DE102011116338B4

DE102011116338B4 - Solarthermisches Kraftwerk sowie Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks

Info

Publication number: DE102011116338B4
Application number: DE201110116338
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Schierack Green Technology GmbH
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: WO2013056752A1; DE102011116338A1; EP2769093A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk (1) mit wenigstens einem Sonnenkollektor (4) eines Solarkreislaufs (2) und einer einem Arbeitskreislauf (3) zugeordneten Expansionsturbine (20), wobei der Solarkreislauf (2) und der Arbeitskreislauf (3) über einen Wärmetauscher (6) miteinander gekoppelt sind und der Solarkreislauf (2) ein erstes Fluid und der Arbeitskreislauf (3) ein zweites Fluid aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des ersten Fluids wenigstens um den Faktor 1,5, bevorzugt um wenigstens den Faktor 3, größer ist als die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des zweiten Fluids. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk, mit wenigstens einem Sonnenkollektor eines Solarkreislaufs und einer einem Arbeitskreislauf zugeordneten Expansionsturbine, wobei der Solarkreislauf und der Arbeitskreislauf über einen Wärmetauscher miteinander gekoppelt sind und der Solarkreislauf ein erstes Fluid und der Arbeitskreislauf ein zweites Fluid aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks.
Solarthermische Kraftwerke der eingangs genannten Art sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Sie weisen mehrere Kreisläufe auf, zumindest jedoch den Solarkreislauf und den Arbeitskreislauf. In dem Solarkreislauf liegt das erste Fluid und in dem Arbeitskreislauf das zweite Fluid vor, wobei keine unmittelbare Strömungsverbindung zwischen dem Solarkreislauf und dem Arbeitskreislauf gegeben ist, sondern lediglich eine Wärmekopplung über den Wärmetauscher. Beide Fluide werden üblicherweise mittels einer Fördereinrichtung in dem jeweiligen Kreislauf umgewälzt. Sowohl der Solarkreislauf als auch der Arbeitskreislauf sind vorzugsweise geschlossene Kreisläufe, was bedeutet, dass die in ihnen enthaltene Fluidmenge des jeweiligen Fluids idealerweise bis auf eventuelle Leckageverluste konstant bleibt.
Das in dem Solarkreislauf vorliegende erste Fluid wird bei Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor in diesem erhitzt, wobei sich seine Enthalpie, insbesondere die in ihm enthaltene innere Energie, vergrößert. Üblicherweise weist daher das erste Fluid im Bereich des strömungstechnisch in dem Solarkreislauf auf den Sonnenkollektor folgenden Wärmetauschers eine höhere Temperatur auf als das zweite Fluid. Mittels des Wärmetauschers kann bedingt durch die Temperaturdifferenz Wärme von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid übertragen werden. Üblicherweise ist der Wärmetauscher als Verdampfer beziehungsweise Überhitzer ausgebildet, sodass das zweite Fluid in ihm verdampft und/oder überhitzt wird. Das zweite Fluid gelangt insoweit in gasförmigem Zustand in die Expansionsturbine. In dieser wird die Totalenthalpie des gasförmigen zweiten Fluids genutzt, um die thermische Energie des zweiten Fluids teilweise, insbesondere mit einem Wirkungsgrad von etwa 75% bis 80%, in mechanische Energie umzuwandeln. Die Expansionsturbine wird beispielsweise zum Antreiben eines Generators und insoweit zur Stromerzeugung verwendet. Die Expansionsturbine kann dabei grundsätzlich beliebig ausgeführt sein, insbesondere als einstufe oder mehrstufige Expansionsturbine beziehungsweise Dampfturbine.
Bei bekannten solarthermischen Kraftwerken wird in dem Solarkreislauf häufig ein Wärmeträgeröl beziehungsweise Thermoöl als erstes Fluid verwendet. Bei normaler Sonneneinstrahlung wird das Wärmeträgeröl des Solarkreislaufs in dem Sonnenkollektor bis auf etwa 420°C erhitzt. Diese Temperatur reicht aus, um das als zweites Fluid in dem Arbeitskreislauf verwendete Wasser auf etwa 390°C zu erwärmen, zu verdampfen und zu überhitzen. Anschließend wird das Wasser in gasförmigem Zustand der Expansionsturbine zugeführt. Der in dem Arbeitskreislauf ablaufende Prozess kann beispielsweise mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses zumindest näherungsweise beschrieben werden. Das zweite Fluid wird entsprechend abwechselnd bei niedrigem Druck kondensiert und bei hohem Druck verdampft. In der vorliegenden Anmeldung werden grundsätzlich absolute Temperaturen in Grad Celsius (°C) und Temperaturdifferenzen in Kelvin (K) angegeben.
Üblicherweise verfügen die bekannten solarthermischen Kraftwerke zusätzlich über einen strömungstechnisch von dem Arbeitskreislauf und dem Solarkreislauf getrennt vorliegenden Speicherkreislauf, in welchem zum Beispiel Salzwasser als Speicherfluid verwendet wird. Beim Betreiben des solarthermischen Kraftwerks können, bedingt durch wechselnde Umgebungsbedingungen, starke Schwankungen in der erzeugbaren elektrischen Leistung auftreten. Aus diesem Grund ist der Speicherkreislauf vorgesehen, um nicht lediglich zur Deckung einer Spitzenlast der Verbraucher einsetzbar zu sein, sondern überdies auch zumindest teilweise zur Abdeckung einer Mittellast beziehungsweise einer Grundlast beitragen zu können. Reicht die Sonneneinstrahlung aus, ist also größer oder gleich einer Auslegungssonneneinstrahlung, so wird mit einem Teil der in dem Arbeitskreislauf beziehungsweise in dem ersten Fluid vorliegenden Wärme das Speicherfluid auf etwa 290°C erwärmt. Sobald die Sonneneinstrahlung geringer ist als die Auslegungssonneneinstrahlung, beispielsweise bei Bewölkung oder nachts, kann es vorkommen, dass die Temperatur in dem Solarkreislauf deutlich, beispielsweise um mehr als etwa 20 K, abfällt.
Weil das Speicherfluid eine geringere Temperatur aufweist als das erste Fluid, die zudem noch kleiner ist als die in dem Arbeitskreislauf benötigte Temperatur, muss bei wenigstens teilweiser Unterbrechung der solaren Wärmezufuhr aus dem Solarkreislauf – trotz der Nutzung von Wärme aus dem Wärmespeicher des Speicherkreislaufs – dem Arbeitskreislauf zur Aufrechterhaltung der für die Expansionsturbine notwendigen Sattdampftemperatur von etwa 390°C zusätzliche externe Wärme zugeführt werden. Bei einer Sonneneinstrahlung unterhalb der Auslegungssonneneinstrahlung arbeiten die aus dem Stand der Technik bekannten solarthermischen Kraftwerke mittels dieser dualen beziehungsweise hybriden Wärmezufuhr maximal etwa acht Stunden, bis die Temperatur des Speichermediums und damit der Wirkungsgrad des solarthermischen Kraftwerks so weit abgesunken sind, dass ein weiteres Betreiben aus energetischer Sicht nicht sinnvoll ist. Die bekannten solarthermischen Kraftwerke können insoweit kaum oder lediglich teilweise zur Abdeckung der Mittellast und der Grundlast dienen.
