DE102011056796A1 - Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zur Regelung des Wärmeträgermediummassenstroms - Google Patents

Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zur Regelung des Wärmeträgermediummassenstroms Download PDF

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Abstract

In einem solarthermischen Kraftwerk (1) mit einem Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) umfassend eine ein flüssiges Wärmeträgermedium im Kreislauf führende Rohrleitungsanordnung (3) und mehrere strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete und vom Wärmeträgermedium durchströmte wärmetechnische Kraftwerkskomponenten, soll eine Lösung geschaffen werden, die es ermöglicht, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und den Herstellungsaufwand für die den Wärmeträgermedium-Kreislauf ausbildende Rohrleitungsanordnung zu vermindern. Dies wird dadurch erreicht, dass mindestens ein Teil der wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten (A) jeweils eine den durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) geförderten Massenstrom und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium regelnde und in der Rohrleitungsanordnung (3) angeordnete Fördervorrichtung (4), insbesondere eine Pumpe, bevorzugt eine Saugpumpe, aufweist, die der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente individuell zugeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein solarthermisches Kraftwerk mit einem Wärmeträgermedium-Kreislauf umfassend eine ein flüssiges Wärmeträgermedium im Kreislauf führende Rohrleitungsanordnung und mehrere strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete und vom Wärmeträgermedium durchströmte wärmetechnische Kraftwerkskomponenten.
  • Weiterhin richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Regelung des durch eine wärmetechnische Kraftwerkskomponente eines solarthermischen Kraftwerks geförderten Massenstroms und/oder Volumenstroms an Wärmeträgermedium, wobei das solarthermische Kraftwerk einen Wärmeträgermedium-Kreislauf aufweist, der eine ein flüssiges Wärmeträgermedium im Kreislauf führende Rohrleitungsanordnung und mehrere strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete und vom Wärmeträgermedium durchströmte wärmetechnische Kraftwerkskomponenten aufweist, und wobei mindestens ein Teil der wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten jeweils eine den durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente geförderten Massenstrom und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium regelnde und in der Rohrleitungsanordnung angeordnete Fördervorrichtung, insbesondere eine Pumpe, bevorzugt eine Saugpumpe, aufweist, die der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente individuell zugeordnet ist.
  • Solarthermische Kraftwerke umfassen üblicherweise mehrere von einem Wärmeträgermedium durchströmte, wärmetechnische Kraftwerkskomponenten, die in einem mittels einer Rohrleitungsanordnung ausgebildeten Wärmeträgermedium-Kreislauf angeordnet sind, der über eine Dampferzeugungsstufe thermisch mit einem Wasser/Dampf-Kreislauf mit integrierter Turbinenstufe gekoppelt ist. Die wesentlichen wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten stellen hierbei die einzelnen Sonnenkollektorstränge oder Sonnenkollektoren dar. Die bei hier angesprochenen thermisch wirkenden Sonnenkollektoren, wie beispielsweise Parabolrinnenkollektoren, vorgesehenen Absorberleitungen, die längs der Spiegelflächen verlaufen, sind dabei Bestandteil der den Wärmeträgermedium-Kreislauf ausbildenden Rohrleitungsanordnung. Derartige solarthermische Kraftwerke sind beispielsweise aus der DE 101 28 562 C1 , der DE 101 52 971 C1 und der DE 10 2007 013 430 A1 bekannt.
  • Solarthermische Kraftwerke umfassen üblicherweise mehrere von einem Wärmeträgermedium durchströmte wärmetechnische Kraftwerkskomponenten, die in einem mittels einer Rohrleitungsanordnung ausgebildeten Wärmeträgermedium-Kreislauf angeordnet sind, wobei der Wärmeträgermedium-Kreislauf über eine Dampferzeugungsstufe thermisch mit einem Wasser/Dampf-Kreislauf mit integrierter Turbinenstufe gekoppelt ist.
  • Aufgrund der üblichen Bauweise von Rohrleitungsanordnungen in derartigen Kraftwerken mit einer zentralen Pumpeneinheit ergibt sich der Gesamtdruckverlust in dem Wärmeträgermedium-Kreislauf der geschlossenen Rohrleitungsanordnung aus der Summe aller Einzeldruckverluste in den im Verlauf der Rohrleitungsanordnung durchströmten Rohrleitungen und Komponenten. Diese Einzeldruckverluste aufgrund von hydraulischen Widerständen in den Rohrleitungen und Komponenten addieren sich zu einem entsprechend hohen Gesamtdruckverlust, welcher durch die zentrale Pumpeneinheit vollständig ausgeglichen werden muss. Daraus resultiert ein hoher Systemdruck, wodurch ein entsprechend hoher Designdruck, der Druck für den das Drucksystem ausgelegt ist, von mindestens CLASS300 bei 400°C auf 34,7 bar(g) zum sicheren Betrieb des solarthermischen Kraftwerks notwendig wird. Für diesen Druck müssen alle wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten und Rohrleitungen ausgelegt werden. Hieraus resultieren hohe mechanische Anforderungen an das verwendete Material und ein entsprechend hoher Wartungsaufwand.
  • Werden solarthermische Kraftwerke mit einer zentral gelegenen Pumpenstation betrieben, unterliegt die Auslegung, auch Design genannt, strengen Kriterien. Zum einen ergibt sich der maximal zulässige Anlagendruck aus der Summe der einzelnen Druckverluste der in der gesamten Prozesskette durchströmten Rohrleitungen und Komponenten. Auf diesen Anlagendruck müssen alle Rohrleitungen und mechanischen Komponenten ausgelegt sein. Weiterhin erfordert bei derartigen solarthermischen Kraftwerken die Massen- und/oder Volumenstromregelung für das im Kreislauf geführte Wärmeträgermedium, in der Regel ein Thermoöl, eine streng symmetrische Anordnung der wärmetechnischen Komponenten, insbesondere der Sonnenkollektoren, insbesondere Parabolrinnenkollektoren, deren Versorgungsleitung(en), des thermischen Speichers (Wärmespeicher) und der Dampferzeugungseinheit. Bei üblichen Parabolrinnenkraftwerken, bei denen das Sonnenlicht mittels Parabolrinnenkollektoren auf Absorberrohre gebündelt und die absorbierte Wärme auf ein Wärmeträgermedium übertragen wird, welches die Wärme zu nachfolgenden wärmetechnischen Komponenten zur Dampferzeugung und/oder zur Energiespeicherung transportiert, wird der geschlossene Wärmeträgermedium-Kreislauf von zentral gelegenen und drehzahlgeregelten Pumpen gefördert. Diese sogenannten Hauptpumpen oder Main Pumps sind zentral im Wärmeträgermedium-Kreislauf angeordnet und steuern den gesamten Massen- und/oder Volumenstrom des durch den Kreislauf zu fördernden Wärmeträgermediums. Folglich summieren sich die in den einzelnen Leitungsabschnitten auftretenden Druckverluste zu einem Gesamtdruckverlust, so dass die den Wärmeträgermedium-Kreislauf fluidleitend führende Rohrleitungsanordnung für einen Anlagendruck (Designdruck) von mindestens Class 300 bei 400°C ausgelegt wird, da sich die Gesamtdruckverluste bei diesen Temperaturbedingungen auf ca. 34,7 bar (g) summieren. Bei derartigen Parabolrinnenkraftwerken wird im Vorfeld bei Einrichtung der Anlage in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung und der Leistung der Parabolrinnenkollektoren die bei unterschiedlichen Lastfällen benötigte Pumpendrehzahl und damit indirekt der jeweils erforderliche Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium festgelegt. Der Wärmeträgermediumstrom verteilt sich dann entsprechend der Symmetrie der jeweiligen