DE102010027226A1 - Solarer Kraftwerksteil einer solarthermischen Kraftwerksanlage und solarthermische Kraftwerksanlage mit Sonnenkollektorflächen für Wärmeträgermedium und Arbeismedium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen solaren Kraftwerksteil (23) einer solarthermischen Kraftwerksanlage (22), mit einer ersten Sonnenkollektorfläche (24), die in einer Teilstrecke eines Wärmeträgermedium-Kreislaufs (29) angeordnet ist, wobei eine zweite Sonnenkollektorfläche (25) als Überhitzer für ein Arbeitsmedium, das unter Abgabe technischer Arbeit in einer Turbine (12) entspannbar ist, im solaren Kraftwerksteil (23) angeordnet ist, wobei die erste Sonnenkollektorfläche (24) Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren umfasst und die zweite Sonnenkollektorfläche (25) eine Turmheizfläche umfasst. Die Erfindung betrifft ferner eine solarthermische Kraftwerksanlage (22) umfassend einen solaren Kraftwerksteil (23), einen Arbeitsmedium-Kreislauf (31), in dem eine Dampfturbine (12) angeordnet ist, einen ersten Wärmetauscher (8) zur Übertragung von Wärme vom Wärmeträgermedium-Kreislauf (29) auf den Arbeitsmedium-Kreislauf (31), wobei der erste Wärmetauscher (8) primärseitig in den Wärmeträgermedium-Kreislauf (29) und sekundärseitig in den Arbeitsmedium-Kreislauf (31) geschaltet ist, wobei die zweite Sonnenkollektorfläche (25) als Überhitzer in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter den ersten Wärmetauscher (8) in den Arbeitsmedium-Kreislauf (31) geschaltet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solarthermischen Kraftwerksanlage (22).
Description
- Die Erfindung betrifft einen solaren Kraftwerksteil einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit Sonnenkollektorflächen für Wärmeträgermedium und Arbeitsmedium sowie eine solarthermische Kraftwerksanlage. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb einer solarthermischen Kraftwerksanlage.
- Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren und indirekter Verdampfung ausgeführt.
- In einer Ausführungsform dieses solarthermischen Kraftwerks wird das Wärmeträgermedium in den Parabolrinnenkollektoren aufgeheizt. Das heiße Wärmeträgermedium gibt seine Energie in einem nachgeschalteten Wärmetauscher (Dampferzeuger) an das vom Kondensator kommende Speisewasser ab. Der erzeugte Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt.
- Als Wärmeträgermedium kommt zum Beispiel Thermoöl zum Einsatz. Die maximal zulässige Temperatur dieses Thermoöls liegt bei ca. 400°C. Höhere Temperaturen würden das Öl zersetzen. Nähert sich die Öltemperatur diesem kritischen Wert, werden die Spiegel entweder aus dem Fokus gedreht, oder man erhöht die Durchflussgeschwindigkeit des Öls. Dementsprechend liegt die maximale Hochdruck- bzw. die heiße Zwischenüberhitzer-Temperatur des erzeugten Dampfes nicht über ca. 390°C. Der Druck des erzeugten Dampfes liegt bei 100 bis 120 bar.
- Mit diesen Dampftemperaturen sind Wirkungsgrade im Wasser-Dampf-Kreislauf von maximal 38% erreichbar.
- Aufgabe der Erfindung ist es, die vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrade der genannten Vorrichtung bzw. des genannten Verfahrens deutlich zu erhöhen.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 4. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
- Es wird vorgeschlagen, dass bei einem solaren Kraftwerksteil einer solarthermischen Kraftwerksanlage, mit einer ersten Sonnenkollektorfläche, die in einer Teilstrecke eines Wärmeträgermedium-Kreislaufs angeordnet ist, eine zweite Sonnenkollektorfläche als Überhitzer für ein Arbeitsmedium, das unter Abgabe technischer Arbeit in einer Turbine entspannbar ist, im solaren Kraftwerksteil angeordnet ist, wobei die erste Sonnenkollektorfläche Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren umfasst und die zweite Sonnenkollektorfläche eine Turmheizfläche umfasst.
- Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, einen Teil der Gesamt-Sonnenkollektorfläche mit einem Wärmeträgermedium zu beaufschlagen und dieses zur Vorwärmung, Verdampfung und leichten Überhitzung zu nutzen. Der verbleibende Teil der Gesamt-Sonnenkollektorfläche wird direkt vom Arbeitsmedium durchströmt, das auf höhere Temperaturen (z. B. 600°C) erhitzt werden kann, als das Wärmeträgermedium. Sonnenkollektorflächen werden beispielsweise durch Parabolrinnen- oder deren Weiterentwicklung Fresnelkollektoren oder auch Solartürme realisiert. Parabolrinnen- und Fresnelkollektoren werden üblicherweise mit Wärmeträgermedium beaufschlagt und sind zuverlässig verwendbar bis zu Drücken von 20 bis 30 bar. Sie sind daher als erste Sonnenkollektorflächen geeignet. Die Auslegung von Parabolrinnen- und Fresnelkollektoren für die höhen Drücke des Arbeitsmediums kann zu mechanischen Problemen führen. Aus diesen Gründen umfasst die zweite Sonnenkollektorfläche einen Solarturm, der fest steht und dessen Turmheizfläche von nachgeführten Flachspiegeln angestrahlt wird.
- Vorteilhafter Weise umfasst der solare Kraftwerksteil eine dritte Sonnenkollektorfläche als Zwischenüberhitzer für das Arbeitsmedium, die eine Turmheizfläche umfasst. So kann auch nach einer ersten Entspannung im Hochdruckteil der Turbine der Dampf auf höhere Temperaturen zwischenüberhitzt werden, als beim Wärmetausch mit einem Wärmeträgermedium niedrigerer Temperatur.
- Zweckmäßiger Weise ist das Wärmeträgermedium ein Thermoöl. Der große Vorteil von Thermoöl gegenüber Wasser ist der wesentlich höhere Siedepunkt. So kann eine Temperatur von über 300°C erreicht werden, ohne dass Probleme mit Dampfzuständen und erhöhten Drucken eine Rolle spielen. Ebenso zweckmäßig ist es, wenn das Arbeitsmedium Wasser enthält.
- Erfindungsgemäß wird die auf eine solarthermische Kraftwerksanlage gerichtete Aufgabe gelöst durch eine solarthermische Kraftwerksanlage, umfassend einen solaren Kraftwerksteil, einen Arbeitsmedium-Kreislauf, in dem eine Dampfturbine angeordnet ist, einen ersten Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme vom Wärmeträgermedium-Kreislauf auf den Arbeitsmedium-Kreislauf, wobei der erste Wärmetauscher primärseitig in den Wärmeträgermedium-Kreislauf und sekundärseitig in den Arbeitsmedium-Kreislauf geschaltet ist, wobei der Überhitzer in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter den ersten Wärmetauscher in den Arbeitsmedium-Kreislauf geschaltet ist.
- Auf diese Weise sind die Temperaturniveaus den jeweiligen Anforderungen angepasst. Der bzgl. der Temperatur nach oben begrenzte Wärmeträgermedium-Kreislauf sorgt im Wärmetausch für ein Erwärmen und Verdampfen des Arbeitsmediums, das dann im Überhitzer selbst auf noch höhere Temperaturen überhitzt wird.
- Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Überhitzer in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums der Turbine vorgeschaltet ist.
- Es ist vorteilhaft, wenn die Dampfturbine eine Hochdruckstufe umfasst und der Hochdruckstufe ein Zwischenüberhitzer nachgeschaltet ist. Somit kann eine bessere Energieausnutzung des erzeugten Dampfes erfolgen.
- Ein weiterer Wärmetauscher, der in Strömungsrichtung eines Wärmeträgermediums dem ersten Wärmetauscher nachgeschaltet ist und in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums dem ersten Wärmetauscher vorgeschaltet ist, ist ebenfalls vorteilhaft, da hier die Restwärme des Wärmeträgermediums zur Vorwärmung des Arbeitsmediums genutzt werden kann.