Beispielsweise zeigt die US 2009/0211249 A1 eine Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie aus Solarenergie. Diese verfügt über einen Speicher um thermische Energie zwischenzuspeichern, welcher einem ersten Kreislauf der Einrichtung zugeordnet ist. Der Speicher weist Kapseln mit Phasenwechselmaterial auf, welche für ein effektives Zwischenspeichern der thermischen Energie sorgen sollen. Der Betriebsbereich dieses Phasenwechselmaterials liegt jedoch lediglich zwischen 100°C und 130°C und mithin unter der Maximaltemperatur eines ersten Wärmeübertragungsfluids. Der Stand der Technik zeigt weiterhin die EP 2 312 130 A1 , die DD 137 753 , die DE 34 20 293 A1 und die DE 28 42 899 A1 .
Es ist insoweit Aufgabe der Erfindung, ein solarthermisches Kraftwerk vorzustellen, welches den eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern ein effizientes Betreiben bei vorübergehend geringer oder ohne Sonneneinstrahlung über einen langen Zeitraum von beispielsweise mehr als acht Stunden, insbesondere ohne Zufuhr von externer Energie, ermöglicht.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem solarthermischen Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des ersten Fluids wenigstens um den Faktor 1,5, bevorzugt um wenigstens den Faktor 3, größer ist als die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des zweiten Fluids. Das bedeutet, dass der Solarkreislauf stets unterkritisch betrieben werden kann, das erste Fluid also nie seine kritische Temperatur und/oder seinen kritischen Druck, welche in dem kritischen Punkt vorliegen, überschreitet. Dennoch reicht auch in dem unterkritischen Betrieb des Solarkreislaufs die Temperatur des ersten Fluids aus, um das zweite Fluid, dessen kritische Temperatur deutlich niedriger ist, zu verdampfen und unter Umständen auch zu überhitzen. Auch bei niedrigen Temperaturen des ersten Fluids nach dem Sonnenkollektor ist damit die darin enthaltene Enthalpie, insbesondere die innere Energie, ausreichend, um das zweite Fluid in dem Wärmetauscher zu verdampfen und/oder zu überhitzen und so in der Expansionsturbine nutzbar zu machen. Die verfügbare Enthalpie des ersten Fluids ist entsprechend größer als die zur Verdampfung notwendige Verdampfungsenthalpie des zweiten Fluids, welche notwendig ist, um dieses von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand zu überführen.
Je deutlicher die kritische Temperatur des ersten Fluids die kritische Temperatur des zweiten Fluids übersteigt, umso effizienter arbeitet das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass das zweite Fluid Eigenschaften aufweist, welche einen Einsatz in dem Arbeitskreislauf erlauben, ohne dass beispielsweise unrealistisch hohe Drücke vor beziehungsweise in dem Wärmetauscher notwendig sind. Das hier vorgestellte solarthermische Kraftwerk eignet sich insbesondere für Nennleistungsbereiche von etwa 10 kW bis zu 2 MW, wobei selbstverständlich auch andere Leistungsbereiche durch entsprechende Auslegung abgebildet werden können. Die Nennleistung wird vorzugsweise in Form von elektrischem Strom bereitgestellt, allerdings sind auch andere Energieformen, beispielsweise mechanische Arbeit, realisierbar.
Die genannten Faktoren beziehen sich auf die kritischen Temperaturen mit der Einheit Grad Celsius. In anderen Einheiten können sich entsprechend andere Faktoren ergeben, die jedoch aus den genannten Werten bestimmbar sind. In der Einheit Kelvin beträgt der Faktor beispielsweise wenigstens 1,5; 1,6; 1,75 oder 2,0. Alternativ oder zusätzlich ist die Siedepunkttemperatur des ersten Fluids in der Einheit Kelvin um einen Faktor von wenigstens 1,3, beispielsweise wenigstens 1,4; wenigstens 1,5 oder wenigstens 1,6, größer als die Siedepunkttemperatur des zweiten Fluids.
Aufgrund des Unterschiedes zwischen den kritischen Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids kann der Arbeitskreislauf bei im Vergleich zu bekannten Kraftwerken niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Beispielsweise wird das zweite Fluid in dem Wärmetauscher bei einem Druck von 60 bar auf etwa 130°C erwärmt, verdampft beziehungsweise überhitzt, und anschließend der Expansionsturbine zugeführt. Auch bei einem starken Temperaturabfall in dem Solarkreislauf durch verringerte Sonneneinstrahlung ist es somit möglich, mittels der Expansionsturbine weiter mechanische Energie und entsprechend elektrischen Strom zu erzeugen. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung wird dabei Strom entsprechend einer Nennleistung des solarthermischen Kraftwerks erzeugt. Verfahrensbedingt ist üblicherweise eine minimale Temperaturdifferenz von 10 K zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid in dem Wärmetauscher notwendig, um eine ausreichend große Wärmemenge von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid übertragen zu können und den Betrieb der Expansionsturbine sicherzustellen.
Der Sonnenkollektor des erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks kann beispielsweise als Parabolrinnenkollektor ausgeführt sein beziehungsweise Parabolrinnenkollektoren aufweisen, wobei eine Absorberleitung des Solarkreislaufs entlang einer Brennlinie eines Kollektorelement, insbesondere eines Spiegels, des Sonnenkollektors verläuft. Alternativ kann der Sonnenkollektor selbstverständlich als Fresnelspiegel-Kollektor oder als Paraboloidkollektor ausgeführt sein. Der Sonnenkollektor besteht insoweit üblicherweise aus dem Kollektorelement und der Absorberleitung, wobei letztere Bestandteil des Solarkreislaufs beziehungsweise an diese angeschlossen ist, so dass die Absorberleitung während des Betriebs des Kraftwerks von dem ersten Fluid durchströmt wird. Das erste Fluid nimmt entsprechend die solare Wärme über eine innere Oberfläche der Absorberleitung auf. Das Kollektorelement ist beispielsweise als Spiegel, insbesondere als Parabolrinne, Fresnelspiegel oder Paraboloidspiegel, ausgeführt. Üblicherweise weist das solarthermische Kraftwerk eine Vielzahl von Solarkollektoren auf, welche insbesondere in zumindest einem Solarfeld zusammengefasst sind.