Rohrleitungsanordnung der Anlage und bei gleichmäßiger, den Druckverhältnissen entsprechender Reduzierung der Leitungsquerschnitte der sogenannten Header-Leitungen gleichmäßig auf die einzelnen Sonnenkollektorstränge des Solarfeldes des Parabolrinnenkraftwerkes. Aus diesem Grund ist das Solarfeld eines solarthermischen Kraftwerkes grundsätzlich streng symmetrisch und eben aufgebaut. Um dennoch auf unsymmetrische Störgrößen reagieren zu können, sind entweder eingangsseitig oder ausgangsseitig an jedem Sonnenkollektorstrang ein automatisch oder von Hand einstellbares Stellventil in der Rohrleitungsanordnung angeordnet. Dadurch wird der Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium derart geregelt, dass das Wärmeträgermedium die jeweiligen Sonnenkollektorstränge mit der für die Dampferzeugung in der Dampferzeugungsstufe oder die Einspeicherung in einen Wärmespeicher notwendigen und insbesondere optimalen Austrittstemperatur verlässt. Hierzu ist es notwendig, einen hydraulischen Abgleich durchzuführen. Weil der am weitesten entfernte Loop oder Sonnenkollektorstrang den größten anzunehmenden Druckverlust hat, wird dort das Regelventil komplett geöffnet. Bei allen anderen Loops oder Sonnenkollektorsträngen wird eine Querschnittsverjüngung durch Drosselung der Regelventile notwendig. Dies generiert zusätzliche Druckverluste, die eine permanente, erhöhte Antriebsenergie der zentralen Pumpenstation erfordert.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Stand der Technik ist es, dass der Anlagengesamtdruck aus der Summe aller in der Prozesskette durchströmten wärmetechnischen Komponenten und Rohrleitungen resultiert. Alle Komponenten müssen daher für diesen relativ hohen Systemdruck oder Anlagengesamtdruck ausgelegt werden. Dies bedingt unter anderem auch erhöhte Anforderungen an die Durchführung und Prüfung von Schweißarbeiten, da die Rohrleitungsanordnung in weiten Teilen aus Metallrohren besteht. Auch ist der Engineeringaufwand für die Ermittlung der sich ergebenden Druckverluste relativ hoch, da das geschlossene Rohrleitungssystem der Rohrleitungsanordnung und alle Komponenten bereits im Vorfeld bei der Kraftwerksplanung im Detail ermittelt und bestimmt werden müssen. Weiterer Nachteil ist, dass bei derartigen Anlagen die Regelung der Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums ausgangsseitig eines einzelnen Sonnenkollektorstranges indirekt erfolgt und dadurch eine gewisse Trägheit in Bezug auf das Regelungsverhalten bedingt. Werden in einem solarthermischen Kraftwerk relativ hohe Wärmeträgermedium-Temperaturen mit einem sehr geringen Toleranzbereich benötigt, so besteht die Gefahr, dass die Spiegel eines solchen Sonnenkollektorstranges dann häufig aus der Sonne genommen werden müssen (sogenanntes Dumping, Defokussierung), um zu hohe Temperaturen (Übertemperaturen) zu vermeiden. Dies ist insbesondere notwendig, um sowohl die wärmetechnischen Komponenten als auch das Wärmeträgermedium gegen Zerstörung zu schützen. Ferner sind die Massen- und/oder Volumenströme an Wärmeträgermedium in den einzelnen Kreislaufabschnitten und in den einzelnen wärmetechnischen Komponenten, insbesondere den Sonnenkollektorsträngen, aufgrund der dort jeweils auftretenden komponentenabhängigen unterschiedlichen Druckverluste zunächst grundsätzlich unterschiedlich, so dass diese durch einen entsprechenden hydraulischen Abgleich, beispielsweise durch Drosseln, d. h. Vermindern des Durchgangsquerschnittes, ausgeglichen werden müssen. Dies bedeutet aber nichts anderes als eine kontinuierliche Energievernichtung, was den Wirkungsgrad eines solchen Kraftwerkes vermindert und den eigentlich maximal zu produzierenden Stromoutput vermindert. Dieser negative Effekt wird bei asymmetrisch aufgebauten und/oder uneben aufgebauten Solarfeldern verstärkt. Nachteilig beim bekannten Stand der Technik ist weiterhin, dass die Anlagensteuerung sich insgesamt nicht auf sich ändernde Bedingungen unmittelbar einstellt, beispielsweise wenn sich der Zustand der wärmetechnischen Komponenten aufgrund innerer Ablagerungen oder äußeren Schmutzes hinsichtlich des Wärmeeintrags auf das Wärmeträgermedium (beispielsweise auch bei auftretender Bewölkung und Verschattung der Anlage) ändert. Schließlich besteht ein weiterer Nachteil des bekannten Standes der Technik darin, dass aufgrund der notwendigen hohen Förderleistung der zentral angeordneten Hauptpumpen oder Main Pumps diese als konventionelle Pumpen mit Gleitringdichtungssystem ausgeführt sind, was einen Bedarf an zusätzlichen Hilfssystemen erfordert und immer eine gewissen Leckage mit sich bringt, die insbesondere bei als Wärmeträgermedium eingesetztem Thermoöl deutlich merkbar ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden und den Herstellungsaufwand für die den Wärmeträgermedium-Kreislauf ausbildende Rohrleitungsanordnung zu vermindern.
  • Bei einem solarthermische Kraftwerk der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten jeweils eine den durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente geförderten Massenstrom und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium regelnde und in der Rohrleitungsanordnung angeordnete Fördervorrichtung, insbesondere eine Pumpe, bevorzugt eine Saugpumpe, aufweist, die der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente individuell zugeordnet ist.
  • Ebenso wird die vorstehende Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art dadurch gelöst, dass als Regelgröße eine die Fördermenge der Fördervorrichtung kennzeichnende Kenngröße, insbesondere die zugeordnete Pumpendrehzahl, und/oder der ausgangsseitige Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium der wärmetechnisch Kraftwerkskomponente und/oder die Ausgangstemperatur des Wärmeträgermediums ausgangsseitig der wärmetechnischen Kraftwerkskomponente ermittelt wird/werden und die Kenngröße, insbesondere Pumpendrehzahl, oder die Ausgangstemperatur mittels eines Regel(ungs)kreises auf eine Sollgröße eingeregelt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • In ihrem grundlegenden Aspekt liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, ein dezentrales Pumpenkonzept an den jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten des Wärmeträgermedium-Kreislaufs vorzusehen, bei welchem jede systemrelevante, „mechanische”, wärmetechnische Kraftwerkskomponente mit einer eigenen, individuell zugeordneten Fördervorrichtungs(einheit), insbesondere Pumpen(einheit), ausgestattet ist. Diese jeweilige Fördervorrichtung saugt aus dem vorgeschalteten Systembereich der Rohrleitungsanordnung, insbesondere der Cold Header-Leitung, Wärmeträgermedium an und fördert dieses mit dem jeweils gewünschten Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium durch die jeweils angeschlossene wärmetechnische Kraftwerkskomponente hindurch sowie ausgangsseitig in die jeweils angeschlossene Leitung, in der Regel die Hot Header-Leitung, hinein. Jede in der Prozesskette, d. h. in der den Wärmeträgermedium-Kreislauf ausbildenden Rohrleitungsanordnung, angeordnete wärmetechnische Kraftwerkskomponente erhält eine exakt auf die im Zusammenhang mit der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente gestellten Anforderungen zugeschnittene Fördervorrichtung. Hierbei können dann die ausgangsseitig der jeweiligen wärmetechnischen Komponente ermittelte Temperatur des Wärmeträgermediums und/oder der jeweils ermittelte Volumenstrom des Wärmeträgermediums als Regelgröße für die jeweilige Kenngröße der Fördervorrichtung, insbesondere die Drehzahl einer als Pumpe ausgebildeten Fördervorrichtung, in ein zugeordnetes Regel(ungs)system einfließen.
