeträgermedium-Dampf
erzeugen.
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Es
ist möglich, dass die Verdampferstränge in einen
oder mehrere Flüssigkeit-Dampf-Abscheider münden.
Dadurch lässt sich flüssiges Wärmeträgermedium, welches
nicht verdampft ist, von dampfförmigem Wärmeträgermedium
trennen. Das flüssige Wärmeträgermedium
lässt sich beispielsweise rezirkulieren und das dampfförmige
Wärmeträgermedium kann einem Überhitzerabschnitt
zur solaren Überhitzung zugeführt werden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform münden die
Verdampferstränge in einen Überhitzerabschnitt.
Das Wärmeträgermedium durchläuft dann den
Verdampferabschnitt und tritt in den Überhitzerabschnitt
ein, ohne dass ein Abscheider durchlaufen werden muss.
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Günstigerweise
ist ein Überhitzerabschnitt vorgesehen, welcher dem Verdampferabschnitt
bezogen auf eine Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums
nachfolgt. In dem Überhitzerabschnitt lässt sich
dampfförmiges Wärmeträgermedium überhitzen.
Es kann dadurch effektiv zur Stromerzeugung in einer Dampfturbine
genutzt werden.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks;
und
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2 eine
schematische Darstellung des Verlaufs der Temperatur eines Wärmeträgermediums in
einem Verdampferstrang über die Länge des Verdampferstrangs.
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Ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 schematisch
gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Verdampferabschnitt 12 und
einen Überhitzerabschnitt 14. In dem Verdampferabschnitt 12 wird
flüssiges Wärmeträgermedium, wie beispielsweise
Wasser, durch Wärmeaufnahme von Solarstrahlung verdampft.
In dem Überhitzerabschnitt 14 wird das dampfförmige
Wärmeträgermedium, welches vom Verdampferabschnitt 12 kommt, überhitzt.
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Der
Verdampferabschnitt 12 umfasst eine Mehrzahl von Verdampfersträngen 16a, 16b usw.
Die Verdampferstränge 16a, 16b sind parallel
angeordnet; auf sie wird Wärmeträgermedium parallel
aufgeteilt.
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Ein
Verdampferstrang 16a, 16b wiederum umfasst eine
Mehrzahl von Solarkollektoren 18a, 18b, ..., 18d,
welche hintereinander (in Reihe geschaltet) angeordnet sind. Wärmeträgermedium, welches
durch einen Verdampferstrang 16a, 16b strömt,
muss alle Solarkollektoren 18a, 18b, ..., 18d des
Verdampferstrangs 16a, 16b durchströmen.
Der Verdampferstrang 16a, 16b hat dabei einen
ersten Solarkollektor 18a und einen letzten Solarkollektor 18d.
Der erste Solarkollektor 18a ist benachbart einem Eingang
des Verdampferstrangs 16a, 16b (für Wärmeträgermedium)
und der letzte Solarkollektor 18d ist benachbart einem
Ausgang des Verdampferstrangs 16a, 16b (für
Wärmeträgermedium).
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Die
Solarkollektoren 18a usw. eines Verdampferstrangs 16a, 16b sind
insbesondere Brennlinienkollektoren wie Rinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren.
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An
den Solarkollektoren 18a usw. wird Wärmeträgermedium
bis zur Verdampfung erhitzt.
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In
einem vorderen Bereich der Verdampferstränge 16a, 16b erfolgt
die Aufnahme von sensibler Wärme durch das Wärmeträgermedium
unter Temperaturerhöhung. Die Verdampfung erfolgt nicht
unmittelbar nach dem Eingang in den jeweiligen Verdampferstrang 16a, 16b,
sondern erst nach einem bestimmten Längenbereich. Beispielsweise
erfolgt die Verdampfung erst nach Durchlaufen des ersten Solarkollektors 18a des
jeweiligen Verdampferstrangs 16a, 16b.
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Den
Verdampfersträngen 16a, 16b ist jeweils eine
Massenstrom-Einstellungseinrichtung 20a, 20b zugeordnet.
Diese umfasst insbesondere jeweils ein (oder mehrere) Regelventile 22a, 22b.
Durch eine definierte Einstellung der jeweiligen Steuerventile 22a, 22b wird
der Massenstrom, welcher durch den zugeordneten Verdampferstrang 16a, 16b strömt, definiert
eingestellt.
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Jedem
Verdampferstrang 16a, 16b ist eine jeweilige Temperaturmesseinrichtung 24a, 24b zugeordnet.