Neben der Erzeugung von elektrischem Strom kann das hier beschriebene solarthermische Kraftwerk auch – zusätzlich oder alternativ – für eine Meerwasserentsalzungsanlage verwendet werden beziehungsweise eine Energieversorgung einer solchen darstellen. Meerwasserentsalzungsanlagen benötigen neben elektrischer Energie (für Pumpen und dergleichen) vor allem Wärme, um das Salzwasser zu verdampfen und so zu entsalzen. Die Wärme kann dem zweiten Fluid beispielsweise nach der Expansionsturbine, insbesondere in einem Kondensator, entnommen werden. Zu diesem Zweck ist es sinnvoll, die an dieser Stelle verfügbare Wärmemenge zu erhöhen. Dazu kann zum Beispiel das Kraftwerk derart eingestellt werden, dass sich für das zweite Fluid nach dem Entspannen in der Expansionsturbine ein Zustand einstellt, der auf der Taulinie liegt oder ihr zumindest – im Nassdampfgebiet liegend – möglichst nahe kommt. Die mögliche Maximaltemperatur des zweiten Fluids vor dem Eintritt in die Expansionsturbine kann alternativ auch durch eine entsprechende Wahl des zweiten Fluids erhöht werden.
Dem Solarkreislauf ist ein Wärmespeicher zugeordnet, der mehrere Wärmespeichertanks für das erste Fluid des Solarkreislaufs aufweist, wobei die Wärmespeichertanks strömungstechnisch parallel zu dem Wärmetauscher angeschlossen sind. Wie eingangs bereits erwähnt, können aus dem Stand der Technik bekannte solarthermische Kraftwerke über einen (allerdings nicht obligatorischen) Speicherkreislauf verfügen, welcher strömungstechnisch von dem Solarkreislauf und dem Arbeitskreislauf getrennt ist. Beispielsweise liegt in dem bekannten Speicherkreislauf Salzwasser als Speicherfluid vor. Alternativ ist es auch bekannt, einen Wärmespeichertank mit einem Speichermedium, beispielsweise einem Salz oder dergleichen, zu verwenden. Dagegen soll es nun vorgesehen sein, dass der Wärmespeicher unmittelbar dem Solarkreislauf zugeordnet ist und der Wärmespeichertank zur Aufnahme und Zwischenspeicherung des ersten Fluids an den Solarkreislauf angeschlossen ist. Der Wärmespeichertank liegt dabei strömungstechnisch parallel zu dem Wärmetauscher vor.
Der Solarkreislauf weist in Hauptströmungsrichtung insbesondere die folgenden Elemente auf: den Sonnenkollektor, ein Einlassschaltventil, den Wärmetauscher, ein Auslassschaltventil sowie eine Fördereinrichtung zur Förderung des ersten Fluids durch den Solarkreislauf. Das Einlassschaltventil und das Auslassschaltventil weisen jeweils zumindest drei Anschlüsse auf, wobei an das Einlassschaltventil beziehungsweise dessen Anschlüsse der Sonnenkollektor, der Wärmetauscher und der Wärmespeichertank angeschlossen sind. An das Auslassschaltventil beziehungsweise dessen Anschlüsse sind dagegen der Wärmetauscher, die Fördereinrichtung und wiederum der Wärmespeichertank angeschlossen. Der Wärmespeichertank liegt insoweit strömungstechnisch zwischen dem Einlassschaltventil und dem Auslassschaltventil vor. Mittels des Einlassschaltventils und des Auslassschaltventils sind die Massenströme des ersten Fluids durch die jeweiligen Anschlüsse einstellbar, vorzugsweise stufenlos. Das Einstellen kann dabei gesteuert und/oder geregelt erfolgen.
Gegenüber den bekannten solarthermischen Kraftwerken entfällt insoweit die Notwendigkeit, einen separaten Speicherkreislauf vorzusehen. Vielmehr wird unmittelbar das erste Fluid bei hoher Temperatur vorgehalten, um auch längere Zeiträume bei geringer oder ohne Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor, insbesondere unter konstanter Beibehaltung der Nennleistung, überbrücken zu können. Die Temperatur ist dabei insbesondere höher als die kritische Temperatur des zweiten Fluids. Bei der beschriebenen Ausführungsform tritt zudem der Vorteil auf, dass die zur Speicherung notwendigen Volumina deutlich geringer sind als bei aus dem Stand der Technik bekannten solarthermischen Kraftwerken. Beispielsweise ist zur Überbrückung eines Zeitraums von 16 Stunden ohne Sonneneinstrahlung ein Wärmespeichertank mit einem Volumen von 0,2 m³/kW notwendig, um während dieses Zeitraums, der auch als Auslegungszeitraum bezeichnet wird, konstant die Nennleistung des Kraftwerks (beispielsweise in Form von elektrischem Strom) bereitstellen zu können. Die aus dem Stand der Technik bekannten solarthermischen Kraftwerke erfordern dagegen ein Speichervolumen von 0,7 m³/kW für eine lediglich achtstündige Überbrückung. Für diese ist jedoch stets, wie bereits eingangs erwähnt, eine Zufuhr von externer Energie notwendig.
Dieser große Unterschied zwischen den benötigten Speichervolumina resultiert aus der großen Temperaturdifferenz, welche während eines Normalbetriebs des erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, in welchem die Sonneneinstrahlung größer oder gleich der Auslegungssonneneinstrahlung ist, zwischen dem Solarkreislauf und dem Arbeitskreislauf realisiert ist. Diese ermöglicht es, die gespeicherte Wärme in einem Speicherbetrieb, in welchem auf die in dem Wärmespeicher vorliegende Wärme zurückgegriffen wird, auch noch bei – aufgrund der Entnahme der Wärme aus dem Wärmespeicher – deutlich abgesunkener Temperatur des ersten Fluids und damit geringerer Temperaturdifferenz zum Betreiben des Arbeitskreislaufs heranzuziehen.
Der hier beschriebene Wärmespeicher erlaubt entsprechend einen Betrieb des Arbeitskreislaufs beziehungsweise die Erzeugung von elektrischem Strom auch über einen langen Zeitraum mit geringer oder ohne Sonneneinstrahlung, wobei keinerlei Zufuhr von externer Wärme notwendig ist. Dieser Zeitraum ist ausschließlich abhängig von dem vorgesehenen Speichervolumen. Bei entsprechender Auslegung des solarthermischen Kraftwerks beziehungsweise des Wärmespeichers ist also ein kontinuierlicher Betrieb unter Erzeugung von elektrischem Strom erreichbar, wobei periodisch zwischen Normalbetrieb und Speicherbetrieb umgeschaltet wird. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Sonneneinstrahlung während des Normalbetriebs zu diesem Zweck ausreichend sein muss, um das in dem Wärmespeicher beziehungsweise in dem Solarkreislauf vorliegende erste Fluid auf eine Temperatur zu bringen, welche einer Wärmemenge entspricht, die für die gewünschte Zeitdauer des Speicherbetriebs ausreichend ist.
