DE102010040200A1 - Solar thermal absorber for direct evaporation, in particular a solar tower power plant - Google Patents
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Abstract
Solarthermischer Absorber (4), insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk (1), umfassend eine Durchlaufverdampferheizfläche (13) mit Dampferzeugerrohren (8), wobei die Dampferzeugerrohre (8) für den Durchfluss eines Strömungsmediums parallel geschaltet sind und in einem Heizbereich (H) annähernd in einer Spiralwicklung angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturm-Kraftwerk (1) mit einem solarthermischen Absorber (4) im Solarturm (2), wobei der Absorber (4) eine Spiralberohrung der Verdampferheizfläche bestehend aus einer Vielzahl von parallel geschalteten Dampferzeugerrohren (8) aufweist.Solar thermal absorber (4), in particular for a solar tower power plant (1), comprising a continuous evaporator heating surface (13) with steam generator tubes (8), the steam generator tubes (8) being connected in parallel for the flow of a flow medium and approximately in a heating area (H) are arranged in a spiral winding. The invention further relates to a solar tower power plant (1) with a solar thermal absorber (4) in the solar tower (2), the absorber (4) having a spiral tube of the evaporator heating surface consisting of a plurality of parallel-connected steam generator tubes (8).
Description
Die Erfindung betrifft einen solarthermischen Absorber, insbesondere für ein Solarturm-Kraftwerk, umfassend eine Durchlaufverdampferheizfläche. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Solarturmkraftwerk mit einem solarthermischen Absorber.The invention relates to a solar thermal absorber, in particular for a solar tower power plant, comprising a continuous evaporator heating surface. The invention further relates to a solar tower power plant with a solar thermal absorber.
Dem stetig steigenden Energiebedarf und dem Klimawandel muss mit dem Einsatz von nachhaltigen Energieträgern entgegengetreten werden. Sonnenenergie ist solch ein nachhaltiger Energieträger. Sie ist klimaschonend, in unerschöpflichem Maße vorhanden und stellt keine Belastung für nachkommende Generationen dar.The steadily rising energy demand and climate change must be tackled with the use of sustainable energy sources. Solar energy is such a sustainable energy source. It is climate-friendly, inexhaustible and does not burden future generations.
Solarthermische Kraftwerke stellen eine Alternative zur herkömmlichen Stromerzeugung dar. Zurzeit werden solarthermische Kraftwerke mit Parabolrinnenkollektoren oder Fresnel-Kollektoren ausgeführt. Eine weitere Option stellt die direkte Verdampfung in sogenannten Solarturm Kraftwerken dar.Solar thermal power plants represent an alternative to conventional electricity generation. Currently, solar thermal power plants are being implemented with parabolic trough collectors or Fresnel collectors. Another option is the direct evaporation in so-called solar tower power plants.
Ein solarthermisches Kraftwerk mit Solarturm und direkter Verdampfung besteht aus einem Solarfeld, dem Solarturm und aus einem konventionellen Kraftwerksteil, in dem die thermische Energie des Wasserdampfes in elektrische Energie umgewandelt wird.A solar thermal power plant with solar tower and direct evaporation consists of a solar field, the solar tower and a conventional power plant part, in which the thermal energy of the water vapor is converted into electrical energy.
Das Solarfeld besteht aus Heliostaten, die ihr Licht auf einen in dem Turm untergebrachten Absorber konzentrieren. Der Absorber besteht aus einer Heizfläche, in der die eingestrahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen. Der erzeugte Dampf wird anschließend in einem konventionellen Kraftwerkssteil in einer Turbine entspannt, anschließend kondensiert und dem Absorber wieder zugeführt. Die Turbine treibt einen Generator an, der die mechanische Energie in elektrische Energie wandelt.The solar field consists of heliostats that focus their light on an absorber housed in the tower. The absorber consists of a heating surface in which the irradiated solar energy is used to heat supplied feed water, to evaporate and possibly also to overheat. The generated steam is then expanded in a conventional power plant section in a turbine, then condensed and fed back to the absorber. The turbine drives a generator, which converts the mechanical energy into electrical energy.