Diese umfasst jeweils einen ersten Temperatursensor 26 und
(mindestens) einen zweitem Temperatursensor 28. Der erste
Temperatursensor 26 ist vor einem Eingang des ersten Solarkollektors 18a in der
unmittelbaren Nähe dieses Eingangs angeordnet und der zweite
Temperatursensor 28 ist an einem Ausgang des ersten Solarkollektors 18a und
einem Eingang des nächsten Solarkollektors 18b angeordnet. Über
die Temperatursensoren 26 und 28 lässt sich
der Temperaturanstieg an dem ersten Solarkollektor 18a ermitteln.
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Das
solarthermische Kraftwerk 10 umfasst eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 30.
Diese ist signalwirksam mit den Massenstrom-Einstellungseinrichtungen 20a, 20b verbunden.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 30 gibt Signale an
die Regelventile 22a, 22b ab, durch welche diese
individuell steuerbar sind. Dadurch sind die Massenströme,
welche die jeweiligen Verdampferstränge 16a, 16b durchströmen,
individuell einstellbar.
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Die
Steuerungs-/Regelungseinrichtung 30 ist ferner signalwirksam
mit den Temperaturmesseinrichtungen 24a, 24b verbunden.
Diese liefern ihre Messsignale an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 30,
welche auf Grundlage dieser Messwerte, wie unten noch näher
erläutert wird, die Massenstrom-Einstellungseinrichtungen 20a, 20b steuert.
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Es
ist dabei möglich, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung
die Messwerte der Temperatursensoren 26 und 28 "ungefiltert"
erhält. Es kann aber auch bereits eine Vorauswertung durchgeführt
werden, indem beispielsweise in einem Differenzbildner 32 die
Temperaturdifferenz der gemessenen Temperaturen berechnet wird und
nur dieses Differenzsignal der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 30 bereitgestellt
wird.
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Die
Verdampferstränge 16a, 16b münden
in einen Flüssigkeit-Dampf-Abscheider 34. In diesem lässt
sich flüssiges Wärmeträgermedium von
dampfförmigem Wärmeträgermedium trennen.
Der Flüssigkeit-Dampf-Abscheider 34 weist einen
ersten Ausgang 36 für Flüssigkeit auf
und einen zweiten Ausgang 38 für dampfförmiges
Wärmeträgermedium.
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An
den ersten Ausgang 36 ist eine Leitung 40 angeschlossen.
Diese Leitung 40 mündet in eine Leitung 42,
an welche wiederum die Verdampferstränge 16a, 16b über
die jeweiligen Massenstrom-Einstellungseinrichtungen 20a, 20b angeschlossen
sind. Die Leitung 42 ist eine Versorgungsleitung für
flüssiges Wärmeträgermedium, welches von
der Leitung 42 auf die Verdampferstränge 16a, 16b aufteilbar
ist; sie ist ein Verteiler für Wärmeträgermedium
auf die Verdampferstränge 16a, 16b.
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An
der Leitung 42 ist eine Pumpe 44 zur Beförderung
des flüssigen Wärmeträgermediums angeordnet.
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Durch
Einkopplung von flüssigem Wärmeträgermedium,
welches von dem Flüssigkeit-Dampf-Abscheider 34 bereitgestellt
wird, in die Leitung 42, lässt sich flüssiges
Wärmeträgermedium in dem Verdampferabschnitt 12 rezirkulieren.
Das rezirkulierte Wärmeträgermedium ist dabei
durch Durchlaufen des Verdampferabschnitts 12 bereits erhitzt.
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Der Überhitzerabschnitt 14 ist
mit dem zweiten Ausgang 38 des Flüssigkeit-Dampf-Abscheiders 34 verbunden. Über
diesen wird dem Überhitzerabschnitt 14 dampfförmiges
Wärmeträgermedium bereitgestellt, welches in dem Überhitzerabschnitt 14 überhitzt
wird.
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Der Überhitzerabschnitt
umfasst eine Mehrzahl von Überhitzerabschnitten 46a, 46b, 46c.
Die Überhitzerabschnitte 46a, 46b, 46c sind
parallel zueinander angeordnet. Dampfförmiges Wärmeträgermedium,
welches von dem Flüssigkeit-Dampf-Abscheider 34 bereitgestellt
wird, lässt sich auf die Überhitzerabschnitte 46a, 46b, 46c aufteilen.
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Beispielsweise
umfassen die Überhitzerabschnitte 46a, 46b, 46c jeweils
eine Mehrzahl von Solarkollektoren 48 wie beispielsweise
Brennlinienkollektoren zur Überhitzung des dampfförmigen
Wärmeträgermediums. Es ist grundsätzlich
auch möglich, dass die Überhitzerabschnitte beispielsweise
an einem Turmreceiver realisiert sind.
