DE102010009485A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie basierend auf dem Zwangsdurchlauf-Konzept sowie Verwendung des überhitzten Wasserdampfs - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugen von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie basierend auf dem Zwangsdurchlauf-Konzept sowie Verwendung des überhitzten Wasserdampfs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie. Dabei wird ein Dampferzeuger basierend auf dem Zwangsdurchlauf-Konzept eingesetzt. Die Erzeugung von überhitztem Wasserdampf, mit dem beispielsweise eine Dampfturbine angetrieben wird, erfolgt dabei innerhalb eines Wasserrohres mehrstufig, nämlich über Speisewasser-Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung. Die dafür notwendige thermische Energie wird über ein durch Solar-Energie erwärmtes Wärmeträger-Medium bereitgestellt. Zur Erhöhung der Effizienz der Erzeugung des überhitzen Wasserdampfs werden unter anderem Rohrbündel eingesetzt. Im Hinblick auf größere Dampferzeuger-Einheiten wird zudem eine Vielzahl von Dampferzeugern parallel zusammengeschaltet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie und ein Verfahren zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf unter Verwendung der Vorrichtung. Darüber hinaus wird eine Verwendung des überhitzten Wasserdampfs angegeben.
  • Der Einsatz von solarthermischen Kraftwerken als Alternative zur herkömmlichen Strom-Erzeugung ist ein Weg zur Entschärfung der bestehenden Kohlendioxid-Problematik. Dabei wird Solar-Energie (Sonnen-Energie), d. h. elektromagnetische Strahlung der Sonne, in elektrische Energie umgewandelt.
  • Momentan ist ein Großteil der solarthermischen Kraftwerke als solarthermische Kraftwerke mit indirekter Verdampfung ausgeführt. Dabei dienen Solar-Felder mit Parabolrinnen-Kollektoren als Empfänger der Solar-Energie. Alternativ zu den Parabolrinnen-Kollektoren finden Fresnel-Kollektoren als Empfänger der Solar-Energie Anwendung. Anstelle der Solar-Felder kommen auch Solar-Türme zum Einsatz.
  • Ein solarthermisches Kraftwerk mit indirekter Verdampfung weist einen Dampferzeuger auf. Der Dampferzeuger umfasst einen Wärmeträger-Kreislauf (Primär-Kreislauf) mit einem Wärmeträger-Medium und einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (Sekundär-Kreislauf) mit Wasser. Das Wärmeträger-Medium des Wärmeträger-Kreislaufs, beispielsweise ein Thermo-Öl oder eine Salz-Schmelze, nimmt die Solar-Energie in Form von Wärme (thermische Energie) auf. Das Wärmeträger-Medium wird erwärmt. Die durch das Wärmeträger-Medium aufgenommene Wärme wird mit Hilfe von Speisewasser-Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer an das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs übertragen. Dabei wird überhitzter Wasserdampf erzeugt. Die im überhitzten Wasserdampf gespeicherte thermische Energie wird zur Gewinnung der elektrischen Energie genutzt. Es kommt zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie.