- Bei den bisherigen Ausführungsformen von solarthermischen Anlagen ist der Anlagenwirkungsgrad begrenzt. Durch die neue Maßnahme sind deutliche Erhöhungen des Wirkungsgrades möglich. Das heißt z. B., dass aus einer gegebenen Kollektorfläche mehr Strom erzeugt werden kann.
- Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
-
1 eine solarthermische Kraftwerksanlage nach dem Stand der Technik und -
2 eine solarthermische Kraftwerksanlage nach der Erfindung. - Die
1 zeigt schematisch und beispielhaft den Aufbau einer solarthermischen Kraftwerksanlage1 nach dem Stand der Technik. Die solarthermische Kraftwerksanlage1 umfasst ein Solarfeld2 , in dem die Sonnenstrahlung konzentriert und in Wärmeenergie umgewandelt wird. Das Solarfeld2 kann beispielsweise Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren aufweisen. Konzentrierte Sonnenstrahlung wird an ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Thermoöl, abgegeben, das gegenüber Wasser einen wesentlich höheren Siedepunkt aufweist, so dass Temperaturen von 300–400°C erreicht werden können. Über Rohrleitungen3 ,4 ,5 wird das Wärmeträgermedium mittels einer Thermoölpumpe6 zu Wärmetauschern7 ,8 ,9 transportiert, in denen ein Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, erwärmt7 , verdampft8 und der erzeugte Dampf überhitzt9 wird, wobei sich das Wärmeträgermedium wieder abkühlt. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird zurück in das Solarfeld2 gepumpt, so dass sich ein geschlossener Wärmeträgermedium-Kreislauf10 ergibt. - Der überhitzte Dampf wird im sogenannten konventionellen Teil des solarthermischen Kraftwerks
1 über eine Frischdampfleitung11 in eine Dampfturbine12 als Arbeitsmedium eingeleitet. Die Dampfturbine12 umfasst eine Hochdruckstufe, die als separate Hochdruckteilturbine13 ausgeführt ist und eine kombinierte Mittel-/Niederdruckteilturbine14 für die Mitteldruckstufe und die Niederdruckstufe. Eine Ausführung mit einer Mitteldruckstufe, die als separate Mitteldruckteilturbine ausgeführt ist, und einer Niederdruckstufe, die als separate Niederdruckteilturbine ausgeführt ist, ist ebenfalls denkbar. Die Teilturbinen13 ,14 treiben einen Generator15 an. In der Dampfturbine12 wird das Arbeitsmedium entspannt und anschließend in einem Kondensator16 verflüssigt. Eine Speisewasserpumpe17 pumpt das verflüssigte Arbeitsmedium wieder zurück zu den Wärmetauschern7 ,8 ,9 womit der Kreislauf18 des Arbeitsmediums geschlossen ist. - Zur Überhitzung des abgekühlten Zwischenüberhitzungsdampfes nach der Hochdruckstufe
13 wird ein Teil des dem Solarfeld2 entnommenen Wärmeträgermediums über die Rohrleitung19 der Primärseite eines Wärmetauschers20 zugeführt und wird der nach der Hochdruckstufe13 teilentspannte Dampf über eine Dampfleitung21 der Sekundärseite des Wärmetauschers20 zugeführt, so dass der Wärmetauscher20 als ein Zwischenüberhitzer fungiert. -
2 zeigt eine solarthermische Kraftwerksanlage22 gemäß der Erfindung. Der erfinderische solare Kraftwerksteil23 umfasst nun nicht mehr ein Solarfeld mit einer einzigen, großen Sonnenkollektorfläche, sondern verschiedene Sonnenkollektorflächen24 ,25 ,26 , wobei die erste Sonnenkollektorfläche24 Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren umfasst und die zweite und die dritte Sonnenkollektorfläche25 ,26 Turmheizflächen umfassen, die von Flachspiegeln angestrahlt werden (nicht gezeigt). - Über Rohrleitungen
