DE102011083147A1

DE102011083147A1 - Heat storage device i.e. tank, for parabolic trough power plant, has tubes connected in pair-wise by elbow joints running outside storage container, where elbow joints are formed as components separated by tubes, and made of steel

Info

Publication number: DE102011083147A1
Application number: DE102011083147A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-03-21

Abstract

The device (22) has a storage container (12) in which a heat storage medium (14) i.e. zinc-aluminum alloy, is accommodated, and pulled off by two tubes (24) through which heat transportation fluid flows. The tubes are connected in pair-wise by elbow joints (26) running outside the storage container. The elbow joints are formed as components separated by the tubes, and made of steel. The tubes are made of ceramic- or glass material such as magnesium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, quartz glass and glassy carbon.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung für ein solarthermisches Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. The invention relates to a heat storage device for a solar thermal power plant according to the preamble of patent claim 1.

Bei solarthermischen Kraftwerken wird eingestrahlte Sonnenstrahlung durch Spiegel oder dergleichen auf einen Strahlungsempfänger konzentriert, wodurch ein im Strahlungsempfänger zirkulierendes Wärmeübertragungsmedium erhitzt wird. Hierbei kann es sich entweder um ein Öl handeln, dessen Wärmeenergie später in einem Wärmetauscher auf Wasser bzw. Dampf übertragen wird, der letztendlich eine Dampfturbine antreibt. Auch solarthermische Kraftwerke mit einem direkten Dampfkreislauf sind bekannt, bei denen das Wasser bzw. der Dampf direkt durch die Strahlungsempfänger zirkuliert. In solar thermal power plants irradiated solar radiation is concentrated by mirrors or the like on a radiation receiver, whereby a circulating in the radiation receiver heat transfer medium is heated. This can either be an oil whose heat energy is later transferred to water or steam in a heat exchanger, which ultimately drives a steam turbine. Also, solar thermal power plants with a direct steam cycle are known in which the water or steam circulates directly through the radiation receiver.

Ein bekannter Typ von solarthermischen Kraftwerken sind die so genannten Parabolrinnenkraftwerke, bei denen das Sonnenlicht mittels rinnen- bzw. trogförmiger Spiegel mit parabolischen Querschnittsprofil konzentriert wird. Als Strahlungsempfänger dienen dabei Rohre, die entlang der Brennlinie dieser Spiegel verlaufen. One known type of solar thermal power plant is the so-called parabolic trough power plants, in which the sunlight is concentrated by means of trough-shaped mirrors with parabolic cross-sectional profile. As a radiation receiver serve pipes that run along the focal line of these mirrors.

Um eine Produktion von elektrischer Energie auch bei Bewölkung bzw. in den Abend- oder Nachtstunden zu erlauben, weisen derartige Kraftwerke meist noch Wärmespeichervorrichtungen auf. Hierbei handelt es sich um Tanks, die mit einem Wärmespeichermedium gefüllt sind und durch die sich Rohre für das Wärmetransportfluid erstrecken. Steht, beispielsweise bei starkem Sonneneinfall, überschüssige thermische Energie zur Verfügung, so wird ein Teil des Wärmetransportfluids nicht zur Dampfturbine, sondern durch diesen Speicherbehälter geleitet, in welchem es seine thermische Energie an das Wärmespeichermedium abgibt. In order to allow a production of electrical energy even in cloudy weather or in the evening or night, such power plants usually still heat storage devices on. These are tanks that are filled with a heat storage medium and through which pipes for the heat transfer fluid extend. Is, for example, in strong sunlight, excess thermal energy available, so a part of the heat transfer fluid is not directed to the steam turbine, but through this storage tank, in which it emits its thermal energy to the heat storage medium.