  • Die Umwandlung der thermischen Energie des überhitzten Wasserdampfs in elektrische Energie erfolgt im „konventionellen” Teil eines solarthermischen Kraftwerks, beispielsweise mit Hilfe einer Dampfturbine.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie mit Hilfe von Solar-Energie effizient überhitzter Wasserdampf gewonnen werden kann, der für die Gewinnung von elektrischer Energie verwendet werden kann.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie angegeben, aufweisend mindestens einen Wärmeträger-Kreislauf mit einem Wärmeträger-Medium zur Aufnahme der Solar-Energie in Form von Wärme und mindestens einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf mit Wasser, wobei der Wärmeträger-Kreislauf und der Wasser/Wasserdampf-Kreislauf über mindestens einen Dampferzeuger thermisch miteinander gekoppelt sind, durch den Dampferzeuger ein Zwangsdurchlauf-Konzept mit Speisewasser-Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer realisiert ist, mindestens ein Wasserrohr zur Aufnahme des Wassers vorhanden ist, das Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers zum Erwärmen von im Wasserrohr befindlichem, flüssigen Wasser mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt sind, das Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Bereich des Verdampfers zum Überführen des im Wasserrohr befindlichen, erwärmten flüssigen Wassers in Wasserdampf mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt sind und das Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Bereich des Überhitzers zum Überhitzen des im Wasserrohr befindlichen Wasserdampfs mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt sind.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf unter Verwendung der Vorrichtung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen des Wärmeträger-Mediums, b) Umwandeln von Solar-Energie in Wärme des Wärmeträger-Mediums und c) Übertragen der Wärme des Wärmeträger-Mediums auf das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs, wobei der überhitzte Wasserdampf erzeugt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung des mit dem beschriebenen Verfahren erzeugten überhitzten Wasserdampfs zur Gewinnung von elektrischer Energie angegeben, wobei mit Hilfe des überhitzten Wasserdampfs eine Dampfturbine angetrieben wird.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, zur Bildung von überhitztem Wasserdampf Solar-Energie zu nutzen, also die elektromagnetische Strahlung, die von der Sonne ausgesandt wird und die auf die Erdoberfläche trifft. Dazu wird ein geeignetes Dampferzeuger-System bereitgestellt. Der Dampferzeuger bzw. das Dampferzeuger-System basieren auf dem Konzept des Zwangsumlaufs. Innerhalb des Wasserrohres (Rohr, in dem sich das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs befindet) erfolgt die Überführung von flüssigem Wasser in überhitzten Wasserdampf. Dazu sind das Wärmeträger-Medium und das Wasser thermisch miteinander gekoppelt. Es kommt zum Austausch von Wärme zwischen dem Wärmeträger-Medium und dem Wasser. Dies wird vorzugsweise dadurch bewerkstelligt, dass das Wärmeträger-Medium am Wasserrohr vorbeiströmt bzw. vorbeigeleitet wird. Der Austausch von Wärme erfolgt durch Wärmeleitung mittelbar über das Wasserrohr.
  • Der Unterschied zu Naturumlauf-Konzepten liegt beim Zwangsdurchlauf-Konzept in der Wasserführung: Das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs befindet sich immer auf der Rohrseite, also im Rohrinneren des Wasserohres. Da Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung im gleichen Wasserrohr stattfinden, ist im Gegensatz zu den Naturumlauf-Konzepten eine Dampftrommel nicht notwendig.
  • Die Erzeugung des überhitzten Wasserdampfs erfolgt mehrstufig, nämlich über die Speisewasser-Vorwärmung, die Verdampfung (Bildung von Wasserdampf) und die Überhitzung des Wasserdampfs.
  • Um ein Anfahren des Systems zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, mindestens eine Vorrichtung zur Abtrennung von flüssigem Wasser vom Wasserdampf vorzusehen. Diese Vorrichtung umfasst beispielsweise ein am Ausgang des Überhitzers angebrachtes Trenngefäß. Bis die gewünschten Dampf-Parameter erreicht sind, wird der Wasserdampf an einen Kondensator des Trenngefäßes weitergeleitet. Das abgetrennte Wasser wird beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe wieder dem Wasser/Wasserdampf-Kreislauf zugeführt.
  • Zudem kann der Dampferzeuger einen Zwischen-Überhitzer (Zwischen-Überhitzungs-Stufe) aufweisen. Mit dem Zwischen-Überhitzer wird ein Wirkungsgrad erhöht, mit der eine nachgeschaltete Dampfturbine betrieben wird. Mit der Zwischen-Überhitzungs-Stufe wird zusätzlich thermische Energie in den Wasserdampf eingebracht. Das Einbringen der thermischen Energie kann dabei beliebig erfolgen, beispielsweise mit Hilfe von fossilen Brennstoffen. Vorzugsweise wird aber auch die Zwischen-Überhitzungs-Stufe solar-thermisch betrieben: Der Zwischen-Überhitzer weist ein Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr zur Aufnahme des Wasserdampfs auf. Zur Zwischen-Überhitzung wird heißes, mit Hilfe von Solar-Energie erwärmtes Wärmeträger-Medium an dem Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr vorbeigeleitet. Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr und Wärmeträger-Medium sind thermisch miteinander gekoppelt. Durch das Vorbeileiten des Wärmeträger-Mediums wird der Wasserdampf im Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr zusätzlich überhitzt.
