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Die Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung für ein solarthermisches Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Bei solarthermischen Kraftwerken wird Sonnenstrahlung mittels Spiegeln oder dergleichen auf einem Empfänger konzentriert. Ein üblicher Typ solcher Kraftwerke ist das so genannte Parabolrinnenkraftwerk, bei welchem die Spiegel rinnenförmig mit parabolischen Querschnittsprofil ausgeführt sind. Als Empfänger dient ein Rohr, welches entlang der Brennlinie eines solchen Spiegels verläuft. Derartige Kraftwerke sind in der Konstruktion und im Betrieb besonders einfach, da in der Regel eine Höhenwinkelnachführung der Spiegel genügt und keine Azimuthnachführung durchgeführt werden muss.
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Da die Sonneneinstrahlung stochastischen Schwankungen unterliegt, weisen derartige Kraftwerke in der Regel noch Wärmespeichervorrichtung auf. Ein in den Empfängerrohren zirkulierendes Fluid, beispielsweise ein Öl, kann seine Wärme einerseits in einem Wärmetauscher an Wasser abgeben, welches verdampft und zum Antrieb einer Turbine genutzt wird. Zum Speichern der eingeleiteten Wärme kann das Fluid alternativ hierzu durch Wärmespeicherbehälter geführt werden, in welchen es seine thermische Energie an einer Speichermedium abgibt. Als solches Speichermedium eignen sich insbesondere so genannte Phasenübergangsmaterialien (Phase change materials PCM), die im Betriebstemperaturbereich des Wärmeübertragungsmediums einen Phasenübergang mit hoher latenter Wärme aufweisen. Bei besonders geringem Temperaturgang kann dabei eine hohe Menge thermischer Energie in dem Speichermedium gespeichert werden. Besonders praktikable Materialien stammen dabei aus der Gruppe der Zink-Aluminium-Legierungen, die sowohl eine hohe latente Schmelzwärme im Arbeitsbereich üblicher Solarkraftwerke als auch eine hohe spezifische Wärmekapazität aufweisen.
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Nachteiligerweise sind derartige Materialien insbesondere gegenüber Stahl sehr korrosiv, so dass die Lebensdauer von Wärmespeichervorrichtung, die sich derartiger Legierung bedienen, oftmals eingeschränkt ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmespeichervorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welche ein hohes Speichervermögen besitzt und gleichzeitig korrosionsresident ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmespeichervorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine solche Wärmespeichervorrichtung für ein solarthermisches Kraftwerk, insbesondere ein Parabolrinnenkraftwerk umfasst einen von einem Wärmetransferfluid fluidisch durchströmbaren Speicherbehälter. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Wärmespeicherbehälter wenigstens ein Wärmespeicherelement angeordnet ist, welches von dem Wärmetransferfluid umströmbar ist. Mit anderen Worten kann mit einer derartigen Vorrichtung das Wärmespeicherelement über seine komplette Oberfläche mit dem Wärmetransferfluid Wärme austauschen. Die Gestaltung als in das Wärmetransferfluid eingetauchtes Speicherelement ermöglicht zudem eine besonders effiziente Kapselung des Wärmespeichermaterials in Wärmespeicherelement, so dass dieses besonders korrosionsstabil gestaltet werden kann.
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Vorzugsweise ist das Wärmespeicherelement in Form eines Kabels ausgebildet. Die Kabelhülle bildet dabei den Schutz für das eigentliche Wärmespeichermaterial, welches vorteilhafterweise in Form einer Seele des Kabels aus einer Zink-Aluminium-Legierung gestaltet ist. Solche Legierungen weisen einen Schmelzpunkt im Bereich der üblichen Arbeitstemperatur von solarthermischen Kraftwerken, also im Bereich von ca. 400°C auf. Gleichzeitig besitzen derartige Legierungen eine hohe latente Schmelzwärme und eine hohe spezifische Wärmekapazität. Dadurch kann im Bereich der üblichen Betriebstemperaturen eine hohe Menge thermischer Energie in derartigen Wärmespeicherelementen gespeichert werden, ohne dass es zu nennenswerten Temperaturschwankungen kommt.
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Im Gegensatz zu bekannten Wärmespeichervorrichtungen, bei denen das Wärmespeichermaterial, hier also die Zink-Aluminium-Legierung, in einem Tank vorgehalten wird, in welchem Rohre zum Wärmeaustausch mit dem Wärmetransferfluid vorgesehen sind, kann bei einer derartigen Wärmespeichervorrichtung ein beschädigtes Wärmespeicherelemente problemlos gewechselt werden, da der Speicherbehälter ja nur vom Wärmetransferfluid durchströmt werden muss. Dieses kann im Unterschied zum Wärmespeichermedium problemlos abgelassen werden, so dass das Speicherinnere zugänglich wird und eine einfache Wartung ermöglich wird.