Das solarthermische Kraftwerk weist den hier angesprochenen Wärmespeicher zusätzlich oder alternativ zu den sich um den genannten Faktor unterscheidenden Fluiden auf. Er ist insoweit ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des hier vorgestellten solarthermischen Kraftwerks, welches deutliche Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Kraftwerken bedeutet.
Der Wärmespeicher weist mehrere Wärmespeichertanks auf, sodass das solarthermische Kraftwerk in dem Speicherbetrieb besonders vorteilhaft betrieben werden kann. Dabei ist es vorgesehen, dass lediglich wenigstens einer der Wärmespeichertanks zum Speichern des während des Normalbetriebs erwärmten ersten Fluids dient. Dieser Wärmespeichertank wird im Folgenden als Quelltank bezeichnet. Wenigstens ein weiterer der Wärmespeichertanks wird dagegen während des Normalbetriebs geleert oder liegt bereits in leerer Form vor, so dass er zu Beginn des Speicherbetriebs wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig, leer ist. Dieser Wärmespeichertank wird nachfolgend als Zieltank oder als Auslagerungstank („swap tank”) bezeichnet. Idealerweise sind genauso viele Quelltanks wie Zieltanks vorhanden.
Um nur dem Quelltank das erste Fluid zu entnehmen und nur dem Zieltank zuzuführen, weist der Wärmespeicher entsprechende Stellorgane, insbesondere Stellventile, auf. Mittels diesen kann das dem Wärmespeicher zugeführte erste Fluid gezielt auf die Wärmespeichertanks aufgeteilt, also insbesondere einem bestimmten der Wärmespeichertanks zugeführt werden. Ebenso kann das dem Wärmespeicher entnommene erste Fluid aus einem bestimmten der Wärmespeichertanks herausgeführt werden.
Zu Beginn des Speicherbetriebs ist also der Quelltank mit erwärmtem ersten Fluid gefüllt, während der Zieltank leer ist. Während des Speicherbetriebs wird nun dem Quelltank das erste Fluid zum Betreiben des Arbeitskreislaufs unter Aufrechterhaltung der konstanten Nennleistung herangezogen. Anschließend wird das Fluid jedoch nicht mehr in den Quelltank zurückgeführt, sondern vielmehr in den Zieltank eingebracht. Somit wird ein Abkühlen des in dem Quelltank noch vorhandenen ersten Fluids durch das zurückgeführte Fluid vermieden. Entsprechend steht stets erstes Fluid mit hoher Temperatur, nämlich im Idealfall nahezu der während des Normalbetriebs erreichten Temperatur, zur Verfügung. Selbstverständlich kann sich durch das Zwischenspeichern und die während diesem auftretenden Wärmeverluste ein geringfügiger Temperaturabfall in dem Quelltank ergeben. Dieser ist jedoch deutlich geringer als ein durch das Zurückführen des ersten Fluids in den Quelltank verursachter Temperaturabfall.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn während des Normalbetriebs das erste Fluid dem (nach dem Speicherbetrieb gefüllten) Zieltank entnommen und nach dem Erwärmen in dem Sonnenkollektor dem (nach dem Speicherbetrieb leeren) Quelltank zugeführt wird. Auf diese Weise liegt in dem Quelltank ausschließlich bereits erwärmtes erstes Fluid bei entsprechend hoher Temperatur vor. Dies ermöglicht in einem unmittelbar auf den Normalbetrieb folgenden Speicherbetrieb die Verwendung von erstem Fluid mit der hohen Temperatur und entsprechend eine äußerst effiziente Erwärmung des zweiten Fluids in dem Wärmetauscher. Bei der beschriebenen Vorgehensweise werden die in dem ersten Normalbetrieb oder Speicherbetrieb als Quelltanks verwendeten Wärmespeichertanks in dem darauf folgenden Speicherbetrieb beziehungsweise Normalbetrieb als Zieltank und umgekehrt verwendet. Es liegt insoweit eine alternierende Nutzung der Wärmespeichertanks als Quelltank und als Zieltank vor. Entsprechend werden alle Wärmespeichertanks zumindest zeitweise als Auslagerungstanks beziehungsweise „swap tanks” genutzt.
Weil durch ein Entleeren des Quelltanks ein Druckabfall und durch ein Füllen des Zieltanks ein Druckanstieg auftritt, weisen diese Wärmespeichertanks bevorzugt ein Druckausgleichsmittel auf. Mit diesem wird die Volumenänderung des ersten Fluids in den Wärmespeichertanks ausgeglichen, so dass der Druck im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. Beispielsweise sind jeweils mindestens ein Quelltank und zumindest ein Zieltank über wenigstens eine Druckausgleichsleitung beziehungsweise Pendelleitung miteinander fluidtechnisch verbunden. Dabei ist bevorzugt das jeweils nicht mit dem ersten Fluid gefüllte Volumen in dem Quelltank und/oder dem Zieltank mit einem Füllmittel aufgefüllt. Zum Beispiel kann als Füllmittel ein unter den in dem Solarkreislauf vorliegenden Bedingungen gasförmiges Mittel verwendet werden, welches gegenüber dem ersten Fluid vorteilhafterweise im Wesentlichen inert ist. Insbesondere wird Stickstoff als Füllmittel verwendet. Die Druckausgleichsleitung ist nun so an den Quelltank und den Zieltank angeschlossen, dass lediglich das Füllmittel, nicht jedoch das erste Fluid, zwischen diesen zum Druckausgleich ausgetauscht werden kann. Alternativ kann auch das Innenvolumen des jeweiligen Wärmespeichertanks variabel sein.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass die hier beschriebene Aufteilung in Quelltank und Zieltank im Wesentlichen nur aufgrund der vorstehend beschriebenen, im Vergleich zum Stand der Technik deutlichen Reduzierung der notwendigen Speichervolumina des Wärmespeichers möglich ist. Für die bekannten Kraftwerke ist eine solche Vorgehensweise kaum realisierbar, weil der Platzbedarf für den entsprechenden Wärmespeicher schlichtweg zu groß wäre.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmespeicher eine den Wärmespeichertank zumindest bereichsweise umgebende Isolierung aufweist. Die Isolierung verhindert wenigstens teilweise, dass die Wärme des in dem Wärmespeichertank gespeicherten ersten Fluids an eine Umgebung des Wärmespeichers abgegeben wird. Dabei kann die Isolierung prinzipiell beliebig ausgeführt sein. Sie muss allerdings aus einem Material bestehen, welches schlecht wärmeleitend ist. Zusätzlich oder alternativ ist eine Sicherheitshülle vorgesehen, welche den Wärmespeichertank beziehungsweise wenigstens einen der Wärmespeichertanks, vorzugsweise alle, wenigstens teilweise einschließt. Die Sicherheitshülle ist derart ausgelegt, dass auch bei einem Leck in einem der Wärmespeichertanks die Sicherheit von sich in der Umgebung des Wärmespeichers aufhaltenden Personen gewährleistet ist. Sie verhindert also insbesondere eine schlagartige Verformung des Wärmespeichertanks durch das unter Druck stehende erste Fluid beziehungsweise ein schlagartiges Austreten des ersten Fluids.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Wärmespeicher mehrere, vorzugsweise strömungstechnisch parallel geschaltete Wärmespeichertanks aufweist, die in Zylinderform vorliegen und parallel zueinander angeordnet sind, wobei Zwischenräume zwischen den Wärmespeichertanks mit einem Wärmespeicherstoff, insbesondere Magnesit, zumindest bereichsweise ausgefüllt sind. Mit einer solchen Ausführungsform des Wärmespeichers kann eine besonders hohe Wärmespeicherkapazität pro Volumeneinheit erzielt werden. Bedingt durch die Zylinderform sind die Wärmespeichertanks zudem äußerst druckbeständig, sodass der Arbeitskreislauf mit einer sehr hohen Maximaltemperatur betrieben werden kann, was einen hohen Druck des ersten Fluids bedingt, um einen Wechsel des Aggregatzustands zu verhindern. Die zylinderförmigen Wärmespeichertanks sind beispielsweise strömungstechnisch parallel zueinander angeordnet. Selbstverständlich kann es jedoch auch vorgesehen sein, die Wärmespeichertanks strömungstechnisch hintereinander zu schalten beziehungsweise einige der Wärmespeichertanks parallel zueinander und andere wiederum hintereinander vorzusehen.