  • Für die Speisewasser-Vorwärmung, die Verdampfung und die Überhitzung kann jeweils ein eigener Wärmeträger-Kreislauf vorgesehen sein. Vorzugsweise ist aber für die Speisewasser-Vorwärmung, die Verdampfung und die Überhitzung ein einziger, gemeinsamer Wärmeträger-Kreislauf vorhanden. Dabei ist der Wärmeträger-Kreislauf derart gestaltet, dass das Wärmeträger-Medium nacheinander im Bereich des Überhitzers, im Bereich des Verdampfers und im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers am Wasserrohr vorbeiströmen kann. Wasserrohr und Wärmeträger-Medium werden miteinander in Kontakt gebracht.
  • Der Speisewasser-Vorwärmer, der Verdampfer und der Überhitzer können beliebig zueinander angeordnet sein, beispielsweise horizontal. Um das Vorbeiströmen des Wärmeträger-Mediums am Wasserrohr zu bewirken, wird beispielsweise eine Wärmeträger-Pumpe oder werden mehrere Wärmeträger-Pumpen eingesetzt. Das Wärmeträger-Medium wird am Wasserrohr vorbeigepumpt.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung sind der Speisewasser-Vorwärmer, der Verdampfer und der Überhitzer vertikal übereinander angeordnet, beispielsweise übereinander gestapelt. Durch einen vertikalen Aufbau kann das Vorbeiströmen des Wärmeträger-Mediums am Wasserrohr allein durch die auf das Wärmeträger-Medium wirkende Schwerkraft hervorgerufen werden. Zusätzlich kann auch mindestens eine Wärmeträger-Pumpe eingesetzt werden, um das Vorbeiströmen des Wärmeträger-Mediums (Strömungs-Richtung und/oder Strömungs-Geschwindigkeit) am Wasserrohr zu beeinflussen. Bei dem vertikalen Aufbau sind vorzugsweise der Überhitzer oben, der Verdampfer in der Mitte und der Speisewasser-Vorwärmer unten angeordnet. Das Wärmeträger-Medium strömt von oben nach unten zunächst im Bereich des Überhitzers, dann im Bereich des Verdampfers und schließlich im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers am Wasserrohr vorbei. Mit Hilfe von heißem Wärmeträger-Medium findet die Überhitzung, mit Hilfe von etwas abgekühltem Wärmeträger-Medium die Verdampfung und mit Hilfe von „kaltem” Wärmeträger-Medium die Speisewasser-Vorwärmung statt. So wird über das Wärmeträger-Medium die für die jeweilige Stufe benötigte Wärmemenge auf einfache Weise zur Verfügung gestellt.
  • Der vertikale Aufbau des Dampferzeugers ist nicht nur im Hinblick auf die Strömung des Wärmeträger-Mediums von „oben nach unten” vorteilhaft. Mit dem vertikalen Aufbau wird darüber hinaus eine natürliche Bewegung des Wasserdampfs von „unten nach oben” ausgenutzt.
  • Zur thermischen Kopplung des Wasserrohres und des Wärmeträger-Mediums können der Speisewasser-Vorwärmer, der Verdampfer und der Überhitzer jeweils einen eigenen Druckbehälter (Vorwärm-Druckbehälter, Verdampfer-Druckbehälter und Überhitzer-Druckbehälter) aufweisen. In diesen Druckbehältern ist das Wasserrohr angeordnet. Das Wasserrohr ist durch die Druckbehälter geführt. Die Druckbehälter sind im Fall eines einzigen, gemeinsamen Wärmeträger-Kreislaufs vorzugweise derart miteinander verbunden, dass das Wärmeträger-Medium nacheinander durch den Vorwärm-Druckbehälter, durch den Verdampfer-Druckbehälter und durch den Überhitzer-Druckbehälter strömen kann.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist zur thermischen Kopplung des Wasserrohres und des Wärmeträger-Mediums miteinander das Wasserrohr in einem einzigen Druckbehälter angeordnet, durch den das Wärmeträger-Medium mit mindestens einer bestimmten Strömungs-Richtung strömen kann. Der gemeinsame Druckbehälter weist mindestens einen Wärmeträger-Medium-Einlass und mindestens einen Wärmeträger-Medium-Auslass auf. Über den Wärmeträger-Medium-Einlass wird heißes Wärmeträger-Medium in den Druckbehälter eingebracht und über den Wärmeträger-Medium-Auslass abgekühltes Wärmeträger-Medium abgeführt. Der Wärmeträger-Medium-Einlass befindet sich vorzugsweise im Bereich des Überhitzers und der Wärmeträger-Medium-Auslass im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers.
