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Die Erfindung richtet sich auf ein Ausdehnungssystem des Wärmeträgermedium-Kreislaufs eines solarthermischen Kraftwerks umfassend mehrere im Wärmeträgermedium-Kreislauf angeordnete Ausdehnungsbehälter und/oder Flutungsbehälter.
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Außerdem richtet sich die Erfindung auf ein solarthermisches Kraftwerk mit einem aus Parabolrinnenkollektoren gebildeten Solarfeld
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Solarthermische Kraftwerke weisen einen Wärmeträgermedium-Kreislauf und einen damit in Wirkverbindung stehenden Wasserdampfkreislauf auf. Im Wärmeträgermedium-Kreislauf wird ein Wärmeträgermedium oder Wärmeübertragungsmedium im Kreislauf geführt, wobei es in der Brennlinie von Parabolrinnenspiegeln angeordneten Absorberleitungen durch ein Solarfeld geführt wird und dort von in die Parabolrinnenspiegel einfallenden und reflektierten Sonnenstrahlen erwärmt wird. Diese in die Parabolrinnenspiegel aufweisenden Parabolrinnenkollektoren des solarthermischen Kraftwerks von der Sonne auf die Absorberleitung konzentrierte Wärme wird über Wärmetauscher an den Wasserdampfkreislauf abgegeben, in welchem Dampf erzeugt wird. Über eine Turbine wird die in dem Dampf enthaltene Wärme in nutzbare Energie, beispielsweise über einen an die Turbine angeschlossenen Generator in elektrische Energie, umgewandelt. Bei solarthermischen Kraftwerken mit Parabolrinnenspiegeln wird üblicherweise ein Thermoöl als Wärmeträgermedium oder Wärmeübertragungsmedium eingesetzt. Aufgrund des sich bei Betrieb eines solchen solarthermischen Kraftwerkes im Wärmeträgermedium-Kreislauf beispielsweise beim Wechsel vom Tag zur Nacht ergebenden Temperaturunterschiedes und damit verbunden sich ändernden Volumens des Wärmeträgermediums, das beispielsweise bei Tag wärmer als bei Nacht ist, muss ein Expansions- oder Ausdehnungssystem vorgesehen sein, das die Volumenausdehnungen des Wärmeträgermediums bei erhöhter Temperatur ausgleicht und kompensiert.
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Aus der Praxis ist es bekannt, ein Ausdehnungssystem aus einem mehrere Meter über dem Erdniveau angeordneten, hochgelegenen Ausdehnungsbehälter und mit mehreren höhenmäßig darunter angeordneten Flutungsbehältern, die mit dem Ausdehnungsbehälter in fluidleitender Verbindung stehen, auszubilden, wobei je nach Größe des Kraftwerkes mehrere Flutungsbehälter vorgesehen sind. In dem Ausdehnungsbehälter ist ein Gaspolster aus Stickstoff (N2) ausgebildet, das sich oberhalb des Flüssigkeitsniveaus des Wärmeträgermediums in dem Ausdehnungsbehälter befindet. Der bekannte Ausdehnungsbehälter ist an der niveaumäßig höchsten Stelle des Wärmeträgermedium-Kreislaufs angeordnet. Er ist mit einem Entlüftungsventil versehen, um sich bildende Gasanteile, beispielsweise Öl-Dampf, des Wärmeträgermediums abblasen zu können. Über Leitungen, in denen ein System von Pumpen und Ventilen angeordnet ist, ist der Ausdehnungsbehälter mit den Flutungsbehältern verbunden, um eine Anpassung des Füllstandes des Ausdehnungsbehälters an die wechselnden Betriebsbedingungen anpassen zu können. Darüber hinaus sind die Pumpen und Ventile redundant ausgebildet, damit die Betriebssicherheit des Ausdehnungssystems gewährleistet ist.
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Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist der damit verbundene große Investitionsaufwand, der sich daraus ergibt, dass die Flutungsbehälter und der Ausdehnungsbehälter in unterschiedlichen Höhen über dem Bodenniveau angeordnet werden müssen, so dass das Wärmeübertragungssystem dessen Bestandteil das Ausdehnungssystem ist, in mindestens zwei höhenunterschiedlichen Etagen aufgebaut werden muss. Ferner müssen die Armaturen und Pumpen doppelt vorhanden sein. Dies führt ferner dazu, dass der Eigenverbrauch an Energie des Kraftwerkes relativ hoch ist, da die redundant vorhandenen Pumpen elektrische Leistung verbrauchen. Schließlich ist mit dem Vorhandensein von Pumpen und Armaturen auch ein (erhöhtes) Ausfallrisiko und ein entsprechender Wartungs- und Reparaturaufwand verbunden. Auch muss das gesamte System in die Anlagensteuerung des solarthermischen Kraftwerkes eingebunden sein.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, ein technisch vereinfachtes und konstruktiv weniger aufwändiges Ausdehnungssystem zu schaffen.