27 und28 wird das Wärmeträgermedium mittels einer Thermoölpumpe6 von der ersten Sonnenkollektorfläche24 zu Wärmetauschern7 und8 transportiert, in denen das Arbeitsmedium erwärmt7 , verdampft8 und der erzeugte Dampf evtl. leicht überhitzt wird, wobei sich das Wärmeträgermedium wieder abkühlt. Das abgekühlte Wärmeträgermedium wird zurück zur ersten Sonnenkollektorfläche24 im solaren Kraftwerksteil23 gepumpt, so dass sich auch hier wieder ein geschlossener Wärmeträgermedium-Kreislauf29 ergibt. - Der so erzeugte Dampf durchströmt anschließend die zweite Sonnenkollektorfläche
25 und wird dabei überhitzt. Der überhitzte Dampf wird über die Frischdampfleitung11 in die Hochdruckteilturbine13 der Dampfturbine12 als Arbeitsmedium eingeleitet. - Zur Überhitzung des abgekühlten Zwischenüberhitzungsdampfes nach der Hochdruckstufe
13 wird der Dampf über die Dampfleitung30 der dritten Sonnenkollektorfläche26 zugeführt. Der überhitzte Dampf wird danach in die Mittel-/Niederdruckteilturbine14 gespeist, dort entspannt und anschließend im Kondensator16 verflüssigt. Wie in1 beschrieben, pumpt auch hier die Speisewasserpumpe17 das verflüssigte Arbeitsmedium, d. h. das Wasser, wieder zurück zu den Wärmetauschern7 und8 womit der Kreislauf31 des Arbeitsmediums geschlossen ist.
Claims (7)
- Solarer Kraftwerksteil (
23 ) einer solarthermischen Kraftwerksanlage (22 ), mit einer ersten Sonnenkollektorfläche (24 ), die in einer Teilstrecke eines Wärmeträgermedium-Kreislaufs (29 ) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Sonnenkollektorfläche (25 ) als Überhitzer für ein Arbeitsmedium, das unter Abgabe technischer Arbeit in einer Turbine (12 ) entspannbar ist, im solaren Kraftwerksteil (23 ) angeordnet ist, wobei die erste Sonnenkollektorfläche (24 ) Parabolrinnen- oder Fresnelkollektoren umfasst und die zweite Sonnenkollektorfläche (25 ) eine Turmheizfläche umfasst. - Solarer Kraftwerksteil (
23 ) nach Anspruch 1, mit einer dritten Sonnenkollektorfläche (26 ) als Zwischenüberhitzer für das Arbeitsmedium, wobei die dritte Sonnenkollektorfläche (26 ) eine Turmheizfläche umfasst. - Solarer Kraftwerksteil (
23 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Wärmeträgermedium ein Thermoöl ist und das Arbeitsmedium Wasser enthält. - Solarthermische Kraftwerksanlage (
22 ) umfassend einen solaren Kraftwerksteil (23 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einen Arbeitsmedium-Kreislauf (31 ), in dem eine Dampfturbine (12 ) angeordnet ist, einen ersten Wärmetauscher (8 ) zur Übertragung von Wärme vom Wärmeträgermedium-Kreislauf (29 ) auf den Arbeitsmedium-Kreislauf (31 ), wobei der erste Wärmetauscher (8 ) primärseitig in den Wärmeträgermedium-Kreislauf (29 ) und sekundärseitig in den Arbeitsmedium-Kreislauf (31 ) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sonnenkollektorfläche (25 ) als Überhitzer in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter den ersten Wärmetauscher (8 ) in den Arbeitsmedium-Kreislauf (31 ) geschaltet ist. - Solarthermische Kraftwerksanlage (
22 ) nach Anspruch 4, wobei der Überhitzer (25 ) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums der Dampfturbine (12 ) vorgeschaltet ist. - Solarthermische Kraftwerksanlage (
22 ) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Dampfturbine (12 ) eine Hochdruckstufe (13 ) umfasst und der Hochdruckstufe (13 ) ein Zwischenüberhitzer (26 ) nachgeschaltet ist. - Solarthermische Kraftwerksanlage (
22 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, mit einem weiteren Wärmetauscher (7 ), der in Strömungsrichtung eines Wärmeträgermediums dem ersten Wärmetauscher (8 ) nachgeschaltet ist und in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums dem ersten Wärmetauscher (8 ) vorgeschaltet ist.
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