  • Innerhalb des gemeinsamen Druckbehälters kann das Wärmeträger-Medium einzügig mit einer Strömungs-Richtung oder mehrzügig mit mehreren, voneinander verschiedenen Strömungs-Richtungen durch den Drückbehälter geführt sein. Mehrzügig bedeutet dabei, dass das Wärmeträger-Medium mehrmals jeweils im Bereich des Überhitzers, im Bereich des Verdampfers und/oder im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers am Wasserrohr vorbeiströmt. Beispielsweise wird das Wärmeträger-Medium in einem ersten Zug zunächst im Bereich des Überhitzers, dann im Bereich des Verdampfers und schließlich im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers am Wasserrohr vorbeigeführt. In einem zweiten Zug strömt das Wärmeträger-Medium in die entgegen gesetzte Strömungs-Richtung. Das Wärmeträger-Medium wird beginnend im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers, dann im Bereich des Verdampfers und schließlich im Bereich des Überhitzers am Wasserrohr vorbeigeleitet. Im dritten Zug wechselt wieder die Strömungs-Richtung. Das Wärmeträger-Medium wird wieder entsprechend dem ersten Zug nacheinander im Bereich des Überhitzers, dann im Bereich des Verdampfers und zuletzt im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers am Wasserrohr vorbeigeleitet. Ein- und Mehrzügigkeit des Stromes des Wärmeträger-Mediums kann im Übrigen nicht nur den gemeinsamen Druckbehälter betreffen. Auch im Vorwärm-Druckbehälter, im Verdampfer-Druckbehälter und/oder im Überhitzer-Druckbehälter kann das Wärmeträger-Medium ein- oder mehrzügig am Wasserrohr vorbeigeführt werden.
  • Grundsätzlich kann das Wasserrohr bezüglich der Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums beliebig angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn eine Längsausdehnung des Wasserrohres quer zur Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums angeordnet ist. In dieser Form findet eine effiziente Energie-Übertragung statt. Es liegt eine „Quer-Gegenstromschaltung” vor. Die „Quer-Gegenstromschaltung” kann dabei im Bereich des Vorwärmers, im Bereich des Verdampfers und/oder im Bereich des Überhitzers realisiert sein.
  • Um die Effizienz weiter zu erhöhen, mit der Wärme des Wärmeträger-Mediums auf das Wasser des Wasserrohres übertragen werden kann, ist das Wasserrohr mäanderförmig. Dies bedeutet, dass zumindest einen Mäander (Bogen) des Wasserrohres vorhanden ist. Das Wasserrohr ist gebogen. Bei einem mäanderförmigen Wasserrohr ist im Vergleich zu einem geraden Wasserrohr eine Strömungs-Geschwindigkeit reduziert, mit der das Wärmeträger-Medium am Wasserrohr vorbeigeleitet wird. Zudem kommt es beim Vorbeiströmen zu Verwirbelungen. Beides führt zu einer Erhöhung der Effizienz des Wärmeaustausches.
  • Besonders effizient ist es, wenn eine Vielzahl parallel zueinander angeordneter Wasserrohre vorhanden ist. Es liegt ein Wasserrohr-Bündel vor. Bei gegebenem Rohrvolumen ist eine (Gesamt-)Rohr-Oberfläche, über die die Wärmekopplung des Wärmeträger-Mediums und des Wassers stattfindet, bei einem Wasserrohr-Bündel im Vergleich zu einem einzigen Wasserrohr höher.
  • Bei einem Wasserrohr-Bündel wird beispielsweise das Wasser über einen Verteiler auf die Wasserrohre des Verdampfers verteilt. In jedem der Wasserrohre findet separat die Erzeugung von überhitztem Wasserdampf statt. Über einen Sammler wird der in den einzelnen Wasserrohren gewonnene, überhitzte Wasserdampf wieder zusammengeführt. Der zusammengeführte, überhitzte Wasserdampf wird anschließend an eine Dampfturbine weitergeleitet. Besonders vorteilhaft ist es, eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, mäanderförmigen Wasserrohren vorzusehen.