In einem Solarturm-Kraftwerk ist die eingebrachte Sonnenenergie durch die Größe des Heliostatenfeldes begrenzt. Ein Teil der Einstrahlung wird vom Absorber reflektiert und ist für den thermodynamischen Kraftwerkprozess verloren. Diese Verluste wachsen mit der Größe der Heizfläche. Deshalb sind bei gegebener thermischer Leistung kompakte Absorber mit möglichst kleiner Heizfläche anzustreben. Dies führt durch die Konzentrierung der eingestrahlten Sonnenenergie auf kleine Flächen zu sehr hohen Wärmestromdichten, im Allgemeinen höheren Wärmestromdichten als in fossil befeuerten thermischen Kraftwerken. Deshalb ist bei dem Konzept der Direktverdampfung in einem Solarturm-Kraftwerk die Kühlung der Absorberheizfläche von zentraler Bedeutung. Zur Minimierung der Heizflächengröße ist auf größtmögliche Wärmestromdichten auszulegen. Die Obergrenze der zulässigen Wärmestromdichten wird durch das Rohrmaterial und durch die Qualität der Kühlungsmechanismen bestimmt.In a solar tower power plant, the solar energy input is limited by the size of the heliostat field. Part of the radiation is reflected by the absorber and is lost to the thermodynamic power plant process. These losses increase with the size of the heating surface. Therefore, for a given thermal performance compact absorbers with the smallest possible heating surface are desirable. This results in very high heat flux densities, generally higher heat flux densities, than in fossil-fired thermal power plants by concentrating the irradiated solar energy on small areas. Therefore, with the concept of direct evaporation in a solar tower power plant, the cooling of the absorber heating surface is of central importance. To minimize the size of the heating surface, it must be designed for maximum heat flow densities. The upper limit of the permissible heat flow densities is determined by the pipe material and the quality of the cooling mechanisms.
In einem direkt solar beheizten Zwangsdurchlaufdampferzeuger führt die Beheizung einer Anzahl von Dampferzeugerrohren die zusammen eine Verdampferheizfläche bilden, zu einer vollständigen Verdampfung eines Strömungsmediums – Wasser bzw. Wasserdampf – in den Dampferzeugerrohren in einem Durchgang. Das Strömungsmedium – üblicherweise Wasser – wird dabei in der Regel vor seiner Verdampfung einem der Verdampferheizfläche strömungsmediumsseitig vorgeschalteten Vorwärmer, üblicherweise auch als Economizer bezeichnet, zugeführt und dort vorgewärmt.In a directly solar heated forced-circulation steam generator, the heating of a number of steam generator tubes together forming an evaporator heating surface leads to a complete evaporation of a flow medium - water or steam - in the steam generator tubes in one pass. The flow medium - usually water - is usually before its evaporation to the Verdampferheizfläche flow medium side upstream preheater, commonly referred to as economizer, fed and preheated there.
Im Gegensatz zu einem Natur- oder Zwangumlaufdampferzeuger unterliegen Durchlaufdampferzeuger keiner Druckbegrenzung, so dass Frischdampfdrücke weit über dem kritischen Druck von Wasser möglich sind. Dieser hohe Frischdampfdruck begünstigt einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad eines Kraftwerks.In contrast to a natural or forced circulation steam generator, continuous steam generators are not subject to any pressure limitation, so that live steam pressures well above the critical pressure of water are possible. This high live steam pressure promotes a high thermodynamic efficiency of a power plant.
Besondere Bedeutung kommt bei dem Konzept der Direktverdampfung der Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Betriebssicherheit des in den Solarturm integrierten Absorbers zu, der eine Heizfläche aufweist, in der die eingestrahlte Sonnenenergie dazu genutzt wird, um zugeführtes Speisewasser zu erwärmen, zu verdampfen und gegebenenfalls auch zu überhitzen.Of particular importance in the concept of direct evaporation is the improvement of the operating behavior and reliability of the absorber integrated in the solar tower, which has a heating surface in which the irradiated solar energy is used to heat supplied feed water, to evaporate it and possibly also to overheat it ,
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen solarthermischen Absorber der oben genannten Art anzugeben, dessen Betriebssicherheit auch bei unterschiedlichen Belastungszuständen gegenüber den herkömmlichen auf Direktverdampfung basierenden Absorbern verbessert ist. Des Weiteren soll ein verbessertes Solarturm-Kraftwerk angegeben werden.The invention is based on the object of specifying a solar thermal absorber of the abovementioned type, the operational reliability of which is improved even in the case of different load conditions compared to the conventional direct-evaporation-based absorbers. Furthermore, an improved solar tower power plant will be specified.