Eine besonders nützliche Stoffklasse zur Verwendung als Wärmespeichermedium sind die so genannten Phasenübergangsmaterialien (Phase Change Materials PCM). Solche Materialien weisen in Betriebstemperaturbereich des solarthermischen Kraftwerks einen Phasenübergang mit hoher latenter Wärme auf. Die eingeleitete Wärmeenergie kann dann den Phasenübergang des Wärmespeichermediums antreiben, wodurch eine große Energiemenge gespeichert werden kann, ohne dass sich die Temperatur des Wärmespeichermediums wesentlich ändert. Ein Beispiel für ein derartiges Material sind Zink-Aluminium-Legierungen. Während solche Legierungen zwar hervorragende thermodynamische Eigenschaften aufweisen, sind sie doch mit dem Nachteil behaftet, dass sie gerade gegenüber Stahl besonders korrosiv wirken. Dieser Korrosion muss entgegengewirkt werden, um eine hinreichende Lebensdauer der Wärmespeichervorrichtung sicherzustellen. A particularly useful class of material for use as a heat storage medium are the so-called Phase Change Materials (PCM). Such materials have a phase transition with high latent heat in the operating temperature range of the solar thermal power plant. The introduced heat energy can then drive the phase transition of the heat storage medium, whereby a large amount of energy can be stored without the temperature of the heat storage medium changes significantly. An example of such a material is zinc-aluminum alloys. While such alloys have excellent thermodynamic properties, they have the disadvantage that they have a particularly corrosive effect on steel. This corrosion must be counteracted to ensure a sufficient life of the heat storage device.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmespeichervorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welche eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist und gleichzeitig leicht zu warten ist. The present invention is therefore based on the object to provide a heat storage device according to the preamble of claim 1, which has a good corrosion resistance and at the same time is easy to maintain.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a heat storage device having the features of patent claim 1.

Eine derartige Wärmespeichervorrichtung für ein solarthermisches Kraftwerk, insbesondere ein Parabolrinnenkraftwerk, umfasst einen Speicherbehälter, in welchem ein Wärmespeichermedium aufgenommen ist und welcher von wenigstens zwei Rohren durchzogen ist, die von einem Wärmetransportfluid durchströmbar sind. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Rohre paarweise durch außerhalb des Speicherbehälters verlaufende Kniestücke verbunden sind, welche als von den Rohren separate Bauteile ausgebildet sind. Such a heat storage device for a solar thermal power plant, in particular a parabolic trough power plant, comprises a storage container, in which a heat storage medium is received and which is traversed by at least two tubes, which are traversed by a heat transfer fluid. According to the invention it is provided that the tubes are connected in pairs by running outside of the storage tank elbows, which are designed as separate from the tubes components.

Dies ermöglicht konstruktive Kompromisse bei der Materialauslegung, insbesondere ist es möglich, die Rohre selbst aus besonders korrosionsbeständigen Materialen herzustellen, während die Kniestücke aus kostengünstigen und leicht zu verarbeitenden, insbesondere leicht zu biegenden Werkstoffen herstellbar sind. Damit wird ein besonders korrosionsbeständige Wärmespeichervorrichtung geschaffen. This allows design compromises in material design, in particular it is possible to produce the pipes themselves from particularly corrosion-resistant materials, while the elbows can be produced from inexpensive and easy-to-process, especially easy-to-bend materials. This creates a particularly corrosion-resistant heat storage device.

Gleichzeitig erlaubt die Verwendung, separater außerhalb des Speicherbehälters gelegene Kniestücke, eine besonders leichte Wartung bzw. Reparatur. Tritt beispielsweise auf Grund von Korrosion an einem der Rohre eine Undichtigkeit auf, so können die entsprechenden Kniestücke entfernt und das Rohr verschlossen werden. Die jeweils benachbarten Rohre werden dann über entsprechend größer dimensionierte Kniestücke unter Überbrückung des defekten Rohres verbunden. At the same time, the use of separate elbows located outside the storage tank allows for particularly easy maintenance and repair. If, for example, a leak occurs due to corrosion on one of the pipes, the corresponding elbows can be removed and the pipe closed. The respective adjacent tubes are then connected via correspondingly larger sized elbows bridging the defective tube.