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Bei einem Ausdehnungssystem der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Ausdehnungssystem mehrere auf im Wesentlichen demselben Höhenniveau angeordnete Ausdehnungsbehälter umfasst, die miteinander in fluidleitender Verbindung stehen.
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Bei einem solarthermischen Kraftwerk der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es mindestens ein Ausdehnungssystem nach einem der Ansprüche 1–10 aufweist.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Ausdehnungssystems ist es nicht mehr notwendig den Wärmeträgermedium-Kreislauf und insbesondere das Ausdehnungssystem in zwei Etagen aus Flutungsbehältern mit einem darüber angeordneten Ausdehnungsbehälter auszubilden. Dies vermindert die Investitionskosten und den konstruktiven Aufwand deutlich. Weiterhin stehen die Ausdehnungsbehälter in fluidleitender Verbindung miteinander, so dass ohne Pumpen oder sonstige Armaturen die Flüssigkeit von einem Ausdehnungsbehälter selbständig in einen benachbarten Ausdehnungsbehälter fließen kann, wobei die fluidleitenden Verbindungen unterhalb des Flüssigkeitsniveaus in den einzelnen Ausdehnungsbehältern ausgebildet sind und dadurch insgesamt über die jeweils vorhandene Anzahl an Ausdehnungsbehältern hinweg in allen Ausdehnungsbehältern dasselbe Flüssigkeitsniveau des Wärmeträgermediums sich einstellt. Damit sind Pumpen und Armaturen zwischen den Ausdehnungsbehältern nicht mehr notwendig, was die Wartungs- und Reparaturarbeiten deutlich reduziert. Insbesondere sind keine beweglichen Teile mehr zwischen zwei Ausdehnungsbehältern notwendig. Neben dem verminderten Investitionsaufwand sowie dem verringerten Wartungs- und Reparaturaufwand werden auch der Eigenverbrauch an elektrischer Energie vermindert und die Anlagensteuerung des solarthermischen Kraftwerkes entlastet. Vom Grundsatz her besteht das erfindungsgemäße Ausdehnungssystem aus mindestens einem, vorzugsweise mehreren ebenerdig aufgestellten Ausdehnungsbehälter(n), die mit dem Wärmeträgermedium-Kreislauf in fluidleitender Verbindung stehen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass mindestens ein Ausdehnungsbehälter mit einem querschnittserweiterten Leitungsabschnitt einer Wärmeträgermedium führenden Leitung des Wärmeträgermedium-Kreislaufs in fluidleitender Verbindung steht. Die Ausbildung eines querschnittserweiterten Leitungsabschnittes innerhalb der das Wärmeträgermedium im Kreislauf führenden Rohrleitung ermöglicht die Entgasung des sich beispielsweise bildenden Öl-Dampfes in die Ausdehnungsbehälter hinein, da sich in dem erweiterten Leitungsabschnitt die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums verringert und damit ein Gasaustritt aus dem Flüssigkeitsstrom erleichtert wird.
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Von Vorteil für die Erzielung eines guten Gasaustrittes ist es gemäß Ausgestaltung der Erfindung weiterhin, wenn der Leitungsabschnitt in einen Ausdehnungsbehälter einmündet.
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Um einen die Strömung des Wärmeträgermediums möglichst wenig beeinträchtigenden und eine gute Entgasung des Wärmeträgermediums ermöglichenden Übergang von dem Normalquerschnitt des das Wärmeträgermedium führenden Leitungsrohres auf den dem gegenüber querschnittserweiterten oder querschnittsvergrößerten Leitungsabschnitt zu realisieren, zeichnet sich die Erfindung weiterhin dadurch aus, dass der querschnittserweiterte Leitungsabschnitt zumindest in strömungsaufwärtiger Richtung des Wärmeträgermedium-Kreislaufs einen in vorzugsweise gleichmäßig stetiger Querschnittsveränderung in den Normalquerschnitt der das Wärmeträgermedium führenden Leitung einmündenden Übergangsabschnitt aufweist. Hierdurch lässt sich eine gleichmäßige Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit erreichen. Um andererseits aber auch einen ebenso gleichmäßigen Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums beim Verlassen des querschnittserweiterten Leitungsabschnittes zu erzielen, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass der querschnittserweiterte Leitungsabschnitt in stromaufwärtiger und in stromabwärtiger Richtung des Wärmeträgermedium-Kreislaufs jeweils einen in vorzugsweise gleichmäßig stetiger Querschnittsveränderung in den Normalquerschnitt der das Wärmeträgermedium führenden Leitung einmündende Übergangsabschnitt aufweist.