  • Zur weiteren Erhöhung der Effizienz, mit der Wärme des Wärmeträger-Mediums auf das Wasser des Wasserrohres übertragen werden kann, ist es vorteilhaft, die Strömungs-Richtung (und die Strömungs-Geschwindigkeit) des Wärmeträger-Mediums zu beeinflussen. Das Wärmeträger-Medium kann kanalisiert am Wasserrohr oder an den Wasserrohren vorbei geleitet werden. Dazu ist gemäß einer besonderen Ausgestaltung eine Vielzahl von Umleitblechen zur Veränderung der Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums vorhanden. Beispielsweise sind die Umleitbleche in regelmäßigen Abständen zwischen Mäandern der Wasserrohre eines Rohrbündels angeordnet.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung betrifft beispielsweise das Vorsehen eines zusätzlichen Wärmeträger-Anschlusses im Bereich des Verdampfers. Dieser Anschluss ist am Ausgang des Verdampfers angeordnet. Der damit hervorgerufene zusätzliche heiße Wärmeträger-Medium-Strom sorgt für schnellere Einstellungen eines konstruktiv bedingten Verdampfungs-Endpunkts in den Wasserrohren. Wenn die gewünschten Parameter des überhitzten Wasserdampfs erreicht sind, kann dieser zusätzliche Anschluss gesperrt werden. Eine dann mit dem zusätzlichen Wärmeträger-Medium verbundene zusätzliche Wärmemenge kann beispielsweise für eine Zwischen-Überhitzung genutzt werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Dampferzeugern vorhanden. Vorzugsweise ist die Vielzahl von Dampferzeugern parallel zu einer größeren Dampferzeuger-Einheit zusammengeschaltet.
  • Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
  • 1 zeigt einen Schaltplan eines solaren Parabolrinnenkraftwerks.
  • 2 zeigt einen vertikal aufgestellten Dampferzeuger ohne Trenngefäße in einer seitlichen Ansicht.
  • 3 zeigt einen vertikal aufgestellten Dampferzeuger mit Trenngefäß in einem seitlichen Querschnitt.
  • 4A und 4B zeigen das Funktionsprinzip des Verdampfers.
  • 5 und 6 zeigen weitere Möglichkeiten der Heizflächenaufteilung gemäß der Ausführungsbeispiele nach 4A und 4B.
  • Gegeben ist eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Wasserdampf mittels Solar-Energie. Die Vorrichtung weist einen Wärmeträger-Kreislauf 2 und einen Wasser/Wasserdampfkreislauf 3 auf.
  • Die Kreisläufe sind über mindestens einen Dampferzeuger 4 thermisch miteinander gekoppelt. Über den Dampferzeuger kann ein Austausch von Wärme stattfinden, so dass das Wasser von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase als Wasserdampf überführt wird (1).
  • Mit dem Dampferzeuger ist ein Zwangsdurchlauf-Konzept 44 mit Speisewasser-Vorwärmer 41, Verdampfer 42 und Überhitzer 43 realisiert. Dabei ist mindesten ein Wasserrohr 30 zur Aufnahme von Wasser vorhanden.
  • Zur Übertragung von Wärme, die über das Solarfeld 11 auf das Wärmeträger-Medium 20 des Wärmeträger-Kreislaufes übertragen wird, sind das Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Bereich 40 des Speisewasser-Vorwärmers zum Erwärmen von im Wasserrohr befindlichem, flüssigen Wasser mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt.
  • Ebenso sind das Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Bereich 41 des Verdampfers zum Überführen des im Wasserrohr befindlichen, erwärmten flüssigen Wassers in Wasserdampf mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt. Darüber hinaus sind das Wasserrohr und der Wärmeträger-Kreislauf im Bereich 41 des Überhitzers zum Überhitzen des im Wasserrohr befindlichen Wasserdampfes mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums thermisch miteinander gekoppelt.