Die durch die Bauform und die parallele Anordnung der Wärmespeichertanks bedingten Zwischenräume sind, um die Wärmespeicherfähigkeit des Wärmespeichers zu optimieren, mit dem Wärmespeicherstoff wenigstens bereichsweise ausgefüllt. Der Wärmespeicherstoff ist ein Element, welcher besonders gute Wärmespeichereigenschaften aufweist. Beispielsweise kann Magnesit verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch beispielsweise ein Latentwärmespeicherstoff verwendbar, welcher reversible thermodynamische Zustandsänderungen zur Speicherung der Wärme verwendet. Besonders vorteilhaft ist es selbstverständlich, wenn die Wärmespeichertanks mitsamt dem Wärmespeicherstoff von der vorstehend beschriebenen Isolierung umhüllt sind und zwischen der Isolierung und den Wärmespeichertanks vorliegende Zwischenräume ebenfalls mit dem Wärmespeicherstoff wenigstens bereichsweise, insbesondere vollständig, gefüllt sind. Um die Isolierung herum kann zusätzlich die Sicherheitshülle angeordnet sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das in dem Solarkreislauf vorliegende erste Fluid Wasser oder ein Thermoöl und das in dem Arbeitskreislauf vorliegende zweite Fluid ein Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Alkan, vorzugsweise Propan oder Butan, oder Kohlenstoffdioxid, Ammoniak oder ein Gemisch aus diesen Stoffen ist. Prinzipiell können das erste Fluid und das zweite Fluid beliebig gewählt sein. Besonders bevorzugt ist das erste Fluid bei realisierbaren Drücken, beispielsweise bei etwa 75 bar bis 100 bar, und den in dem Solarkreislauf vorliegenden Temperaturen flüssig. Ein Phasenwechsel des ersten Fluids in dem Solarkreislauf von flüssigem in gasförmigen Zustand ist nachteilig, weil unter Umständen der gesamte Solarkreislauf destabilisiert wird. In flüssigem Zustand kann dagegen mittels des ersten Fluids die maximale Wärmemenge von dem Sonnenkollektor zu dem Wärmetauscher transportiert werden, sodass der Wirkungsgrad des solarthermischen Kraftwerks in diesem Bereich optimal bleibt.
Gleichzeitig soll das in dem Arbeitskreislauf vorliegende zweite Fluid, wie bereits vorstehend beschrieben, eine derart niedrige kritische Temperatur aufweisen, dass auch bei geringen Temperaturen in dem Solarkreislauf ein zuverlässiger Betrieb des Arbeitskreislaufs sichergestellt ist. Geeignete Fluide finden sich beispielsweise in der Stoffgruppe der Kohlenwasserstoffe, insbesondere der Alkane. Vorzugsweise ist das zweite Fluid Propan oder Butan. Alternativ kann jedoch auch Kohlenstoffdioxid, Ammoniak oder ein Gemisch aus den genannten Stoffen als zweites Fluid verwendet werden. Selbstredend können sowohl in dem ersten Fluid als auch dem zweiten Fluid Verunreinigungen und dergleichen vorhanden sein, welche jedoch die wesentlichen Eigenschaften nicht oder lediglich geringfügig beeinflussen. Der kritische Punkt von Wasser wird bei einer kritischen Temperatur T_c = 374,12°C und einem kritischen Druck p_c = 22,12 MPa erreicht. Die kritischen Punkte von Propan, Butan, Kohlenstoffdioxid und Ammoniak liegen bei T_c = 96,9°C und p_c = 4,2 MPa; T_c = 152,01°C und p_c = 3,796 MPa; T_c = 31°C und p_c = 7,38 MPa; und T_c = 132,4°C und p_c = 11,3 MPa. Es wird deutlich, dass die kritischen Temperaturen der für das zweite Fluid angegebenen Stoffe wenigstens um den Faktor 1,5, teilweise jedoch um deutlich mehr, größer sind als die kritische Temperatur des Wassers. Beispielsweise liegt ein Faktor von 2; 2,5; 3 oder mehr vor.
Die kritische Temperatur des zweiten Fluids beträgt insbesondere höchstens 40°C, 80°C, 100°C, 120°C, 140°C, 150°C oder 160°C (diese Werte und alle dazwischen liegenden Werte sowie die vorstehend genannten Temperaturen für die konkreten Stoffe ausdrücklich einschließend). Die kritische Temperatur des ersten Fluids liegt dagegen beispielsweise bei mindestens 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C oder 375°C, wiederum diese, die dazwischen liegenden Werte sowie die genannten kritischen Temperaturen für die konkreten Stoffe einschließend. Dabei soll stets wenigstens der genannte Faktor zwischen den kritischen Temperaturen der beiden Fluide vorliegen.