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Dem Überhitzerabschnitt 14 nachgeordnet ist
eine Generatoreinrichtung 50. Diese umfasst beispielsweise
eine oder mehrere Dampfturbinen, an denen durch Entspannung des
erzeugten dampfförmigen Wärmeträgermediums
Rotationsenergie erzeugbar ist, die wiederum durch einen Stromgenerator
in elektrische Energie umwandelbar ist.
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Dabei
entstehendes flüssiges Wärmeträgermedium
wird über die Leitung 42 abgeführt.
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Der Überhitzerabschnitt 14 stellt überhitztes dampfförmiges
Wärmeträgermedium bereit, wobei dieses dampfförmige
Wärmeträgermedium durch Wärmeaufnahme
von Solarstrahlung erzeugt wurde. Für bestimmte Anwendungen
lässt sich dieses überhitzte Wärmeträgermedium
auch als Prozessdampf direkt nutzen. In diesem Fall ist die Generatoreinrichtung 50 durch
die entsprechende Anwendung ersetzt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren funktioniert wie folgt:
Flüssiges
Wärmeträgermedium wird über die Leitung 42 dem
Verdampferabschnitt 12 zur Verfügung gestellt.
Dort wird es auf die Verdampferstränge 16a, 16b usw.
aufgeteilt. In den jeweiligen Verdampfersträngen 16a, 16b wird
es erhitzt und verdampft. In dem Flüssigkeit-Dampf-Abscheider 34 wird
nicht-verdampftes Wärmeträgermedium von dampfförmigem Wärmeträgermedium
getrennt und in die Leitung 42 rezirkuliert.
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Der
Verdampferabschnitt 12 ist durch ein Feld von Solarkollektoren 18a usw.
der Verdampferstränge 16a, 16b usw. gebildet.
Er nimmt einen relativ großen Raumbereich ein. Die Einstrahlungsbedingungen
an unterschiedlichen Verdampfersträngen 16a, 16b können
unterschiedlich sein.
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Um
eine hohe Stabilität der Dampferzeugung zu erhalten, ist
eine Einstellung der Massenströme bezüglich des
Dampfgehalts an den Verdampfersträngen 16a, 16b gewünscht.
Grundsätzlich können dazu entsprechende Dampfgehaltsensoren vorgesehen
werden. Diese weisen jedoch regelungstechnische Nachteile auf und
sind auch sehr kostenrelevant.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung ist die Regelgröße
für den Verdampferabschnitt 12 ein Sollwert des
räumlichen Temperaturanstiegs des Wärmeträgermediums
an den Verdampfersträngen 16a, 16b.
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In 2 ist
schematisch ein typischer Temperaturverlauf an einem Verdampferstrang über
die Länge L gezeigt. Es gibt einen ersten Bereich 52,
in dem die Temperatur ansteigt. In einem zweiten Bereich 54 fällt
die Temperatur langsam ab. In dem zweiten Bereich 54 erfolgt
die Verdampfung des Wärmeträgermediums. In dem
ersten Bereich 52 erfolgt eine Aufnahme sensibler Wärme.
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Bei
dem gezeigten Beispiel ist die Eintrittstemperatur in den entsprechenden
Verdampferstrang 260°C und der Verdampferstrang weist eine
Gesamtlänge von 900 m auf. Die Verdampfung setzt bei einer Länge
L von ca. 230 m ein. Die Solarkollektoren 18a usw. eines
Verdampferstrangs 16a haben dabei eine Länge von
ca. 100 m bis 150 m.
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Der
Temperaturanstieg in dem ersten Bereich 52 ist zumindest
näherungsweise linear.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung sind der erste
Temperatursensor 26 und der zweite Temperatursensor 28 (und
gegebenenfalls weitere Temperatursensoren) in dem ersten Bereich 52 angeordnet. Sie
erfassen dadurch die Temperatur des Wärmeträgermediums
in einem Erhitzungsbereich, in dem das Wärmeträgermedium
noch nicht dampfförmig ist.
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Insbesondere
ist der zweite Temperatursensor 28 unterhalb von L = 200
m angeordnet.
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Bei
dem oben beschriebenen vorteilhaften Ausführungsbeispiel
ist der zweite Temperatursensor 28 zwischen dem ersten
Solarkollektor 18a und dem darauffolgenden zweiten Solarkollektor 18b angeordnet,
d. h. die Temperatursensoren 26 und 28 sind zwischen
einem Eingang und einem Ausgang des ersten Solarkollektors 18a angeordnet.