  • Beispiel 1:
  • Speisewasser-Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer sind vertikal übereinander in einem gemeinsamen Druckbehälter 43 übereinander gestapelt (2). Der Druckbehälter weist einen Wärmeträger-Medium-Einlass 430 und einen Wärmeträger-Medium-Auslass 431 auf. Durch den Wärmeträger-Medium-Einlass wird heißes Wärmeträger-Medium durch den Wärmeträger-Medium-Auslass wird verbrauchtes Wärmeträger-Medium, also abgekühltes Wärmeträger-Medium wieder abgeführt. Das Wärmeträger-Medium ist ein Thermo-Öl. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Wärmeträger-Medium eine Salz-Schmelze.
  • Innerhalb des Druckbehälters strömt das Wärmeträger-Medium mit einer vertikalen Strömungs-Richtung von oben nach unten vom Wärmeträger-Medium-Einlass in Richtung Wärmeträger-Medium-Auslass.
  • Um einen möglichst effizienten Wärmeübertrag sicherzustellen, sind in dem Druckbehälter Umleitbleche 38 zur Veränderung der Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums vorhanden. Damit ist sichergestellt, dass ein effizienter Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträger-Medium und dem in den Rohren vorhandenen Wasser stattfinden kann.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist kein Trenngefäß zur Trennung von flüssiger und gasförmiger Phase des Wassers vorhanden.
  • Beispiel 2:
  • Im Gegensatz zum vorangegangenen Beispiel ist ein Trenngefäß 37 zur Trennung der flüssigen und gasförmigen Phase des Wassers vorhanden (3). Das Trenngefäß weist einen Kondensator 33 zur Trennung von flüssigem und gasförmigem Wasser auf. Das abgetrennte Wasser wird dem Wasser/Wasserdampf-Kreislauf wieder zugeführt. Dies geschieht über die Schwerkraft oder, wie in Figur dargestellt, mit Hilfe einer Pumpe 36.
  • Den 4A und 4B ist das Funktionsprinzip des Dampferzeugers mit Zwangsdurchlaufkonzept zu entnehmen. Die Figuren zeigen den Dampferzeuger jeweils in einem seitlichen Querschnitt. In dem Druckbehälter ist eine Vielzahl von mäanderförmigen Wasserrohren vorhanden. Die Wasserrohre sind parallel zueinander angeordnet und zu Rohrbündeln 32 zusammengefasst. Die Wasserrohre werden über den Verteiler 34 mit Wasser versorgt. Der in den Wasserrohren gebildete, überhitzte Wasserdampf wird mit Hilfe des Sammlers 35 wieder zusammengeführt und an die Dampfturbine 12 weitergeleitet.
  • Dabei sind die Wasserrohre derart im Druckbehälter angeordnet, dass eine Längsausdehnung 39 der Wasserrohre quer zur Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums ausgerichtet ist (4A). Das Wärmeträger-Medium 20 mit strömt mit der Strömungs-Richtung 21 durch den Druckbehälter hindurch und an den mit ihrer Längsausdehnung quer dazu angeordneten Wasserrohren vorbei. Dadurch ist ein effizienter Wärmeaustausch gegeben.
  • Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird das Wärmeträger-Medium einzügig durch den Druckbehälter geleitet. Gemäß weiteren Ausführungsformen wird das Wärmeträger-Medium mehrzügig durch den Druckbehälter geleitet (zweizügig gemäß 5 und dreizügig gemäß 6).
  • In nicht dargestellten Ausführungsformen sind der Speisewasser-Vorwärmer, der Verdampfer und der Überhitzer jeweils in einem separaten Druckbehälter angeordnet. Dabei sind in jedem der Druckbehälter die Wasserrohre quer zur Strömungsrichtung des Wärmeträger-Mediums ausgerichtet (Quer-Gegenstromschaltung)
  • Weiterhin ist zusätzlich zu dem Dampferzeuger eine Zwischen-Überhitzungs-Stufe (Zwischen-Überhitzer) 13 vorhanden, um den Wirkungsgrad der nachgeschalteten Dampfturbine zu erhöhen. Auch die Zwischenstufe wird solar-thermisch betrieben. Der Zwischen-Überhitzer weist ein Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr zur Aufnahme des Wasserdampfs auf. Zur Zwischen-Überhitzung wird heißes, mit Hilfe von Solar-Energie erwärmtes Wärmeträger-Medium an dem Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr vorbeigeleitet. Zwischen-Überhitzer-Wasserrohr und Wärmeträger-Medium sind thermisch miteinander gekoppelt.