  • Insbesondere befindet sich die jeweilige Fördervorrichtung eingangsseitig an einer jeden wärmetechnischen Kraftwerkskomponente, insbesondere an einem jeden Sonnenkollektorstrang. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet also ein Kollektorstrang eine wärmetechnische Komponente aus. Die Erfindung zeichnet sich daher in Ausgestaltung dadurch aus, dass die Fördervorrichtung in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums eingangsseitig an der jeweiligen Kraftwerkskomponente angeordnet ist. Eine solche Fördervorrichtung oder ein solches Pumpensystem saugt dann den jeweils gewünschten oder benötigten Massenstrom an Wärmeträgermedium aus dem vorgelagerten Rohrleitungssystem (Cold Header) und fördert das Medium durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente (z. B. Sonnenkollektorstrang) in das nachgelagerte Rohrleitungssystem (Hot Header. Durch die Anordnung dezentraler Fördervorrichtungen, insbesondere Pumpen, an der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente ist es möglich, die beiden Header Leitungen (nachstehend auch als erste und zweite Sammelleitung bezeichnet) in ihrem Durchmesser derart auszulegen, dass das Expansionsvolumen des Wärmeträgermediums aufgrund des Temperaturunterschiedes von der Cold Header-Seite zur Hot Header-Seite kompensiert wird. Ferner könnten die Header-Leitungen mit Stickstoff druckbeaufschlagt werden, was die Ausbildung und Anordnung von Ausdehnungsgefäßen in diesen Leitungen bzw. in der den Wärmeträgermedium-Kreislauf führenden Rohrleitungsanordnung entbehrlich macht.
  • Grundsätzlich ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines solarthermischen Kraftwerkes und des erfindungsgemäßen Regelungskonzeptes, dass im Kern durch eine Regelung der Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums ausgangsseitig der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente gekennzeichnet ist, dass der Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium und damit die Verweilzeit des Wärmeträgermediums in der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente, insbesondere dem jeweiligen Sonnenkollektorstrang, aufgrund der Änderung der Förderung durch die jeweilige Fördervorrichtung jeweils verlängert oder verkürzt wird, um die jeweils gewünschte Austrittstemperatur zu erreichen. Diese jeweilige Verlängerung oder Verkürzung der Verweilzeit bedeutet wiederum, dass die Zeit für den möglichen Wärmeübergang von der Sonne über das Absorberrohr auf das Wärmeträgermedium an jeder oder jeweils ausgewählten wärmetechnischen Kraftwerkskomponente(n) variiert wird. Um die Schwankungen des Wärmestromes zu berücksichtigen und auszugleichen und die Differenz zwischen der jeweiligen Eingangstemperatur und Ausgangstemperatur an einer wärmetechnischen Kraftwerkskomponente, insbesondere Sonnenkollektorstrang, konstant zu halten, sind drei nachstehend erwähnte Regel(ungs)konzepte oder Verfahren vorgesehen.
  • Das vorstehend erwähnte und der Erfindung zugrunde liegende grundlegende Konzept ist auf jede wärmetechnische Kraftwerkskomponente eines solarthermischen Kraftwerks anwendbar, die im Wärmeträgermedium-Kreislauf angeordnet ist, so also auf die Sonnenkollektorstränge, die Dampferzeugungsstufe, Wärmespeicher und Wärmeträgermediumerhitzer. Die Erfindung zeichnet sich daher in Ausgestaltung dadurch aus, dass die wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten in Bezug auf das Wärmeträgermedium strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete Sonnenkollektorstränge und/oder eine Dampferzeugungsstufe und/oder einen Überhitzer und/oder einen Dampferzeuger und/oder einen Vorwärmer, die insbesondere zueinander strömungstechnisch in Reihe geschaltet, und/oder einen Zwischenüberhitzer und/oder einen Wärmespeicher und/oder einen insbesondere brennstoffbefeuerten Wärmemediumerhitzer umfassen oder sind. Bei den Sonnenkollektorsträngen handelt es sich insbesondere um Stränge, die aus einzelnen Parabolrinnenkollektoren oder Parabolspiegelkollektoren aufgebaut sind. Es kann sich aber auch jeweils um einen aus Fresnel-Kollektoren bestehenden Strang handeln. Die wärmetechnische Kraftwerkskomponente kann aber auch ein Solarturm sein.
  • Unter einem solarthermischen Kraftwerk werden im Zusammenhang mit der hier näher erläuterten Erfindung insbesondere Parabolrinnenkraftwerke, aber auch Fresnel-Kollektoranlagen, Solarturmkraftwerke und Paraboloidkraftwerke verstanden. Der Begriff „wärmetechnische Kraftwerkskomponente” umfasst alle Komponenten, die wärmetechnisch in den Wärmeträgermedium-Kreislauf eingebunden sind und insbesondere dem thermodynamischen Energieaustausch dienen oder mit diesem unmittelbar in Zusammenhang stehen.
  • Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass eine individuell an eine wärmetechnische Kraftwerkskomponente anpassbare, aktiv steuerbare Fördervorrichtung einerseits zum Ansaugen des Wärmeträgermediums in die Kraftwerkskomponente und/oder zur Massen- und/oder Volumenstromregelung des Wärmeträgermediums in der Kraftwerkskomponente eingesetzt wird. Hierdurch kann der Massen- und/oder Volumenstrom des Wärmeträgermediums in der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente gegebenenfalls individuell an diese angepasst werden. Insgesamt wird die Umwälzung des Wärmeträgermediums in der Rohrleitungsanordnung des Wärmeträgermedium-Kreislaufs in dem solarthermischen Kraftwerk durch die dezentral angeordneten Fördervorrichtungen bewirkt.
  • Insbesondere ist jeder wärmetechnischen Kraftwerkskomponente eine eigene Fördervorrichtung zugeordnet, durch welche unabhängig von den Fördervorrichtungen in anderen wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten der Massenstrom und/oder der Volumenstrom in der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente geregelt werden kann. Hierbei können Fluss oder Flussdichte geregelt werden. Es können insbesondere unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten oder Drücke in verschiedenen wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten eingestellt werden.
  • Durch die dezentrale Förderung des Wärmeträgermediums kann das Druckniveau in der Rohrleitungsanordnung im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen mit einer zentralen Förderung deutlich gesenkt werden. Die Einzeldruckverluste in den wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten addieren sich bei einer zentralen Förderung des Wärmeträgermediums zu einem entsprechend hohen Gesamtdruckverlust in der Rohrleitungsanordnung, welcher durch die zentrale Fördervorrichtung vollständig ausgeglichen werden muss. Wird die Umwälzung des Wärmeträgermediums erfindungsgemäß durch dezentrale Fördervorrichtungen bewirkt, so brauchen nur noch die wesentlich kleineren Einzeldruckverluste in den wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten dezentral durch die jeweils zugeordnete Fördervorrichtung ausgeglichen zu werden. Aufgrund dieses Absenkens des Druckniveaus in der Rohrleitungsanordnung werden die mechanischen Anforderungen, zum Beispiel in Bezug auf die Stabilität der Leitungen oder auf das verwendete Material für die Rohre, Armaturen und alle weiteren druckbelasteten Komponenten, an die Rohrleitungsanordnung reduziert. Hierdurch werden deutliche Kostenvorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Rohrleitungsanordnungen erzielt.
  • Des Weiteren wird die Planung eines dezentrale Fördervorrichtungen in den wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten aufweisenden Kraftwerks vereinfacht, da die Leistung der Fördervorrichtungen nicht auf das gesamte Kraftwerk, sondern nur jeweils auf die einzelne zugeordnete wärmetechnische Kraftwerkskomponente ausgerichtet werden muss. Außerdem ist ein solches Kraftwerk hierdurch leicht erweiterbar. Insbesondere können standardisierte Pipeline-Komponenten ohne Abänderungen eingebaut werden, wodurch sich erhebliche Kosteneinsparungen ergeben.
  • Die Rohrleitungsanordnung kann unter anderem dazu dienen, das geförderte solarthermische Wärmeträgermedium an in einer Fläche angeordnete wärmetechnische Kraftwerkskomponenten zu verteilen und aus diesen wieder zusammenzuführen. Hierbei wird es ermöglicht, dass durch die dezentrale Anordnung der Fördervorrichtungen unebene oder hügelige Flächen/Gelände besser genutzt werden können. Eine aufgrund erhöhter Druckverluste an Steigungen gegebenenfalls notwendige Drosselung des Wärmeträgermedium-Flusses ist nicht notwendig.
  • Bei der Verwendung von Pumpen als Fördervorrichtung kann die Pumpleistung der Pumpen derart eingestellt werden, dass weitere (zentrale) Prozesspumpen nicht notwendig sind. Die gesamte zur Umwälzung des Wärmeträgermediums notwendige Pumpleistung kann durch die Pumpen in den oder an den wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten bereit gestellt werden. Hierbei wird der Massenstrom und/oder der Volumenstrom mittels Anpassung der Drehzahl der Pumpe(n) geregelt.