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Von Vorteil ist es in Ausgestaltung der Erfindung weiterhin, wenn die Ausdehnungsbehälter mit einem aus dem gleichen Schutzgas gebildeten Gaspolster gleichen Drucks beaufschlagt sind.
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Zweckmäßigerweise liegt hierbei weiterhin der Druck über dem Dampfdruck des Wärmeträgermediums, was die Erfindung auch vorsieht. Dies hat den Vorteil, dass damit ein Verdampfen des Wärmeträgermediums unterbunden ist.
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Die Anzahl an Ausdehnungsbehältern mit denen das Ausdehnungssystem ausgestattet ist, hängt individuell von der jeweiligen Anlagengröße ab und wird ebenso wie die Größe der einzelnen Ausdehnungsbehälter je nach Ausgestaltung und Leistung des Wärmeträgermedium-Kreislaufs und des solarthermischen Kraftwerkes ausgelegt. Hierbei ist die Größe der einzelnen Ausdehnungsbehälter im Wesentlichen von dem jeweils gewählten Produktionsverfahren und auch Transportverfahren begrenzt.
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In Weiterbildung sieht die Erfindung ferner vor, dass mindestens ein Ausdehnungsbehälter ein Sicherheitsventil in Form eines Überdruckventils aufweist. Hierdurch wird ein über das zulässige Maß hinausgehender Druckanstieg und damit eine übermäßige Gasansammlung in den in Form einer kommunizierenden Röhre miteinander verbundenen Ausdehnungsbehältern vermieden.
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Um je nach Wunsch und Bedarf eine Entgasung der Ausdehnungsbehälter vornehmen zu können, sieht die Erfindung weiterhin vor, dass mindestens ein Ausdehnungsbehälter ein Entgasungsventil aufweist. Wenn die Gasräume oder Gaspolsterräume der einzelnen Ausdehnungsbehälter in fluidleitender Verbindung über eine Rohrleitung miteinander verbunden sind, in welcher das Entgasungsventil angeordnet ist, dann lässt sich beispielsweise von einer Leitwarte aus das Entgasungsventil als Abblaseventil betätigen und damit eine gleichmäßige Entgasung aller vorhandenen und in fluidleitender Verbindung mit dem Entgasungsventil stehender Ausdehnungsbehälter durchführen.
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Die Erfindung sieht daher auch vor, dass das Entgasungsventil über eine Signalleitung von einer Leitwarte aus ansteuerbar ist.