  • Die beschriebene Vorrichtung wird zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie verwendet. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: a) Bereitstellen des Wärmeträger-Mediums, b) Umwandeln von Solar-Energie in Wärme des Wärmeträger-Mediums und c) Übertragen der Wärme des Wärmeträger-Mediums auf das Wasser, wobei der überhitzte Wasserdampf erzeugt wird.
  • Der erzeugte, überhitzte Wasserdampf wird zur Gewinnung von elektrischem Strom an eine Dampfturbine weitergeleitet.

Claims (12)

  1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung von überhitztem Wasserdampf mittels Solar-Energie, aufweisend – mindestens einen Wärmeträger-Kreislauf (2) mit einem Wärmeträger-Medium (20) zur Aufnahme der Solar-Energie in Form von Wärme und – mindestens einen Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (3) mit Wasser, wobei – der Wärmeträger-Kreislauf (2) und der Wasser/Wasserdampf-Kreislauf (3) über mindestens einen Dampferzeuger (4) thermisch miteinander gekoppelt sind, – durch den Dampferzeuger (4) ein Zwangsdurchlauf-Konzept (44) mit Speisewasser-Vorwärmer (40), Verdampfer (41) und Überhitzer (42) realisiert ist, – mindestens ein Wasserrohr (30) zur Aufnahme des Wassers vorhanden ist, – das Wasserrohr (30) und der Wärmeträger-Kreislauf (2) im Bereich (40) des Speisewasser-Vorwärmers zum Erwärmen von im Wasserrohr (30) befindlichem, flüssigen Wasser mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums (20) thermisch miteinander gekoppelt sind, – das Wasserrohr (30) und der Wärmeträger-Kreislauf (2) im Bereich (42) des Verdampfers zum Überführen des im Wasserrohr (30) befindlichen, erwärmten flüssigen Wassers in Wasserdampf mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums (20) thermisch miteinander gekoppelt sind und – das Wasserrohr (30) und der Wärmeträger-Kreislauf (2) im Bereich (42) des Überhitzers zum Überhitzen des im Wasserrohr (30) befindlichen Wasserdampfes mittels Wärme des Wärmeträger-Mediums (20) thermisch miteinander gekoppelt sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Vorrichtung (37) zur Abtrennung von flüssigem Wasser vom Wasserdampf vorhanden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein einziger Wärmeträger-Kreislauf vorhanden ist, der derart ausgestaltet, dass das Wärmeträger-Medium nacheinander im Bereich des Überhitzers, im Bereich des Verdampfers und im Bereich des Speisewasser-Vorwärmers am Wasserrohr vorbeiströmen kann.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Speisewasser-Vorwärmer, der Verdampfer und der Überhitzer vertikal übereinander angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zur thermischen Kopplung des Wasserrohres und des Wärmeträger-Mediums miteinander das Wasserrohr in einem einzigen Druckbehälter angeordnet ist, durch den das Wärmeträger-Medium mit mindesten einer bestimmten Strömungs-Richtung (21) strömen kann.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Längsaudehnung (39) des Wasserrohres quer zur Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Wasserrohr mäanderförmig ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Vielzahl (32) von parallel zueinander angeordneten Wasserrohren vorhanden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Vielzahl von Umleitblechen (38) zur Veränderung der Strömungs-Richtung des Wärmeträger-Mediums vorhanden ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Vielzahl von Dampferzeugern vorhanden ist.
  11. Verfahren zum Erzeugen von überhitztem Wasserdampf unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen des Wärmeträger-Mediums, b) Umwandeln von Solar-Energie in Wärme des Wärmeträger-Mediums und c) Übertragen der Wärme des Wärmeträger-Mediums auf das Wasser des Wasser/Wasserdampf-Kreislaufs, wobei der überhitzte Wasserdampf erzeugt wird.
  12. Verwendung des gemäß Verfahren nach Anspruch 11 überhitzten Wasserdampfes zur Gewinnung von elektrischer Energie, wobei mit Hilfe des überhitzten Wasserdampfes eine Dampfturbine (12) angetrieben wird.
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