  • In Ausgestaltung sieht die Erfindung weiterhin vor, dass die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums ausgangsseitig eine Temperaturmessvorrichtung aufweist, die ausgangsseitig der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente die Temperatur des in die Rohrleitungsanordnung weiterströmenden Wärmeträgermediums erfasst. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die ausgangsseitig an einer wärmetechnischen Kraftwerkskomponente ermittelte Temperatur in ein Regelungskonzept zur Steuerung der Drehzahl oder ähnlichen Kennzahl der zugeordneten Fördervorrichtung zu nutzen.
  • Um ein Regelungskonzept umsetzen zu können, bei welchem die jeweilige Fördervorrichtung, insbesondere Pumpe, mit einer konstanten Drehzahl betrieben wird, sieht die Erfindung eine Ausführungsform vor, bei welcher die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente eine ihre Wärmeträgermediumsausgangsseite mit der Fördervorrichtung fluidleitendend verbindende Rückführleitung aufweist, wobei vorzugsweise in der Rückführleitung ein insbesondere handbetriebenes Stellventil angeordnet ist. Zweckmäßig ist es bei dieser Ausführungsform weiterhin, wenn zudem der Fördervorrichtung in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums eingangsseitig ein insbesondere motorbetriebenes Einlassventil vorgeschaltet ist, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
  • Um den Durchfluss automatisieren, steuern und regeln zu können, ist es gemäß Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, dass die Temperaturmessvorrichtung und/oder das Einlassventil und/oder das Stellventil und/oder die Fördervorrichtung Bestandteil eines den Durchfluss des Massen- und/oder Volumenstroms an Wärmeträgermedium durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente regelnden Steuer- und/oder Regelvorrichtung ist/sind.
  • Die Erfindung ermöglicht es, das Druckniveau innerhalb der Absorberleitungen und der daran angeschlossenen weiteren Leitungen der den Wärmeträgermedium-Kreislauf ausbildenden Rohrleitungsanordnung abzusenken. Insbesondere ist eine Absenkung auf ein Druckniveau PN 25 möglich. Die Erfindung zeichnet sich daher weiterhin dadurch aus, dass die Rohrleitungsanordnung für einen Nenndruck von PN 25 nach der Norm EN 1333 ausgelegt ist.
  • Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Fördervorrichtung stellt eine Spaltrohrmotorpumpe ohne Gleitringdichtungssystem dar, was die Erfindung ebenfalls vorsieht.
  • In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, unterschiedliche Regel(ungs)konzepte oder -systeme auszubilden.
  • In einem diesbezüglichen ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung in Ausgestaltung dadurch aus, dass alle Fördervorrichtungen als Pumpen ausgebildet sind und auf zumindest annähernd dieselbe Drehzahl eingeregelt weiden.
  • Ein zweiter diesbezüglicher Aspekt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung der jeweiligen Kraftwerkskomponente als Pumpe ausgebildet ist und die gewünschte Ausgangstemperatur und/oder der gewünschte Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium durch korrespondierende Einregelung der Pumpendrehzahl eingestellt und geregelt wird.
  • Schließlich ist ein drittes Regel(ungs)konzept in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass die wärmetechnische Kraftwerkskomponente eine ihre Ausgangsseite mit der Fördervorrichtung fluidleitend verbindende Rückführleitung aufweist und die Fördervorrichtung als Pumpe ausgebildet sowie mit einem eingangsseitig vorgeschalteten Einlassventil versehen ist, wobei die Pumpe mit konstanter Drehzahl betrieben und die gewünschte Ausgangstemperatur und/oder der gewünschte Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium durch korrespondierende Einstellung des Einlassventils eingestellt und geregelt wird.
  • Bei allen vorstehend erwähnten Regel(ungs)konzepten wird der jeweilige Massen- und/oder Volumenstrom vorzugsweise mittels einer an der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente angeordneten Fördervorrichtung geregelt. Die Erfindung zeichnet sich daher weiterhin dadurch aus, dass der jeweils durch eine wärmetechnische Kraftwerkskomponente geförderte Massen- und/oder Volumenstrom jeweils mittels Anpassung der Drehzahl einer in der Rohrleitungsanordnung an der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente angeordneten Fördervorrichtung, insbesondere Pumps, geregelt wird. Zudem kann die Regelung durch ein Einstellventil unterstützt werden, was insbesondere bei der Version mit internem Wärmeträgermedium-Kreislauf über eine Rückführleitung zweckmäßig ist. Die Erfindung sieht daher schließlich auch vor, dass mittels eines in einer die wärmetechnische Kraftwerkskomponente von ihrer Ausgangsseite mit der Fördervorrichtung fluidleitend verbindenden Rückführleitung angeordneten Einstellventils der kraftwerkskomponentenausgangsseitige Überdruck des Wärmeträgermediums eingestellt und eingeregelt wird.
  • Insgesamt lassen sich mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk und dem erfindungsgemäßen Verfahren die nachstehend aufgeführten Vorteile erreichen.
  • Es ergibt sich eine deutliche Absenkung des Druckniveaus im gesamten Wärmeträgermedium-Kreislauf. Die diesbezüglichen Rohrleitungsanordnungen können nach DIN/EN-Normen ausgelegt (EN 1333) und bezüglich ihres Druckniveaus auf PN 25 reduziert werden. Dadurch werden die Kosten für die Rohrleitungen an sich und die Armaturen, aber auch für die Schweißnahtprüfungen, erheblich gesenkt. Es ist eine Optimierung des Wirkungsgrades des gesamten Kraftwerkes, insbesondere aufgrund einer deutlichen Reduzierung der Anteile an „Dumping” und „Defokussierung”, möglich. Aufgrund der dezentralen Förderung des Wärmeträgermediums kann der Wärmeübergang auf das Wärmeträgermedium besser reguliert werden und es ist nicht mehr notwendig, die Absorberleitungen beispielsweise „aus der Sonne zu nehmen”, d. h. aus der Brennlinie von Parabolspiegeln bei Parabolrinnenkollektoren zu nehmen. Das Engineering des Wärmeträgermedium-Kreislaufs und die gesamte Kraftwerksplanung vereinfachen sich erheblich, da die jeweiligen Fördervorrichtungen, beispielsweise Pumpenstationen, nur noch in Bezug auf die jeweils zugeordnete wärmetechnische Kraftwerkskomponente ausgelegt werden müssen.
  • Des Weiteren können asymmetrische oder unebene Grundstücke deutlich besser und effizienter genutzt werden. Sonnenkollektorstränge können beispielsweise mit mehreren 180°-Kehren versehen werden und in ansteigendem oder abfallendem Gefälle angeordnet werden, ohne dass dies an anderer Stelle eine strömungstechnische oder hydraulische Gegenmaßnahme, wie beispielsweise eine Eindrosselung des Wärmeträgermediumstroms an Stellen erhöhten Druckverlustes, notwendig macht. Bei unterschiedlichen Höhenniveaus, beispielsweise bei Terrassenbauweise der Sonnenkollektorstränge, ist bei einem erfindungsgemäß ausgestatteten solarthermischen Kraftwerk der Verlust aufgrund eines notwendigen hydraulischen Abgleiches gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Kraftwerken deutlich geringer.
  • Da die Fördervorrichtung vorzugsweise als saugende Pumpsysteme ausgebildet werden, können die Durchmesser der Cold Header und Hot Header einerseits zwar im Durchmesser größer, jedoch ohne Querschnittsverjüngungen in ihrem Verlauf ausgeführt werden. Es können standardisierte Rohre verwendet werden, wodurch sich der Schweißaufwand gegenüber dem Stand der Technik deutlich verringert. Bei der Verwendung entsprechend großer Header-Leitungen können Overflow- und Expansionsbehälter entfallen.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines solarthermischen Kraftwerkes lässt es zu, ein solches später ohne Weiteres zu erweitern. Erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerke können zunächst in kleinen Einheiten mit relativ geringem Investitionsaufwand konzipiert und errichtet und später beliebig erweitert werden.