Zusätzlich kann das zweite Fluid eine Beimischung aufweisen, die beispielsweise eine höhere Kondensationstemperatur und/oder einen höheren Kondensationsdruck aufweist. Auf diese Weise können die genannten Werte des zweiten Fluids in Richtung einer höheren Temperatur beziehungsweise eines höheren Drucks beeinflusst werden. Somit wird es möglich, die Temperatur und/oder den Druck vor der Expansionsturbine zu erhöhen und dennoch nach dem Entspannen in dieser einen Zustand im Nassdampfgebiet, insbesondere auf der Taulinie, zu erreichen. Entsprechend liegt bei ansonsten unverändertem Aufbau des Kraftwerks nach der Expansionsturbine ebenfalls eine höhere Temperatur beziehungsweise ein höherer Druck vor. Dies erhöht die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Restwärme, die über den Kondensator weiteren Bestimmungsorten zugeführt werden kann. Beispielsweise kann die so verfügbare Wärme in der eingangs beschriebenen Meerwasserentsalzungsanlage zum Verdampfen und so zum Entsalzen von Meerwasser eingesetzt werden. Der ebenfalls erzeugte elektrische Strom kann dem Betreiben weiterer Einrichtungen der Meerwasserentsalzungsanlage dienen, zum Beispiel von Pumpen, Steuerungseinrichtungen und dergleichen. Die Beimischung ist vorzugsweise ebenfalls ein Alkan, insbesondere Ethan.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Solarkreislauf ein Bypass zur strömungstechnischen Umgehung des Sonnenkollektors und/oder ein Bypassrücklauf, der auf seiner einen Seite zwischen dem Wärmetauscher und einem Auslass des Wärmespeichertanks und auf seiner anderen Seite an einen Einlass des Wärmespeichertanks angeschlossen ist, vorgesehen sind. Der Bypass zweigt insoweit beispielsweise auf seiner einen Seite zwischen der Fördereinrichtung und dem Solarkollektor ab und mündet auf seiner anderen Seite zwischen dem Einlassschaltventil und dem Wärmetauscher ein. Der Bypassrücklauf kann dagegen beispielsweise auf seiner einen Seite zwischen Wärmetauscher und Auslassschaltventil abzweigen und auf seiner anderen Seite zwischen dem Einlassschaltventil und dem Wärmespeichertank einmünden. Der Bypass dient also dazu, den Sonnenkollektor zu überbrücken, sodass das den Solarkreislauf durchlaufende erste Fluid an dem Sonnenkollektor vorbeigeführt wird. Der Bypassrücklauf ermöglicht dagegen bei Vorliegen des Wärmespeichers ein Entnehmen des in dem Wärmespeicher vorliegenden ersten Fluids in Durchströmungsrichtung des Wärmespeichers beziehungsweise des Wärmespeichertanks. Zusammen mit dem Bypass wird ein Entnehmen des gespeicherten ersten Fluids ermöglicht, ohne dieses nachfolgend durch den Sonnenkollektor führen zu müssen, wobei unter Umständen – bei zu geringer oder nicht vorliegender Sonneneinstrahlung – in dem ersten Fluid gespeicherte Wärme an eine Umgebung des Sonnenkollektors abgegeben werden könnte. Insoweit ist durch den Bypass und den Bypassrücklauf eine Aufrechterhaltung der Nennleistung auch bei geringer Sonneneinstrahlung sichergestellt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Arbeitskreislauf stromabwärts der Expansionsturbine ein Kondensator vorgesehen ist, der mit Umgebungsluft als Kühlmedium betrieben wird oder zumindest einen Teil der stromabwärts der Expansionsturbine in dem zweiten Fluid vorliegenden Wärme wenigstens einem Heizkreislauf zuführt. Der Arbeitskreislauf weist in Strömungsrichtung insbesondere die nachfolgend aufgeführten Elemente auf: den Wärmetauscher, die Expansionsturbine, den Kondensator sowie eine Kondensatpumpe, wobei letztere im Wesentlichen eine Fördereinrichtung für das kondensierte zweite Fluid ist. In der Expansionsturbine wird das zuvor unter hohem Druck und bei hoher Temperatur vorliegende zweite Fluid entspannt und abgekühlt. Dabei beginnt das zweite Fluid, von seinem vor der Expansionsturbine vorliegenden gasförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand überzugehen.
Bei der Expansion ist darauf zu achten, dass der am Ausgang der Expansionsturbine vorliegende Dampfgehalt beziehungsweise Dampfmassenanteil immer noch ausreichend hoch ist, um einen zuverlässigen Betrieb der Expansionsturbine zu gewährleisten. Stromabwärts der Expansionsturbine liegt also vorzugsweise noch ein Großteil des zweiten Fluids als Dampf vor. Um den dampfförmigen Teil des zweiten Fluids wieder in den flüssigen Zustand zu überführen, um ihn erneut dem Wärmetauscher zum Erhitzen beziehungsweise Verdampfen zuführen zu können, muss das zweite Fluid demnach weiter abgekühlt werden. Zu diesem Zweck ist der Kondensator vorgesehen, in welchem das Abkühlen und entsprechend ein Überführen in den flüssigen Zustand erfolgt. Der Kondensator ist im Wesentlichen ein Wärmetauscher, welcher beispielsweise mit Umgebungsluft als Kühlmedium betrieben wird. Das bedeutet, dass dem Kondensator sowohl das zweite Fluid als auch die Umgebungsluft in getrennten Fluidströmen zugeführt werden, um die Umgebungsluft zu erwärmen und entsprechend das zweite Fluid abzukühlen und zu kondensieren. Durch die Verwendung der Umgebungsluft als Kühlmedium entfallen aufwendige Vorrichtungen, welche bei anderen Kühlmedien teilweise notwendig sind.
Alternativ kann der Kondensator auch als Wärmetauscher zwischen dem in dem Arbeitskreislauf vorliegenden zweiten Fluid und dem Heizkreislauf verwendet werden. Dabei wird insoweit wenigstens ein Teil der noch in dem zweiten Fluid vorliegenden Wärme auf den Heizkreislauf beziehungsweise das in diesem vorliegende Heizkreislauffluid übertragen. Über den Heizkreislauf kann die Wärme nachfolgend beliebigen Zwecken zugeführt werden.
Beispielsweise ist es vorgesehen, dass der Heizkreislauf eine Sonnenkollektorheizung, wenigstens einen Heizkörper eines Wohnraums und/oder einen Kühler aufweist, wobei ein in dem Heizkreislauf verwendetes drittes Fluid beziehungsweise Heizkreislauffluid mittels des Kühlers kühlbar oder der Heizkreislauf über den, insbesondere eine Wärmepumpe mit ausbildenden, Kühler an einen weiteren Heizkreislauf angeschlossen ist. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen in der Umgebung des solarthermischen Kraftwerks kann es vorkommen, dass nach einem Zeitraum mit wenig oder gänzlich ohne Sonneneinstrahlung der Sonnenkollektor mit kondensiertem Wasser beziehungsweise sogar Eis bedeckt ist, sodass erst nach einer vergleichsweise langen Zeitdauer mit Sonneneinstrahlung eine Betriebsfähigkeit des solarthermischen Kraftwerks hergestellt ist.