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Schließlich zeichnet sich die Erfindung in Ausgestaltung des solarthermischen Kraftwerks dadurch aus, dass es ausschließlich ein oder mehrere Ausdehnungssysteme nach einem der Ansprüche 1–10 aufweist.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung den Wärmeträgermedium-Kreislauf 1 eines solarthermischen Kraftwerks, der durch eine kreisförmig geführte Rohrleitung 2 symbolisiert schematisch dargestellt ist. In dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 1 ist das mit Parabolrinnenkollektoren ausgestattete Solarfeld 3 ausgebildet, in welchem das in dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 1 von einer oder mehreren Pumpe(n) 5 in Strömungsrichtung 4 bewegte Wärmeträgermedium 6 von der Spiegelfläche der Parabolrinnenkollektoren reflektierte Sonnenstrahlung in Form von Wärme aufnimmt. Das erhitzte Wärmeträgermedium 6 gibt in einer mehrere Wärmetauscher aufweisenden Wärmeübertragungsstufe 7 Wärme an den Wasserdampfkreislauf 8 des solarthermischen Kraftwerkes ab. Stromabwärts der Wärmeübertragungsstufe 7 und stromaufwärts der Pumpe 5 ist dann in einer Leitung 9 des Wärmeträgermedium-Kreislaufs 1 ein querschnittserweiterter Leitungsabschnitt 10 ausgebildet. In aus der Figur nicht ersichtlicher Art und Weise ist an beiden Enden des querschnittserweiterten Leitungsabschnittes 10 jeweils ein Übergangsabschnitt ausgebildet, längs welchem eine stetige Querschnittsveränderung vom Querschnitt des querschnittserweiterten Leitungsabschnittes 10 auf den Querschnitt der das Wärmeträgermedium 6 in diesem Bereich führenden Leitung 9 ausgebildet, so dass dieser Übergangsabschnitt vom querschnittserweiterten Leitungsabschnitt 10 aus in den Normalquerschnitt der Leitung 9 einmündet. Der querschnittserweiterte Leitungsabschnitt 10 ist Bestandteil des als gestrichelte Linie 11 dargestellten Ausdehnungssystems. Im Ausführungsbeispiel umfasst dieses Ausdehnungssystem 11 drei Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c, von welchen der mittlere Ausdehnungsbehälter 12b in fluidleitender Verbindung mit dem querschnittserweiterten Leitungsabschnitt 10 steht, wie dies durch Pfeile 13a, 13b angedeutet ist. Vorzugsweise mündet der querschnittserweiterte Leitungsabschnitt 10 unmittelbar in einen Ausdehnungsbehälter, im Ausführungsbeispiel den Ausdehnungsbehälter 12b.
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Die Ausdehnungsbehälter 12a, 12b und 12c sind zumindest nahezu im Wesentlichen höhengleich positioniert und in ihren unteren Behälterbereichen jeweils mit Fluidleitungen 14a, 14b miteinander verbunden, so dass sich innerhalb der Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c jeweils ein Volumen an Wärmeträgermedium 6 derart ausbildet und ansammelt, dass in allen drei Ausdehnungsgefäßen dasselbe Niveau der Badspiegeloberfläche erreicht wird. Durch die derart miteinander kommunizierend verbundene Ausgestaltung der fluidleitenden Verbindung zwischen den einzelnen Ausdehnungsbehältern 12a, 12b, 12c ist es nicht mehr notwendig, zwischen diesen Ausdehnungsbehältern und in den Fluidleitungen 14a, 14b Pumpen oder Armaturen auszubilden und anzuordnen. Der Flüssigkeitsaustausch zwischen den einzelnen Ausdehnungsbehältern erfolgt selbsttätig. Oberhalb des Badspiegels ist jeder der Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c mit einem Gaspolster aus Schutzgas, im Ausführungsbeispiel zum Beispiel Stickstoff, ausgestattet. Hierbei ist der Druck in jedem der Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c gleich und außerdem in jedem Ausdehnungsbehälter das gleiche Schutzgas vorgesehen. Auch die Gaspolster aufweisenden Gaspolsterräume 15a, 15b, 15c stehen untereinander über Leitungen 16a, 16b, 16c miteinander in fluidleitender Verbindung. In den Leitungen 16a, 16b, 16c ist ein Entlüftungsventil 17 angeordnet, das in nicht dargestellter Weise über eine Signalleitung mit einer Steuerwarte oder Leitwarte in Wirkverbindung steht, von welcher Leitwarte aus das Entlüftungsventil ansteuerbar und je nach gewünschter Entgasung damit ein Abblasen an Gas aus den Gaspolstern der Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c möglich.
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Aus Sicherheitsgründen ist ferner mindestens einer der Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c mit einem als Überdruckventil ausgebildeten Sicherheitsventil 18 ausgestattet, das bei unzulässig hohem Gasdruck Gas aus dem Ausdehnungssystem 11 abbläst.
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Auch wenn im Ausführungsbeispiel das Ausdehnungssystem 11 drei Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c umfasst, so kann dieses jedoch aus einer beliebigen Anzahl an Ausdehnungsbehältern, mindestens aber einem, bestehen, die je nach Größe und Auslegung des Wärmeträgermedium-Kreislaufes 1 und des Wasserdampfkreislaufes und der Leistung des solarthermischen Kraftwerkes ausgewählt und ausgelegt sind.
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Die Ausdehnungsbehälter 12a, 12b, 12c sind niveaugleich ebenerdig mit Gefälle zum Leitungsabschnitt 10 aufgestellt, um ein Trockenlaufen der Pumpe (n) 5 zu verhindern und daher zu Wartungs- und/oder Reparaturzwecken leicht erreichbar.