  • Bei einem Kraftwerk für den reinen Tagesbetrieb, des dann keinen thermischen Wärmespeicher umfasst, ließen sich ohne Weiteres die einem Sonnenkollektorstrang zugeordneten Fördervorrichtungen, insbesondere Pumpen, zum Einsatz als alleinige Förderpumpen ausreichend dimensionieren. Weitere Prozesspumpen sind nicht notwendig. Insbesondere können aufgrund des Aufteilens der Gesamtförderleistung auf kleinere Einheiten alle Fördervorrichtungen als Spaltrohrmotorpumpe ohne Gleitringdichtungssystem ausgeführt werden.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
  • 1 in schematischer Darstellung eine Anordnung wärmetechnischer Kraftwerkskomponenten und einer Rohrleitungsanordnung eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks,
  • 2 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Rohrleitungsanordnung eines erfindungsgemäßen Kraftwerks, und in
  • 3 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform einer Rohrleitungsanordnung eines erfindungsgemäßen Kraftwerks.
  • Das in 1 schematisch dargestellte und insgesamt mit 1 bezeichnete solarthermische Kraftwerk weist einen Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 auf, der eine, ein flüssiges Wärmeträgermedium im Kreislauf führende Rohrleitungsanordnung 3 und mehrere strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete und vom Wärmeträgermedium durchströmte wärmetechnische Kraftwerkskomponenten A umfasst. Die wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten A sind in einzelnen strömungstechnisch parallel zueinander angeordneten Strängen der Rohrleitungsanordnung 3 angeordnet. „Strömungstechnisch parallel” oder „strömungstechnisch in Reihe” geschaltet bezieht sich auf den Fluss und die Strömungsrichtung) des Wärmeträgermediums im Wärmeträgermedium-Kreislaut 2 innerhalb der Rohrleitungsanordnung 3. Über eine Dampferzeugungsstufe 6 ist der Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 thermisch mit einem Wasser/Dampf-Kreislauf 17 einer Turbinenstufe gekoppelt. In dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 strömt in der in den 1–3 durch Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung in mehreren parallel zueinander angeordneten Sonnenkollektorsträngen 5 eines Solarfeldes 18, das aus einer Vielzahl an Parabolspiegeln 19 besteht, solarthermisch erwärmbares Wärmeträgermedium, beispielsweise ein Thermoöl, im Kreislauf. Vom Solarfeld 18 strömt das erwärmte Wärmeträgermedium zu der Dampferzeugungsstufe 6, durchströmt dort einen (solarthermischen) Überhitzer 7, einen (solarthermischen) Dampferzeuger 8 sowie einen (solarthermischen) Vorwärmer 9 und wird dann zum Solarfeld 18 zurückgeführt.
  • Das im Solarfeld 18 erhitzte Wärmeträgermedium gibt über den (solarthermischen) Überhitzer 7, den (solarthermischen) Dampferzeuger 8 und den (solarthermischen) Vorwärmer 9 Wärme an das in entgegengesetzter Richtung durch den Vorwärmer 9, den Dampferzeuger 8 und den Überhitzer 7 geführte Speisewasser des Wasser/Dampf-Kreislaufes 17 ab. Dadurch entsteht Dampf, der im (solarthermischen) Überhitzer 7 eine Temperatur bis etwa 380°C erreichen kann.
  • In dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 ist weiterhin ein Strang angeordnet, in welchem das Wärmeträgermedium thermischen Wärmespeichern 11 und einem mit Biogasbrennstoff befeuerten Wärmeträgermediumerhitzer 12 zuführbar ist. Weiterhin ist in einem weiteren Parallelstrang dem Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 noch ein (solarthermischer) Zwischenüberhitzer 10 angeordnet, mit dem aus einer Hochdruckturbine 20 der Turbinenstufe austretender Dampf nochmals erhitzt werden kann, bevor dieser dann einer Niederdruckturbine 21 der Turbinenstufe zugeführt wird. Die Hochdruckturbine 20 und die Niederdruckturbine 21 sind in den Wasser/Dampf-Kreislauf 17 eingekoppelt, in welchem Wasser/Speisewasser im Gegenstrom zum Wärmeträgermedium durch die Dampferzeugungsstufe 6 geführt wird. Von dem (solarthermischen) Überhitzer 7 gelangt das dann dampfförmige Wasser als überhitzter Dampf zu der Hochdruckseite der Hochdruckturbine 20. Auf der Niederdruckseite der Hochdruckturbine 20 tritt der Dampf aus und wird dann zur Zwischenerhitzung dem (solarthermischen) Zwischenüberhitzer 10 zugeführt. Mit einem der Niederdruckturbine 21 nachgeschalteten Generator 22 wird Strom erzeugt, der beispielsweise in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird.
  • In 1 ist das Solarfeld 18 durch vier parallel zueinander angeordnete Sonnenkollektorstränge 5 dargestellt, die jeweils sieben die Parabolspiegel 19 tragende Parabolrinnenkollektoren oder Parabolrinnensegmente umfassen.
  • Im Rahmen der Rohrleitungsanordnung 3 ist den Sonnenkollektorsträngen 5 eine erste Sammelleitung 24 vorgeschaltet, mittels welcher den Sonnenkollektorsträngen 5 das im Kreislauf geführte Wärmeträgermedium zugeführt wird. In gleicher Weise ist den Sonnenkollektorsträngen 5 eine zweite Sammelleitung 25 nachgeschaltet, in welcher das Wärmeträgermedium nach dem Durchfließen der Sonnenkollektorstränge 5 von diesen fortgeführt wird. Von der ersten und der zweiten Sammelleitung 24, 25 zweigen dann in analoger Weise wie zu den Sonnenkollektorsträngen 5 die weiteren, zu diesen strömungstechnisch parallel angeordneten und die weiteren wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten A aufweisenden Stränge ab. Jedem Kollektorstrang 5 ist individuell eine vorzugsweise aktiv steuerbare Fördervorrichtung 4 in Form einer Pumpe, insbesondere einer Saugpumpe, zugeordnet. Diese jeweilige Fördervorrichtung 4 kann individuell an den jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 angepasst sein. Auf jeden Fall aber lässt sich mittels dieser in der Rohrleitungsanordnung 3 angeordneten Fördervorrichtung 4 der durch den jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 und damit der durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente A geförderte bzw. zu fördernde Massenstrom und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium individuell einstellen und regeln. Die jeweilige Fördervorrichtung 4, insbesondere Pumpe, bevorzugt Saugpumpe, ist in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums eingangsseitig an dem jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 und damit der jeweiligen Kraftwerkskomponente A angeordnet und saugt Wärmeträgermedium aus der ersten Sammelleitung 24, dem sogenannten Cold Header, an. Das durch den jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 geförderte Wärmeträgermedium wird dann ausgangsseitig der zweiten Sammelleitung 25, dem sogenannten Hot Header, zugeführt. Ausgangsseitig ist in der Rohrleitungsanordnung 3 in jedem Sonnenkollektorstrang 5 oder jedem Sonnenkollektorstrang 5 zugeordnet eine Temperaturmessvorrichtung 16 angeordnet. Der jeweilige Sonnenkollektorstrang 5 oder die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente A weist somit in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums ausgangsseitig eine Temperaturmessvorrichtung 16 auf, die ausgangsseitig der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente A oder des jeweiligen Sonnenkollektorstrangs 5 die Ausgangstemperatur des in die Rohrleitungsanordnung 3, hier die zweite Sammelleitung 25, weiterströmenden Wärmeträgermediums erfasst. Die Temperaturmessvorrichtung 16 und/oder die Fördervorrichtung 4 sowie gegebenenfalls die weiter unten näher erläuterten Komponenten Einlassventil 13 und/oder Stellventil 14 sind Bestandteil eines den Durchfluss des Massenstroms und/oder des Volumenstroms an Wärmeträgermedium durch die jeweilige wärmetechnische Komponente A, insbesondere den jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5, regelnden Steuer- und/der Regelvorrichtung.