Bezüglich des solarthermischen Absorbers wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen solarthermischen Absorber umfassend eine Heizfläche mit Verdampferrohren, wobei die Verdampferrohre für den Durchfluss eines Strömungsmediums parallel geschaltet sind und in einem Heizbereich annähernd in einer Spiralwicklung angeordnet sind.With regard to the solar thermal absorber, this object is achieved by a solar thermal absorber comprising a heating surface with evaporator tubes, wherein the evaporator tubes are connected in parallel for the flow of a flow medium and are arranged in a heating region approximately in a spiral winding.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass durch die Konzentrierung des eingestrahlten Lichts in dem Absorber mit sehr hohen Wärmestromdichten zu rechnen ist. Des Weiteren treten in der Verdampferheizfläche sehr große Unterschiede in den lokalen Wärmestromdichten auf. Auch ist die Bestrahlung und damit der Wärmeeintrag über die Dampferzeugerrohre in das Strömungsmedium nicht gleichmäßig. d. h. es gibt verschiedene Beheizungszonen im Absorber.The invention is based on the finding that very high heat flux densities can be expected due to the concentration of the incident light in the absorber. Furthermore, very large differences in the local heat flux densities occur in the evaporator heating surface. Also, the irradiation and thus the heat input on the Steam generator tubes in the flow medium is not even. ie there are different heating zones in the absorber.
Wird der Absorber mit spiralförmig verlaufenden Dampferzeugerrohren ausgestattet, so durchlaufen die Rohre die verschiedenen Beheizungszonen im Heizbereich des Absorbers und nicht nur eine bestimmte Beheizungszone. Daher werden durch die annähernde Spiralwicklung im Heizbereich sowohl bezüglich der Massenstromdichte als auch bezüglich der Fluidtemperaturen des Strömungsmediums nur geringe Unterschiede zwischen den parallelen Dampferzeugerrohren des solarthermischen Absorbers auftreten.If the absorber is equipped with spiral-shaped steam generator tubes, the tubes pass through the different heating zones in the heating area of the absorber and not just a certain heating zone. Therefore, by the approximate spiral winding in the heating area, both in terms of mass flow density and with respect to the fluid temperatures of the flow medium, only small differences between the parallel steam generator tubes of the solar thermal absorber occur.
Dies ist besonders vorteilhaft sowohl in Bezug auf die Spannungen innerhalb der Rohrwandstruktur als auch in Bezug auf Spannungen im anschließenden Austrittssammler, bei dem die Dampferzeugerrohre ausgangsseitig in strömungstechnischer Parallelschaltung zusammengeführt sind.This is particularly advantageous both in terms of the stresses within the tube wall structure as well as with respect to voltages in the subsequent outlet collector, in which the steam generator tubes are merged on the output side in fluidic parallel connection.
Weiterhin können über den Steigungswinkel der Spirale und über die Anzahl der Parallelrohre die Massenstromdichten in weiten Grenzen variiert und auslegungstechnisch vorab entsprechend den Betriebsanforderungen angepasst werden.Furthermore, the mass flow densities can be varied within wide limits via the pitch angle of the spiral and the number of parallel tubes and can be adapted in terms of design in advance in accordance with the operating requirements.
Möglich ist auch eine Berohrung des Absorbers mit Verdampferrohren, bei der nur an bestimmten Abschnitten der Heizfläche die Verdampferrohre mit einer Steigung ausgeführt werden, als sogenannte Teilspirale. In den anderen Bereichen der Heizfläche können die Dampferzeugerrohre dann horizontal verlaufen. Somit ist es besonders Vorteilhaft, wenn in dem solarthermischen Absorber zumindest in einem Abschnitt der Heizfläche die Dampferzeugerrohre wahlweise horizontal verlaufen.It is also possible to bore the absorber with evaporator tubes, in which only at certain sections of the heating surface, the evaporator tubes are designed with a slope, called a so-called partial spiral. In the other areas of the heating surface, the steam generator tubes can then run horizontally. Thus, it is particularly advantageous if the steam generator tubes optionally extend horizontally in the solar thermal absorber at least in a section of the heating surface.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist in dem Absorber die Heizfläche miteinander über Flossen verschweißte Dampferzeugerrohre auf.In an advantageous embodiment, in the absorber, the heating surface with each other via fins welded steam generator tubes.
Besonders Vorteilhaft ist der Absorber ausgestaltet, wenn die Verdampferrohre auf ihrer Innenseite eine Oberflächenstruktur zum Erzeugen eines hohen Wärmeübergangs von ihrer Innenwand auf das Strömungsmedium aufweisen.Particularly advantageously, the absorber is configured when the evaporator tubes have on their inner side a surface structure for generating a high heat transfer from its inner wall to the flow medium.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing.
Darin zeigtIt shows
Der Sammler
Im Betrieb des solarthermischen Dampferzeugers ist es besonders kritisch in Abhängigkeit des vorhandenen Wärmeangebots der primären Solarstrahlung immer genau den erforderlichen Speisewassermassenstrom durch die Absorberheizfläche, respektive die Absorberrohrwand
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