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Die
Temperatursensoren 26, 28 liefern Temperaturmesswerte, über
die sich mindestens näherungsweise der Temperaturverlauf
in dem ersten Bereich 52 bestimmen lässt. Aus
ihnen lässt sich ein Istwert des räumlichen Temperaturanstiegs
in den jeweiligen Verdampfersträngen 16a, 16b usw.
ermitteln. Die Regelgröße ist ein Sollwert des
räumlichen Temperaturanstiegs, wobei dieser Sollwert für
alle Verdampferstränge 16a, 16b usw.
oder zumindest für eine Mehrheit dieser Verdampferstränge
gleich vorgegeben wird.
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Die
Istwerte werden der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 30 bereitgestellt.
Diese stellt dann individuell den Massenstrom durch die Massenstromeinrichtungen 20a, 20b usw.
für die zugeordneten Verdampferstränge 16a, 16b usw. ein,
und zwar in einem Regelkreis derart, dass auf den Sollwert des räumlichen
Temperaturanstiegs geregelt wird.
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Dadurch
lassen sich auf einfache Weise unterschiedliche räumliche
Einstrahlungsbedingungen an dem Verdampferabschnitt 12 berücksichtigen
und man erhält eine effektive Verdampfung des flüssigen Wärmeträgermediums
an dem Verdampferabschnitt 12.
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Weiterhin
lassen sich zusätzlich zu ungleichförmigen Bestrahlungssituationen
an dem Verdampferabschnitt 12 auch unsymmetrische hydraulische Verhältnisse
berücksichtigen und ausgleichen. Durch das erfindungsgemäße
Verfahren lässt sich eine angepasste Massenstromverteilung
an dem Verdampferabschnitt 12 auf die einzelnen Verdampferstränge 16a, 16b usw.
erreichen, wobei eine individuelle Massenstromanpassung an individuellen
Verdampfersträngen 16a, 16b möglich
ist.
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Der
bereitgestellt Dampf wird dann in dem Überhitzerabschnitt
14 überhitzt.
Der überhitzte Dampf kann dann in der Generatoreinrichtung
50 oder
als Prozessdampf genutzt werden. An dem Überhitzerabschnitt
mit seinen Überhitzungssträngen kann eine Massenstromeinstellung
mit Hilfe des in der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung Nr.
10 2007 005 562.7 vom 24. Januar 2007 des gleichen Anmelders
beschrieben ist, verwendet werden.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das dampfförmige
Wärmeträgermedium von dem Verdampferabschnitt
direkt in den Überhitzerabschnitt ohne Durchlaufen eines
Abscheiders geführt.
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Es
ist möglich, dass die Verdampfung (und gegebenenfalls auch
die Überhitzung) des Wärmeträgermediums
nicht in Brennlinienkollektoren erfolgt, sondern an einem Absorber,
auf welchen Solarstrahlung beispielsweise über Heliostate
gerichtet wird. In einem solchen Fall ist der Verdampferabschnitt
insbesondere an einem Turmreceiver angeordnet.
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Es
ist ferner möglich, dass beispielsweise an einem Verdampferstrang
nur ein Temperatursensor entsprechend dem Temperatursensor 28 angeordnet ist.
Ein weiterer Temperatursensor 56 ist an der Leitung 42 als
Zuleitung und Verteilungsleitung für die Verdampferstränge 16a, 16b angeordnet.
Der räumliche Temperaturanstieg wird dann über
die Temperatur des Wärmeträgermediums vor dem
Eintritt in die Verdampferstränge 16a, 16b und über
die Temperatur nach dem ersten Solarkollektor 18a usw.
ermittelt.
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Wenn
die Temperatur in der Leitung 42, mit welcher das Wärmeträgermedium
den Verdampfersträngen 16a, 16b zugeführt
wird, bekannt ist und als konstant angenommen wird, dann lässt
sich der räumliche Temperaturanstieg auch nur durch Messung
der Temperaturwerte der entsprechenden Temperatursensoren 28 ermitteln.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird die Energieaufnahme
in einem Verdampferstrang über die Bestimmung des räumlichen
Temperaturanstiegs in einem Vorwärmbereich 54 (in
einem Bereich, in dem noch keine Verdampfung stattfindet) ermittelt. Grundsätzlich
kann die Energieaufnahme auch aus anderen Größen
mit räumlicher Veränderung wie beispielsweise
der Dichte, der spezifischen Wärmekapazität, der
spezifischen Enthalpie oder der Rohrwandtemperatur ermittelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007005562 [0071, 0089]