  • Als weitere wärmetechnische Komponenten A sind in Parallelsträngen der Rohrleitungsanordnung 3 beim Ausführungsbeispiel nach 1 in einem Parallelstrang zwei Wärmespeicher 11 sowie ein brennstoffbefeuerter Wärmeträgermediumerhitzer 12 angeordnet. Jeder dieser wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten ist individuell eine Fördervorrichtung 4, insbesondere Pumpe, bevorzugt Saugpumpe, zugeordnet. Das Gleiche trifft für die in einem weiteren Parallelstrang angeordneten wärmetechnischen Komponenten Überhitzer 7, Dampferzeuger 8 und Vorwärmer 9 zu, die in Reihe geschaltet insgesamt miteinander die Dampferzeugungsstufe 6 ausbilden. In gleicher Weise ist in einem weiteren solarthermisch parallel geschalteten Strang der Rohrleitungsanordnung 3 ein Zwischenüberhitzer 10 angeordnet und ausgestaltet. In nicht dargestellter Weise können auch diese vorstehend aufgeführten wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten A ausgangsseitig jeweils mit einer Temperaturmessvorrichtung ausgestattet sein.
  • In Kombination mit der Temperaturmessvorrichtung 16 oder alternativ dazu kann ausgangsseitig an jeder wärmetechnischen Kraftwerkskomponente A aber auch eine den jeweils aktuellen Massenstrom und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium ausgangsseitig einer jeden wärmetechnischen Kraftwerkskomponente A erfassende Messvorrichtung mit Zugriff auf den darin jeweils fließenden Massen- und/oder Volumenstrom ausgebildet und angeordnet sein.
  • Insgesamt ist die Rohrleitungsanordnung 3 für einen Nenndruck von PN 25 nach der Norm EN 1333 ausgelegt. In besonders zweckmäßiger Weise kann die Fördervorrichtung 4 als Spaltrohrmotorpumpe ohne Gleitringdichtungssystem ausgebildet sein.
  • In dem durch die Rohrleitungsanordnung 3 ausgebildeten Wärmeträgermedium-Kreislauf 2 lässt sich der jeweils durch eine wärmetechnische Kraftwerkskomponente A geförderte Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium dadurch steuern, dass als Regelgröße eine die Fördermenge der Fördervorrichtung kennzeichnende Kenngröße, insbesondere die Pumpendrehzahl der jeweils zugeordneten Fördervorrichtung 4, und/oder der ausgangsseitige Massen- und/oder Volumenstrom der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente A und/oder die Ausgangstemperatur des Wärmeträgermediums ausgangsseitig der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente A ermittelt wird/werden und die Kenngröße, insbesondere die Pumpendrehzahl, und/oder die Ausgangstemperatur, mittels eines Regel(ungs)kreises auf eine Sollgröße eingeregelt wird/werden.
  • Mit der vorstehend im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Ausführungsform lassen sich verschiedene Regel(ungs)konzepte umsetzen.
  • Nach einen ersten Regel(ungs)konzept laufen die Pumpen aller entsprechend ausgestatteten wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten A, insbesondere aber die den Sonnenkollektorsträngen 5 jeweils zugeordneten Pumpen 4, mit gleicher Drehzahl. Nach diesem Konzept werden in Abhängigkeit von der solaren Einstrahlung in das Solarfeld 18 alle Pumpen 4 zentral von einem Kontrollsystem oder einer Regeleinheit gesteuert und mittels Frequenzumrichter mit jeweils gleicher Drehzahl betrieben. Dadurch erzeugen alle Pumpen zumindest annähernd denselben Volumenstrom, der sich dann zu dem auslegungsgemäß erwünschten Gesamtvolumenstrom im Hot Header oder der zweiten Sammelleitung 25 addiert. Im Vorfeld bei Einrichtung der Anlage vor Aufnahme der eigentlichen Betriebsphase erfolgt ein hydraulischer Abgleich im Rahmen einer Kalibrierungsphase auf Basis des auslegungsgemäßen Nennmassenstroms. Dies ist notwendig, weil je weiter die jeweiligen Sonnenkollektorstrang-Pumpen vom Kraftwerksblock, das heißt insbesondere der Dampferzeugungsstufe 6, entfernt sind, geringere Saugdrücke zur Verfügung stehen und diese gegebenenfalls über eine entsprechend höhere Drehzahl kompensiert werden können.
  • Alternativ ist es in einem anderen Regel(ungs)konzept möglich, eine Regelung der mittels der ausgangsseitig jeweils vorgesehenen Temperaturmessvorrichtung 16 erfassten Temperatur je Sonnenkollektorstrang 5 mittels der Anpassung des von der jeweiligen Pumpe 4 geförderten Wärmeträgermedium-Massenstroms zu erreichen. Der Wärmeträgermedium-Massenstrom eines jeden Sonnenkollektorstrangs 5 wird dann individuell der jeweils aktuell gewünschten Anforderung angepasst. Falls Wolken über das Solarfeld 18 ziehen, sind Teile des Solarfeldes oder einzelne Sonnenkollektorstränge 5 einer Verschattung ausgesetzt, was zu einer geringeren Energieabsorption in den jeweiligen Receivern eines Sonnenkollektors führt. Eine individuelle Einstellung oder Einregelung der Drehzahl der einem jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 zugeordneten Pumpe 4 eröffnet nun die Möglichkeit, den jeweiligen Massen- und/oder Volumenstrom zu verringern und damit die Verweilzeit des Wärmeträgermediums in dem jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 zu verlängern. Insbesondere erfolgt die individuelle Einstellung und Regelung der Drehzahlen der jeweiligen Pumpen 4 derart, dass die Wärmeträgermediums-Austrittstemperatur an allen Sonnenkollektorsträngen 5 konstant, insbesondere auch gleich, gehalten wird. Die jeweilige Wärmeträgermedium-Austrittstemperatur aus einem Sonnenkollektorstrang 5 wird dabei unmittelbar als Regelgröße herangezogen.
  • Die 2 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rohrleitungsanordnung 3 eines Wärmeträgermedium-Kreislaufs 2 eines solarthermischen Kraftwerks 1. Die Rohrleitungsanordnung 3 umfasst zwei parallel geschaltete Sonnenkollektorstränge 5, welche von einem Wärmeträgermedium durchflossen werden. Die beiden Sonnenkollektorstränge 5 umfassen jeweils mehrere Parabolrinnenkollektoren 19a, welche hintereinander angeordnet sind. Die einfallende Sonnenstrahlung wird mit auf den Parabolrinnenkollektoren 19a angeordneten Spiegelflächen auf das Wärmeträgermedium, welches in einem Absorberrohr 23, das Bestandteil der Rohrleitungsanordnung 3 ist, die Sonnenkollektorstränge 5 durchströmt, fokussiert. Dadurch wird das Wärmeträgermedium aufgeheizt. Mehrere weitere, nicht dargestellte Sonnenkollektorstränge, welche ebenfalls parallel zueinander und zu den beiden gezeigten Sonnenkollektorsträngen 5 verschaltet sind, bilden ein Solarfeld.
  • Das in den Sonnenkollektorstränge 5 aufgeheizte Wärmeträgermedium wird einer Dampferzeugungsstufe 6 mit angeschlossener, nicht gezeigter Turbinen-Generator-Einheit bereitgestellt. Alternativ kann das aufgeheizte Wärmeträgermedium auch einer thermischen Speichereinrichtung zugeführt werden. Nach Durchlaufen der Dampferzeugungseinheit 6 wird das abgekühlte Wärmeträgermedium zum Solarfeld zurückgeleitet, wodurch der Kreislauf für das Wärmeträgermedium geschlossen wird.
  • Den Sonnenkollektorsträngen 5 ist eine erste Sammelleitung 24 vorgeschaltet, über die das Wärmeträgermedium diesen zugeführt und auf die Sonnenkollektorstränge 5 aufgeteilt wird, und eine zweite Sammelleitung 25 nachgeschaltet, in welche das Wärmeträgermedium nach dem Durchfließen der Sonnenkollektorstränge 5 geleitet wird.
  • Jedem Sonnenkollektorstrang 5 ist eine individuell an den Sonnenkollektorstrang 5 angepasste, aktiv steuerbare Fördervorrichtung 4 zugeordnet, welche eine Pumpe zum Ansaugen des Wärmeträgermediums aus der ersten Sammelleitung 24 in den jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 umfasst. Hierdurch kann der in den Sonnenkollektorstrang 5 eintretende Massenstrom des Wärmeträgermediums geregelt werden. Die Pumpe ist hierbei in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums eingangsseitig an dem jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 angeordnet. Außerdem ist in jedem Sonnenkollektorstrang 5 eine Temperaturmesseinrichtung 16, hier ein Temperatursensor, angeordnet, mittels welcher die Temperatur des Wärmeträgermediums ausgangsseitig eines jeden Sonnenkollektorstrangs 5 gemessen werden kann.