Eine derartige Wartung ist bei konventionellen, aus dem Stand der Technik bekannten Wärmespeichervorrichtungen nicht möglich, da in diesem Fall die Rohre inkl. der Biegungen vollständig im Behälterinneren verlaufen. Ist der Behälter jedoch zunächst einmal mit dem Wärmespeichermedium gefüllt, welches bei Abkühlung abhärtet, so besteht keine Zugänglichkeit mehr zu den Rohren konventioneller Wärmespeichervorrichtungen. Bei Schäden muss daher die konventionelle Wärmespeichervorrichtung vollständig ausgetauscht werden. Dies wird durch die erfindungsgemäße Lösung vermieden, die eine abschnittsweise bzw. teilweise Reparatur der Wärmespeichervorrichtung im Schadensfall erlaubt und damit in hohem Maße Betriebskosten einspart. Such maintenance is not possible in conventional, known from the prior art heat storage devices, since in this case the tubes including the bends completely in the container interior. However, if the container is initially filled once with the heat storage medium, which cures on cooling, there is no accessibility to the pipes of conventional heat storage devices. In case of damage, therefore, the conventional heat storage device must be completely replaced. This is avoided by the solution according to the invention, which allows a partial or partial repair of the heat storage device in case of damage and thus saves a high degree of operating costs.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Rohre innerhalb des Behälters geradlinig. Dies ermöglicht die Verwendung von Materialen, die zwar eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, jedoch nur schwer zu formen sind. Beispielsweise sind Keramiken, Gläser oder dergleichen nur schwer in gebogener Form herzustellen. Durch die Verwendung geradlinig verlaufender Rohre können so beträchtliche Herstellungskosten eingespart werden. Gleichzeitig sind derartige Keramiken oder Gläser insbesondere aus der Gruppe Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Quarzglas, Glaskohlenstoff oder dergleichen, äußerst korrosionsbeständig gegenüber den meisten üblichen Phasenübergangsmaterialien oder ähnlichen Wärmespeichermedien, so dass ein Verschleiß der Rohre, die in unmittelbaren Kontakt mit diesem Medien stehen, vermieden wird. In a preferred embodiment of the invention, the tubes run in a straight line within the container. This allows the use of materials which, while having high corrosion resistance, are difficult to mold. For example, ceramics, glasses or the like are difficult to produce in a bent form. By using rectilinear tubes so considerable production costs can be saved. At the same time, such ceramics or glasses, in particular from the group of magnesium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, quartz glass, glassy carbon or the like, are extremely corrosion-resistant to most common phase-change materials or similar heat-storage media, thus avoiding wear of the tubes which are in direct contact with this medium becomes.

Auf Grund der leichten Formbarkeit, ist es vorzuziehen, die Kniestücke, welche außerhalb des Behälters angeordnet sind und daher keinen korrosiven Einfluss durch das Wärmespeichermedium unterliegen, aus Stahl auszubilden. Derartige Stahlrohre sind thermisch beständig und können besonders leicht gebogen werden. Dadurch ist eine kostengünstige Herstellung ermöglicht. Because of the ease of molding, it is preferable to form the elbows, which are located outside the container and therefore are not subject to corrosive influence by the heat storage medium, made of steel. Such steel pipes are thermally stable and can be bent very easily. As a result, a cost-effective production is possible.

Als Wärmespeichermedium wird vorzugsweise eine Zink-Aluminium-Legierung verwendet, deren Schmelzpunkt im Bereich der üblichen Betriebstemperaturen von solarthermischen Kraftwagen liegt. Derartige Legierungen weisen gleichzeitig eine hohe latente Schmelzwärme sowie eine hohe spezifische Wärmekapazität auf, so dass in einer derartigen Wärmespeichervorrichtung besonders große Energiemengen gespeichert werden können, ohne dass es dabei zu großen Temperaturschwankungen des Wärmespeichermediums kommt. Hierdurch werden mechanische Belastungen durch thermische Expansion bzw. Kontraktion vermieden, was ebenfalls zur Verschleißbeständigkeit und Dauerhaftigkeit der Wärmespeichervorrichtung beiträgt. Selbstverständlich ist auch die Verwendung anderer Wärmespeichermedien möglich. The heat storage medium used is preferably a zinc-aluminum alloy whose melting point is in the range of the usual operating temperatures of solar thermal motor vehicles. At the same time, such alloys have a high latent heat of fusion and a high specific heat capacity, so that particularly large amounts of energy can be stored in such a heat storage device without there being any great temperature fluctuations of the heat storage medium. As a result, mechanical stresses are avoided by thermal expansion or contraction, which also contributes to the wear resistance and durability of the heat storage device. Of course, the use of other heat storage media is possible.

Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Wärmespeichervorrichtung nach dem Stand der Technik; und 1 a schematic representation of a heat storage device according to the prior art; and

2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung. 2 a schematic representation of an embodiment of a heat storage device according to the invention.

Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Wärmespeichervorrichtung nach dem Stand der Technik umfasst einen Behälter 12, in welchem ein Wärmespeichermedium 14 aufgenommen ist. Bei dem Wärmespeichermedium 14 handelt es sich vorzugsweise um ein Phasenübergangsmaterial, insbesondere eine Zink-Aluminium-Legierung. Eine solche Legierung weist einen Schmelzbereich im üblichen Arbeitstemperaturbereich von solarthermischen Kraftwagen, also zwischen 400 und 450 °C auf und besitzt zudem eine besonders hohe latente Schmelzwärme und eine hohe spezifische Wärmekapazität. One in total with 10 referred to heat storage device of the prior art comprises a container 12 in which a heat storage medium 14 is included. In the heat storage medium 14 it is preferably a phase change material, in particular a zinc-aluminum alloy. Such an alloy has a melting range in the usual operating temperature range of solar thermal motor vehicles, ie between 400 and 450 ° C and also has a particularly high latent heat of fusion and a high specific heat capacity.

Das Wärmespeichermaterial 14 umströmt eine schlangenförmige Rohrleitung 16, die sich mit einer Zuflussöffnung 18 und einer Abflussöffnung 20 durch die Wandung des Behälters 12 erstreckt. Um in der Wärmespeichervorrichtung 10 Wärmeenergie zu speichern, wird heißes Wärmetransportfluid durch die Leitung 16 geleitet und gibt seine Wärmeenergie an das Wärmespeichermaterial 14 ab. Dieses schmilzt dabei auf, wobei ohne nennenswerte Temperaturerhöhung eine besonders große Energiemenge gespeichert werden kann. The heat storage material 14 flows around a serpentine pipe 16 that deals with an inflow opening 18 and a drain opening 20 through the wall of the container 12 extends. To be in the heat storage device 10 To store heat energy, hot heat transport fluid will pass through the pipe 16 passed and gives its heat energy to the heat storage material 14 from. This melts while, without significant increase in temperature, a particularly large amount of energy can be stored.

Soll die gespeicherte Energie wieder entnommen werden, so wird entsprechend kühles Wärmetransportfluid durch die Rohrleistung 16 geleitet, wobei die Wärme aus dem Wärmespeichermedium 14 wieder auf das Wärmetransportfluid übergeht, welches die aufgenommene Energie über einen Wärmetauscher an Wasser bzw. Dampf abgeben kann, der eine schließlich eine Turbine antreibt. If the stored energy to be removed again, so is cool heat transfer fluid through the pipe performance 16 passed, with the heat from the heat storage medium 14 goes back to the heat transfer fluid, which can deliver the absorbed energy via a heat exchanger to water or steam, which finally drives a turbine.

Nachteiligerweise sind Zink-Aluminium-Legierungen gegenüber Stahl besonders korrosiv. Wird die Rohrleitung 16 aus Stahl gefertigt, so muss sie daher aufwendig oberflächenbeschichtet werden, um Korrosion zu vermeiden. Da solche Beschichtungen auf Grund mechanischer Belastungen in Folge von thermischer Ausdehnung bzw. Kontraktion beschädigt werden können, kann es dennoch zu Korrosion kommen. Wird das Rohr 16 durch direkten Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 14 beschädigt, so ist eine Reparatur der Wärmespeichervorrichtung 10 kaum noch möglich, da nach Füllen des Behälters 12 mit der Zink-Aluminium-Legierungen keine Zugänglichkeit mehr zu dem Rohr 16 besteht. Disadvantageously, zinc-aluminum alloys are particularly corrosive to steel. Will the pipeline 16 made of steel, so it must therefore be surface-coated consuming to avoid corrosion. Since such coatings can be damaged due to mechanical stress due to thermal expansion or contraction, it can still lead to corrosion. Will the pipe 16 by direct contact with the heat storage medium 14 damaged, so is a repair of the heat storage device 10 hardly possible, because after filling the container 12 with the zinc-aluminum alloys no accessibility to the pipe 16 consists.