Aus diesem Grund ist die Sonnenkollektorheizung vorgesehen, mit welcher dem Sonnenkollektor ansonsten nicht benötigte Wärme zugeführt werden kann. So kann das auf dem Sonnenkollektor vorliegende kondensierte Wasser beziehungsweise Eis rasch beseitigt und die Betriebsbereitschaft des solarthermischen Kraftwerks hergestellt beziehungsweise aufrecht erhalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Heizkreislauf den Heizkörper des Wohnraums umfassen, sodass der Heizkreislauf zum Beheizen des Wohnraums (oder eines anderen Raums) verwendet wird. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass der Heizkreislauf den Kühler aufweist. In diesem Fall ist der Heizkreislauf beziehungsweise das darin verwendete dritte Fluid mittels des Kühlers auf eine niedrigere Temperatur bringbar, beispielsweise wenn die in dem Heizkreislauf vorliegende Temperatur zu hoch ist, jedoch keine Wärme für das Betreiben der Sonnenkollektorheizung oder des Heizkörpers aufgewandt werden muss.
Alternativ kann der Kühler eine Wärmeübertragungsverbindung zwischen dem Heizkreislauf und einem weiteren Heizkreislauf darstellen. Somit ist eine weitere Verzweigung der ursprünglich an dem Kondensator des Arbeitskreislaufs angefallenen Wärme möglich. Der Kühler kann in einer weiteren Ausführungsform die Wärmepumpe mit ausbilden, also einen Teil derselben darstellen. Auf diese Weise ist der weitere Heizkreislauf bei einer höheren (maximalen) Temperatur betreibbar als der Heizkreislauf selbst.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, insbesondere eines Kraftwerks gemäß den vorstehenden Ausführungen, mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Zum Betreiben des solarthermischen Kraftwerks werden das erste Fluid in dem Solarkreislauf und das zweite Fluid in dem Arbeitskreislauf umgewälzt, wozu in dem Solarkreislauf insbesondere das Fördermittel und in dem Arbeitskreislauf die Kondensatpumpe vorgesehen sind. In dem Wärmetauscher wird die in dem ersten Fluid nach dem Sonnenkollektor vorliegende Wärme beziehungsweise Enthalpie verwendet, um das zweite Fluid durch Einbringen von wenigstens der Verdampfungsenthalpie zu verdampfen und insbesondere durch das Zuführen zusätzlicher Wärme zu überhitzen. Das hierbei verwendete solarthermische Kraftwerk kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das solarthermische Kraftwerk derart eingestellt wird, dass das in dem Solarkreislauf verwendete erste Fluid eine Maximaltemperatur aufweist, insbesondere in oder unmittelbar nach dem Sonnenkollektor, die geringer ist als seine kritische Temperatur, und/oder dass das in dem Arbeitskreislauf verwendete zweite Fluid eine Maximaltemperatur aufweist, insbesondere in oder unmittelbar nach dem Wärmetauscher, die größer ist als seine kritische Temperatur. Das Einstellen des solarthermischen Kraftwerks erfolgt insbesondere durch das Einstellen des jeweiligen Fluiddurchsatzes an dem Fördermittel des Solarkreislaufs und/oder an der Kondensatpumpe des Arbeitskreislaufs sowie des Einlassschaltventils und des Auslassschaltventils. Das Einstellen kann dabei steuernd und/oder regelnd erfolgen. Die Maximaltemperatur des erstens Fluids liegt üblicherweise in oder unmittelbar nach dem Sonnenkollektor vor, in welchem die solare Wärmeenergie in das erste Fluid eingebracht wird. Diese Maximaltemperatur soll stets unterhalb der kritischen Temperatur des ersten Fluids liegen, sodass das erste Fluid stets in flüssiger Form vorliegt. Das bedeutet selbstverständlich, dass der Druck des ersten Fluids in dem Solarkreislauf entsprechend gewählt sein muss. Beispielsweise ist die Maximaltemperatur des ersten Fluids um wenigstens 10% bis 30%, beispielsweise etwa 15% bis 20%, geringer als die kritische Temperatur, wobei die angegebenen Werte auf letztere bezogen sind.
Das zweite Fluid, welches in dem Arbeitskreislauf vorliegt, weist seine Maximaltemperatur üblicherweise in oder unmittelbar nach dem Wärmetauscher auf, in welchem Wärme aus dem ersten Fluid an das zweite Fluid übertragen wird. Dies soll dabei derart erfolgen, dass das zweite Fluid eine Maximaltemperatur aufweist, welche größer ist als die kritische Temperatur des zweiten Fluids. Insoweit soll in dem Wärmetauscher ein Überhitzen des zweiten Fluids vorgenommen werden. Wie bereits vorstehend für das erste Fluid ausgeführt, muss dabei selbstredend der Druck des zweiten Fluids derart gewählt sein, dass dieser ebenfalls größer oder gleich dem kritischen Druck ist.
Es kann also entsprechend auch vorgesehen sein, dass zusätzlich das solarthermische Kraftwerk derart eingestellt wird, dass das in dem Solarkreislauf verwendete erste Fluid unter einem Druck vorliegt, der geringer ist als der kritische Druck seines kritischen Punkts, und/oder dass das in dem Arbeitskreislauf verwendete zweite Fluid unter einem Druck vorliegt, der größer ist als der kritische Druck seines kritischen Punkts.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Maximaltemperatur und der Druck des ersten Fluids so gewählt werden, dass sie auf der Siedelinie des ersten Fluids liegen. Zumindest soll jedoch kein Wechsel des Aggregatzustands erfolgen. Das erste Fluid liegt insoweit stets vollständig in flüssiger Form und nicht, auch nicht teilweise, als Gas vor. Wenn der Zustand, also Temperatur und Druck, des ersten Fluids auf oder zumindest nahe der Siedelinie angeordnet ist, kann dieses in dem Sonnenkollektor eine maximale Wärmemenge aufnehmen und in Richtung des Wärmetauschers transportieren. Insofern ist bei einer solchen Wahl von Maximaltemperaturendruck in dem Solarkreislauf ein optimaler Wirkungsgrad realisiert.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Maximaltemperatur des zweiten Fluids so gewählt wird, dass das zweite Fluid nach der Expansionsturbine einen Zustand in seinem Nassdampfgebiet einnimmt und mindestens einen bestimmten Dampfgehalt, insbesondere zwischen 0,75 und 1,0, aufweist. Der Dampfgehalt kann auch als Dampfmassenanteil bezeichnet werden und gibt die Aufteilung des Fluids in dem Nassdampfgebiet auf seine flüssige und seine gasförmige Phase an. Bei einem Dampfgehalt von Null beziehungsweise 0% liegt das zweite Fluid entsprechend nur in flüssiger Form, bei einem Dampfgehalt von Eins beziehungsweise 100% ausschließlich in gasförmiger Form vor. Um ein effektives Arbeiten des solarthermischen Kraftwerks beziehungsweise dessen Arbeitskreislauf zu gewährleisten, muss der Zustand des zweiten Fluids nach der Expansionsturbine in dem Nassdampfgebiet des zweiten Fluids liegen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der maximale Anteil der in dem zweiten Fluid enthaltenen thermischen Energie in mechanische Energie in der Expansionsturbine umgesetzt wird.