  • Diese Ausführungsform lässt sich ebenfalls wie folgt betreiben:
    In Abhängigkeit von der solaren Einstrahlung werden alle Pumpen 4 zentral gesteuert und mit der gleichen Drehzahl betrieben. Die Steuerung der Pumpen 4 wird hierbei mit Frequenzumrichtern durchgeführt. Der Massenstrom des Wärmeträgermediums in allen Sonnenkollektorsträngen 5 ist gleich, da die durch die Drehzahl der Pumpen 4 definierte Saugleistung zwischen den Sonnenkollektorsträngen 5 nicht variiert. Der Massenstrom des Wärmeträgermediums in den Sonnenkollektorsträngen 5 wird hierbei derart eingestellt, dass die Summe der Einzelmassenströme der jeweiligen Sonnenkollektorsträngen 5 in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums ausgangsseitig des Solarfeldes einen geforderten Gesamtvolumenstrom in der zweiten Sammelleitung 25 ergibt. Durch Variation der Drehzahl der Pumpen können Schwankungen des Wärmeeintrags auf die Sonnenkollektorstränge 5 zum Beispiel aufgrund von sich ändernder Sonneneinstrahlung ausgeglichen werden und kann die Differenz der Temperatur des Wärmeträgermediums in der ersten Sammelleitung 24 und der Temperatur des Wärmeträgermediums in der zweiten Sammelleitung 25 konstant gehalten werden.
  • Ebenso ist eine Regelung wie folgt möglich:
    Der Massenstrom des Wärmeträgermediums durch die Sonnenkollektorstränge 5 wird für jeden Sonnenkollektorstrang 5 entsprechend der jeweiligen Anforderung einzeln geregelt. Das heißt insbesondere, dass die Drehzahl der jeweiligen Pumpe 4 für jeden Sonnenkollektorstrang 5 individuell eingestellt wird. Als Regelungsgröße dient hierbei direkt und unmittelbar die am Auslass des jeweiligen Sonnenkollektorstrangs 5 mit der Temperaturmesseinrichtung 16 gemessene Temperatur. Ist diese zu niedrig wird die Drehzahl der Pumpe 4 verringert, um eine höhere Verweilzeit des Wärmeträgermediums in dem Sonnenkollektorstrang 5 zu erzielen und damit eine Verlängerung der Zeit zu erreichen, in der Wärme auf das Wärmeträgermedium übertragen wird. Eine solche Situation tritt beispielsweise dann auf, wenn der Sonnenkollektorstränge 5 teilweise verschattet ist und somit eine geringere Energieabsorption vorliegt. Die Temperatur mit der das Wärmeträgermedium die Sonnenkollektorstränge 5 verlässt wird also konstant gehalten und dient so als direkter Regelungsparameter.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rohrleitungsanordnung. Hierbei werden dieselben Bezugszeichen für dieselben Komponenten verwendet. Der grundlegende Aufbau der Ausführungsform in 3 ist identisch mit der in 2 gezeigten Anordnung. Im Folgenden sind die Unterschiede beschrieben.
  • Jeder Fördervorrichtung 4 ist eingangsseitig ein unmittelbar nach der Abzweigung von der ersten Sammelleitung 24 in den jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 angeordnetes motorbetriebenes Einlassventil 13 vorgeschaltet.
  • Zusätzlich weist jeder Sonnenkollektorstrang 5 eine Rückführleitung 15 auf, die die Ausgangsseite des Sonnenkollektorstrangs 4 – und damit einer wärmetechnischen Kraftwerkskomponente – mit der Eingangsseite der zugeordneten Fördervorrichtung 4 fluidleitend verbindet, so dass (das) Wärmeträgermedium nach dem Durchlaufen des jeweiligen Sonnenkollektorstrangs 5 diesem erneut zugeführt werden kann. Hierzu verbindet die Rückführleitung 15 einen ersten Leitungsabschnitt 26 am Einlass des Sonnenkollektorstrangs 5 zwischen der Fördervorrichtung 4 und dem motorbetriebenen Einlassventil 13 mit einem zweiten Leitungsabschnitt 27 am Auslass des Sonnenkollektorstrangs 5.
  • In der vom zweiten Leitungsabschnitt 27 abzweigenden Rückführleitung 15 ist ein handbetriebenes, stufenlos einstellbares Stellventil 14 angeordnet. Durch Variation der Ventilöffnungsstellung des Stellventils 14 ist insbesondere die Menge des rezirkulierenden Wärmeträgermediums, aber auch ein definierter, auch an der zweiten Sammelleitung 25, dem Hot Header, anstehender Überdruck, einstellbar.
  • Bei dieser Ausführungsform wird eine jede Pumpe 4 in dem jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 mit einer konstanten Drehzahl betrieben, die ihrem idealen Arbeitspunkt hinsichtlich des Pumpenwirkungsgrades entspricht. Daher wird in dieser Ausgestaltung ein Frequenzumrichter zur Steuerung der Pumpen nicht benötigt. Mit dem motorbetriebenen Einlassventil 13 wird der aus der ersten Sammelleitung 24 in den jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 eintretende Massen- und/oder Volumenstrom an kaltem Wärmeträgermedium geregelt und bestimmt. Die Regelung des motorbetriebenen Einlassventils 13 erfolgt hierbei individuell angepasst auf jeden Sonnenkollektorstrang 5 mittels einer zentralen, nicht dargestellten Regelungseinheit, die als Regelungsparameter die Temperatur des Wärmeträgermediums am Auslass des Sonnenkollektorstrangs 5 von dem dort angebrachten Temperatursensor 16 übermittelt bekommt. Zusätzlich sind insbesondere mittig in und/oder an den Parabolrinnenkollektoren 19 angebrachte Temperaturfühler 26 vorhanden, die in die Regelung einbezogen werden. Bei dieser Regelung setzt sich das Messglied für die Regelung des Stellantriebs des jeweiligen Stellventils 14 aus der Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums aus dem jeweiligen Sonnenkollektorstrang 15 und den in der Mitte der im Ausführungsbeispiel jeweils vier Kollektoren mittels der Temperaturfühler 26 erhaltenen Temperatursignale zusammen.
  • Mit Hilfe des handbetriebenen Stellventils 14 wird der Druck stromaufwärts des Stellventils 14 und damit sowohl der Druck innerhalb des Sonnenkollektorstrangs 5 als auch der an der zweiten Sammelleitung 25 anstehende Überdruck einmalig entsprechend der Pumpenleistung eingestellt. Der Staudruck in Fließrichtung des Wärmeträgermediums vor dem handbetriebenen Stellventil 14 entspricht dabei dem in der zweiten Sammelleitung 25 geforderten Druck.
  • Wird das motorbetriebene Einlassventil 13 geschlossen, zirkuliert bei laufender Pumps 4 das Wärmeträgermedium in dem jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 und wird folglich erwärmt. Sobald eine geforderte Solltemperatur mit dem Temperatursensor der Temperaturmessvorrichtung 16 am Auslass des Sonnenkollektorstrangs 5 gemessen wird, wird das motorbetriebene Einlassventil 13 automatisch geöffnet und kaltes Wärmeträgermedium strömt aus der ersten Sammelleitung 24 nach. Die Regelung des nachströmenden Massenstroms erfolgt hierbei derart, dass die Temperatur des aus dem Sonnenkollektorstrang 5 austretenden Wärmeträgermediums nahezu konstant ist bzw. der dort geforderten Solltemperatur entspricht. Die Wärmeaufnahme wird durch die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums bestimmt und über den Massenstrom geregelt. Aufgrund des definierten Nennmassenstroms im jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 stellt sich bei dieser Regelung eine definierte Strömungsgeschwindigkeit ein, aus der sich wiederum die Verweilzeit des Wärmeträgermediums im jeweiligen Sonnenkollektorstrang ergibt. Dies entspricht der Totzeit bei der Regelung im jeweiligen Sonnenkollektorstrang 5 und wird vorzugsweise durch entsprechende weitere Messglieder in der dieses dritte Regelkonzept umsetzenden Regelkette kompensiert.