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Um die langfristige Stabilität der Wärmespeichervorrichtung sicher zu stellen, ist die Seele des Kabels ferner vorzugsweise mit einer Korrosionsschutzschicht umhüllt. Diese vermeidet den unmittelbaren Kontakt zwischen der Zink-Aluminium-Legierung und anderen Stoffen, die im Kontakt mit der genannten Legierung zu Korrosion neigen.
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Zweckmäßig ist es dabei die Korrosionsschutzschicht aus einer Keramik, insbesondere aus Magnesiumoxid auszubilden. Selbstverständlich können auch andere oxidische Keramiken, die im Kontakt mit dem Zink-Aluminium-Legierungen stabil sind und eine hinreichende thermische Leitfähigkeit aufweisen, Anwendung finden.
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Um die notwendige mechanische Stabilität zu gewährleisten und der gegebenenfalls vorhandenen Brüchigkeit der Korrosionsschutzschicht entgegenzuwirken, ist es ferner zweckmäßig, die Korrosionsschutzschicht innerhalb eines Stahlmantels anzuordnen. Mit anderen Worten ergibt sich so eine dreischichtige Gestaltung des Wärmespeicherelements mit einer Seele aus Zink-Aluminium, einer Zwischenlage aus einer keramischen Korrosionsschutzschicht und einem Außenmantel aus Stahl.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Wärmespeichervorrichtung nach dem Stand der Technik und
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2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung.
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Eine Wärmespeichervorrichtung 10 nach dem Stand der Technik, in welcher thermischer Energie eines solarthermischen Kraftwerks zur Pufferung von Sonneneinstrahlungsschwankungen gespeichert werden soll, umfasst einen Behälter 12, der von einem Wärmetransfermedium durchströmbar ist. Hierbei kann es sich beispielsweise ein Öl handeln. Das Öl wird in einem Empfänger des solarthermischen Kraftwerkes mittels konzentrierten Sonnenlichts erhitzt und durch den Behälter 12 geleitet. Im Behälter 12 sind Wärmespeicherelemente 14 vorgesehen, die als Rohre mit einem Stahlmantel 16 ausgebildet sind. Der Stahlmantel 16 umgibt einen Kern aus einer Zink-Aluminium-Legierung 18, die im Bereich der üblichen Betriebstemperaturen von solarthermischen Kraftwagen schmilzt und dabei eine hohe latenter Wärme aufnehmen kann. Die Wärmespeicherung erfolgt somit ohne große Temperaturschwankungen.
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Die Wärmespeichervorrichtung 10 nach dem Stand der Technik, wie sie in 1 dargestellt ist, ist die noch mit dem Nachteil behaftet, dass die Zink-Aluminium-Legierung des Kerns 18 gegenüber dem Stahlmantel 16 stark korrosiv ist. Die Rohre 14 verschleißen daher bei bereits relativ kurzen Betriebszeiten und müssen aufwendig ausgetauscht werden.
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Um die Lebensdauer einer derartigen Wärmespeichervorrichtung zu erhöhen, ist daher ein zusätzlicher Korrosionsschutz vorgesehen. Dies wird in der Wärmespeichervorrichtung 20 nach 2 erreicht. Auch hier ist ein Rohr 22 vorgesehen, welches sich durch einen Behälter 12 erstreckt. Auch in diesem Fall wird der Behälter 12 wieder mit solarthermisch aufgeheiztem Wärmetransfermedium, beispielsweise Öl, durchspült.
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Das Kabel 22 weist einen Kern 18 aus einer Zink-Aluminium-Legierung auf, um die genannten Materialvorteile zu nutzen. Zwischen dem Kern 18 und dem Stahlmantel 16 ist jedoch eine zusätzliche thermisch leitfähige Korrosionsschutzschicht 24 aus einer Keramik angeordnet. Hierbei kann es sich um oxidische Keramischen, beispielsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und dergleichen handeln. Die Korrosionsschutzschicht 24 verhindert einen direkten Kontakt zwischen der Zink-Aluminium-Legierung des Kerns 18 und den Stahlmantel 16, so dass es nicht zu Korrosion kommt. Der Stahlmantel 16 gleicht dabei die Sprödigkeit der Keramikschicht 24 aus, so dass sich ein mechanisch besonders stabiles Wärmespeicherelement 22 ergibt. Sollten dennoch Korrosionserscheinungen auftreten, so kann das Wärmetransfermedium problemlos aus dem Behälter 12 abgelassen werden, so dass die Rohre 22 gewartet werden können.
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Derartige Rohre 22 können problemlos und prozesssicher hergestellt werden, indem beispielsweise zunächst der Kern 18 bereitgestellt und anschließend mit Halbschalen aus vorgesinterter Keramik 24 umgeben werden. Der Stahlmantel 16 kann dann durch übliche Walzverfahren mit anschließendem Längsnahtschweißen angeformt werden.