2 zeigt eine deutlich korrosionsstabilere und gleichzeitig besser wartbare Wärmespeichervorrichtung 22. Auch diese umfasst einen Behälter 12, der mit einem Wärmespeichermedium 14 in Form einer Zink-Aluminium-Legierung gefüllt ist. Durch den Behälter 12 erstreckt sich eine Mehrzahl von geradlinig verlaufenden Rohren 24, die mit ihren Endbereichen die Behälterwandung durchdringen. Außerhalb des Behälters 12 sind die Rohre 24 jeweils paarweise über Kniestücke 26 verbunden, wobei auch hier eine Zutrittsöffnung 18 und eine Austrittsöffnung 20 frei bleibt. 2 shows a much more corrosion-resistant and at the same time better maintainable heat storage device 22 , This also includes a container 12 that with a heat storage medium 14 is filled in the form of a zinc-aluminum alloy. Through the container 12 extends a plurality of rectilinear tubes 24 , which penetrate with their end portions of the container wall. Outside the container 12 are the pipes 24 in pairs over elbows 26 connected, whereby also here an access opening 18 and an exit opening 20 remains free.

Auf Grund der geradlinigen Gestaltung der Rohre 24 können diese auch aus spröden, schwer zu biegenden Materialien wie Keramik und/oder Gläsern hergestellt werden. Solche Materialien, insbesondere Oxidkeramiken wie Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, oder auch Gläser, wie Quarzglas oder Glaskohlenstoff, sind gegenüber der Zink-Aluminium-Legierungen besonders korrosionsbeständig, so dass auch unter mechanischen Belastungen der thermischen Ausdehnungen und Kontraktion keine Korrosion der Rohre 24 selbst zu befürchten ist. Due to the rectilinear design of the pipes 24 These can also be made of brittle, difficult to bend materials such as ceramics and / or glasses. Such materials, in particular oxide ceramics such as magnesium oxide, aluminum oxide or zirconium oxide, or glasses such as quartz glass or glassy carbon, are particularly resistant to corrosion of zinc-aluminum alloys, so that even under mechanical loads of thermal expansion and contraction no corrosion of the pipes 24 itself is to be feared.

Tritt dennoch einmal ein Schaden an einem der Rohre 24 ein, so können die Kniestücke 26, die das beschädigte Rohr 24 mit dem benachbarten Rohren 24 verbinden, auf einfachste Weise entfernt werden. Das beschädigte Rohr 24 kann dann verschlossen und durch Kniestücke 26, die dessen benachbarte Rohre 24 miteinander verknüpfen, überbrückt werden. So kann auch eine beschädigte Wärmespeichervorrichtung 22 problemlos weiterbetrieben werden, was die Betriebs- und Wartungskosten deutlich senkt. Nevertheless, a damage occurs on one of the pipes 24 a, so can the elbows 26 that the damaged pipe 24 with the neighboring pipes 24 connect, be removed in the easiest way. The damaged pipe 24 can then be closed and by elbows 26 , its adjacent pipes 24 connect with each other, be bridged. So can a damaged heat storage device 22 be easily continued, which significantly reduces the operating and maintenance costs.

Die Kniestücke 26 können dabei, da sie mit dem Wärmspeichermaterial 14 nicht in Kontakt stehen, auch aus korrosionsanfälligeren Materialien, beispielsweise aus Stahl gefertigt werden, welches besonders einfach zu verarbeiten, insbesondere einfach zu biegen ist, so dass auch die Herstellungskosten einer solchen Wärmespeichervorrichtung 22 gering sind. The elbows 26 can do that, as they are with the heat storage material 14 are not in contact, are also made of corrosion-prone materials, for example made of steel, which is particularly easy to process, in particular easy to bend, so that the production cost of such a heat storage device 22 are low.

Claims

Heat storage device ( 10 ) for a solar thermal power plant, in particular a parabolic trough power plant, with a storage tank ( 12 ), in which a heat storage medium ( 14 ) and which of at least two pipes ( 16 . 24 ), through which a heat transfer fluid can flow, characterized in that the tubes ( 16 . 24 ) in pairs by outside the storage container ( 12 ) running elbows ( 26 ), which are considered by the tubes ( 16 . 24 ) are formed separate components.

Heat storage device ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the tubes ( 16 . 24 ) within the container ( 12 ) run straight.

Heat storage device ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the tubes ( 16 . 24 ) are formed of a ceramic or glass material, in particular from the group of magnesium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, quartz glass, glassy carbon.

Heat storage device ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the elbows ( 26 ) are formed of steel.

Heat storage device ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heat storage medium ( 14 ) is a zinc-aluminum alloy.