  • Das erfindungsgemäße Konzept ist vorstehend anhand eines solarthermischen Parabolrinnenkraftwerkes beschrieben. Denkbar ist jedoch auch der Einsatz der beschriebenen spezifischen Massen- und/oder Volumenstromregelung bei anderen Anwendungen. Denkbar ist die Anwendung bei sämtlichen Anwendungen, in denen Fluide über große Flächen in parallelen Strängen verteilt und wieder eingesammelt bzw. zusammengeführt werden. Dies kann beispielsweise mit Futtermitteln beaufschlagtes Wasser für Fischzuchtbecken sein. Die Anwendung ist auch bei nicht oder schwach konzentrierender Solaranwendung, wie zur Wärmegewinnung oder Nutzung der photonischen Energie für solarchemische Prozesse denkbar. Auch bei anderen parallel betriebenen konzentrierenden Solarsystemen, wie Dish-Farmen (ohne individuelle Sterling-Motoren) oder Solarturmsystemen mit mehreren Türmen (sogenannten Multi-Tower-Arrays), ist die Anordnung einer individuellen Fördervorrichtung 4 an der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente und die Durchführung eines der vorstehend beschriebenen Regelungskonzepte möglich.
  • Mit der Erfindung lassen sich aber auch andere Regelungskonzepte umsetzen. So ist es möglich, dass mit mindestens einer in der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente A ausgangsseitig an der bei den Ausführungsbeispielen vorgesehenen Position der Temperaturmessvorrichtung 16 angeordneten alternativen Messvorrichtung ein Regel(ungs)parameter, eben insbesondere eine Temperatur, aber auch eine Temperaturdifferenz, eine Zeit, ein Druck und/oder eine Stoffzusammensetzung bestimmt wird/werden und der jeweilige Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium derart geregelt wird, dass der dann gemessene und der Regelung zugrunde gelegte Regelparameter einem vordefinierten Regelsollparameter entspricht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10128562 C1 [0003]
    • DE 10152971 C1 [0003]
    • DE 102007013430 A1 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Norm EN 1333 [0026]
    • EN 1333 [0034]
    • Norm EN 1333 [0050]

Claims (15)

  1. Solarthermisches Kraftwerk (1) mit einem Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) umfassend eine ein flüssiges Wärmeträgermedium im Kreislauf führende Rohrleitungsanordnung (3) und mehrere strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete und vom Wärmeträgermedium durchströmte wärmetechnische Kraftwerkskomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten (A) jeweils eine den durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) geförderten Massenstrom und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium regelnde und in der Rohrleitungsanordnung (3) angeordnete Fördervorrichtung (4), insbesondere eine Pumpe, bevorzugt eine Saugpumpe, aufweist, die der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente individuell zugeordnet ist.
  2. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (4) in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums eingangsseitig an der jeweiligen Kraftwerkskomponente (A) angeordnet ist.
  3. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten (A) in Bezug auf das Wärmeträgermedium strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete Sonnenkollektorstränge (5) und/oder eine Dampferzeugungsstufe (6) und/oder einen Überhitzer (7) und/oder einen Dampferzeuger (8) und/oder einen Vorwärmer (9), die insbesondere zueinander strömungstechnisch in Reihe geschaltet, und/oder einen Zwischenüberhitzer (10) und/oder einen Wärmespeicher (11) und/oder einen insbesondere brennstoffbefeuerten Wärmemediumerhitzer (12) umfassen oder sind.
  4. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums ausgangsseitig eine Temperaturmessvorrichtung (16) aufweist, die ausgangsseitig der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente (A) die Temperatur des in die Rohrleitungsanordnung (3) weiterströmenden Wärmeträgermediums erfasst.
  5. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) eine ihre Wärmeträgermediumsausgangsseite mit der Fördervorrichtung (4) fluidleitendend verbindende Rückführleitung (15) aufweist, wobei vorzugsweise in der Rückführleitung (15) ein insbesondere handbetriebenes Stellventil (14) angeordnet ist.
  6. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fördervorrichtung (4) in Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums eingangsseitig ein insbesondere motorbetriebenes Einlassventil (13) vorgeschaltet ist.
  7. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessvorrichtung (16) und/oder das Einlassventil (13) und/oder das Stellventil (14) und/oder die Fördervorrichtung (4) Bestandteil eines den Durchfluss des Massenstroms und/oder des Volumenstroms an Wärmeträgermedium durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A)) regelnden Steuer- und Regelvorrichtung ist/sind.
  8. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungsanordnung für einen Nenndruck von PN 25 nach der Norm EN 1333 ausgelegt ist.
  9. Solarthermisches Kraftwerk (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (4) als Spaltrohrmotorpumpe ohne Gleitringdichtungssystem ausgebildet ist.
  10. Verfahren zur Regelung des durch eine wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) eines solarthermischen Kraftwerks (1) geförderten Massenstroms und/oder Volumenstroms an Wärmeträgermedium, wobei das solarthermische Kraftwerk (1) einen Wärmeträgermedium-Kreislauf (2) aufweist, der eine ein flüssiges Wärmeträgermedium im Kreislauf führende Rohrleitungsanordnung (3) und mehrere strömungstechnisch parallel zueinander angeordnete und vom Wärmeträgermedium durchströmte wärmetechnische Kraftwerkskomponenten (A) aufweist, und wobei mindestens ein Teil der wärmetechnischen Kraftwerkskomponenten (A) jeweils eine den durch die jeweilige wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) geförderten Massenstrom und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium regelnde und in der Rohrleitungsanordnung (3) angeordnete Fördervorrichtung (4), insbesondere eine Pumpe, bevorzugt eine Saugpumpe, aufweist, die der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente (A) individuell zugeordnet ist, wobei als Regelgröße eine die Fördermenge der Fördervorrichtung (4) kennzeichnende Kenngröße, insbesondere die zugeordnete Pumpendrehzahl, und/oder der ausgangsseitige Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium der wärmetechnisch Kraftwerkskomponente (A) und/oder die Ausgangstemperatur des Wärmeträgermediums ausgangsseitig der wärmetechnischen Kraftwerkskomponente (A) ermittelt wird/werden und die Kenngröße, insbesondere Pumpendrehzahl, oder die Ausgangstemperatur mittels eines Regel(ungs)kreises auf eine Sollgröße eingeregelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle Fördervorrichtungen (4) als Pumpen ausgebildet sind und auf zumindest annähernd dieselbe Drehzahl eingeregelt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (4) der jeweiligen Kraftwerkskomponente (A) als Pumpe ausgebildet ist und die gewünschte Ausgangstemperatur und/oder der gewünschte Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium durch korrespondierende Einregelung der Pumpendrehzahl eingestellt und geregelt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) eine ihre Ausgangsseite mit der Fördervorrichtung (4) fluidleitend verbindende Rückführleitung (15) aufweist und die Fördervorrichtung (4) als Pumpe ausgebildet sowie mit einem eingangsseitig vorgeschalteten Einlassventil (13) versehen ist, wobei die Pumpe mit konstanter Drehzahl betrieben und die gewünschte Ausgangstemperatur und/oder der gewünschte Massen- und/oder Volumenstrom an Wärmeträgermedium durch korrespondierende Einstellung des Einlassventils (13) eingestellt und geregelt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils durch eine wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) geförderte Massen- und/oder Volumenstrom jeweils mittels Anpassung der Drehzahl einer in der Rohrleitungsanordnung (3) an der jeweiligen wärmetechnischen Kraftwerkskomponente (A) angeordneten Fördervorrichtung (4), insbesondere Pumpe, geregelt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines in einer die wärmetechnische Kraftwerkskomponente (A) von ihrer Ausgangsseite mit der Fördervorrichtung (4) fluidleitend verbindenden Rückführleitung (15) angeordneten Einstellventils (14) der kraftwerkskomponentenausgangsseitige Überdruck des Wärmeträgermediums eingestellt und eingeregelt wird.
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