Unmittelbar vor der Expansionsturbine liegt das zweite Fluid ausschließlich in gasförmigem Zustand vor; der Zustand liegt also insoweit auf der Taulinie des zweiten Fluids oder sogar, wenn das zweite Fluid in dem Wärmetauscher überhitzt wurde, bei höherer Temperatur und/oder höherem Druck vor. Während des Entspannens des zweiten Fluids in der Expansionsturbine verlagert sich der momentane Zustand in Richtung der Taulinie beziehungsweise in das Nassdampfgebiet hinein. Um einen hohen Wirkungsgrad der Expansionsturbine zu gewährleisten, darf der Dampfgehalt jedoch nicht zu stark absinken. Insbesondere soll der Dampfgehalt stets größer als der bestimmte Dampfgehalt sein, wobei dieser beispielsweise zwischen 0,75 und 1,0 (diese Werte einschließend) liegt. Vorzugsweise ist der bestimmte Dampfgehalt größer oder gleich 0,9 beziehungsweise kleiner als 1,0.
Schließlich kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass ein Einlassschaltventil und ein Auslassschaltventil eines Wärmespeichers des Solarkreislaufs derart eingestellt werden, dass die Temperatur des zweiten Fluids unmittelbar nach dem Wärmetauscher unabhängig von einer Sonneinstrahlung auf den Sonnenkollektor zumindest über einen bestimmten Zeitraum konstant bleibt. Das Einstellen kann dabei steuernd und/oder regelnd erfolgen. Auf das Einlassschaltventil und das Auslassschaltventil sowie den Wärmespeicher wurde bereits vorstehend eingegangen. Der Wärmespeicher verfügt über den strömungstechnisch mit dem Solarkreislauf verbundenen Wärmespeichertank. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor (mindestens der Auslegungssonneneinstrahlung entsprechend) wird das in dem Wärmespeichertank vorliegende erste Fluid erwärmt. Liegt die Sonneneinstrahlung unter der Auslegungssonneneinstrahlung beziehungsweise entfällt vollständig, so wird das in dem Wärmespeicher vorliegende, bereits erwärmte erste Fluid entnommen, zum Betreiben des Solarkreislaufs auf das zweite Fluid übertragen und so zum konstanten Abgeben der Nennleistung herangezogen. Dabei wird insbesondere keine externe Energie, beispielsweise fossile Energie, zugeführt, um das Betreiben des Arbeitskreislaufs und das Abgeben der Nennleistung sicherzustellen.
Der Arbeitskreislauf kann also ausschließlich mit der in dem Wärmespeicher gespeicherten Wärme beziehungsweise dem darin vorliegenden ersten Fluid zumindest über den bestimmten Zeitraum – der auch als Auslegungszeitraum bezeichnet werden kann – unter Abgabe der konstanten Nennleistung betrieben werden, wobei das zweite Fluid nach dem Wärmetauscher stets zumindest näherungsweise dieselbe Temperatur aufweist beziehungsweise diese nicht unterschreitet. Zu diesem Zweck sollen das Einlassschaltventil und das Auslassschaltventil, welche das Einströmen und das Ausströmen des ersten Fluids aus dem Wärmespeicher bestimmen, derart eingestellt werden, dass das aus dem Wärmetauscher austretende zweite Fluid eine im Wesentlichen gleichbleibende Temperatur aufweist, unabhängig von der momentanen Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor, also sowohl im Normalbetrieb als auch im Speicherbetrieb. Das derartige Betreiben des Arbeitskreislaufs und das konstante Abgeben der Nennleistung werden insbesondere durch das Verhältnis der kritischen Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids zueinander ermöglicht.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass dabei eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines solarthermischen Kraftwerks in einer ersten Ausführungsform,
2 das solarthermische Kraftwerk in einer zweiten Ausführungsform, wobei neben einem Solarkreislauf und einem Arbeitskreislauf ein Heizkreislauf vorgesehen ist, und
3 eine schematische Detaildarstellung des Heizkreislaufs.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines solarthermischen Kraftwerks 1, welches im Wesentlichen einen Solarkreislauf 2 und einen Arbeitskreislauf 3 aufweist. Der Solarkreislauf 2 umfasst wenigstens einen Sonnenkollektor 4, ein Einlassschaltventil 5, einen Wärmetauscher 6, ein Auslassschaltventil 7 und eine Fördereinrichtung 8 (in einer während eines Normalbetriebs des solarthermischen Kraftwerks 1 vorliegenden Hauptströmungsrichtung). Zusätzlich ist dem Solarkreislauf 2 ein Wärmespeicher 9 mit wenigstens einem Wärmespeichertank 10 zugeordnet. Zwischen den einzelnen Elementen sind Leitungsabschnitte 11 bis 17 vorgesehen, um jeweils eine Strömungsverbindung herzustellen. Zusätzlich liegen ein Bypass 18 und ein Bypassrücklauf 19 vor.
An das Einlassschaltventil 5 sind der Sonnenkollektor 4, der Wärmetauscher 6 und der Wärmespeichertank 10 über den jeweiligen Leitungsabschnitt 11, 12 und 16 angeschlossen. An das Auslassschaltventil 7 sind dagegen der Wärmetauscher 6, die Fördereinrichtung 8 und ebenfalls der Wärmespeichertank 10 über die Leitungsabschnitte 13, 14 und 17 strömungstechnisch angeschlossen. Auf der dem Auslassschaltventil 7 abgewandten Seite der Fördereinrichtung 8 ist über den Leitungsabschnitt 15 der Sonnenkollektor 4 strömungstechnisch angebunden. Somit ist der Wärmespeicher 9 im Wesentlichen parallel zu dem Wärmetauscher 6 in dem Solarkreislauf 2 angeordnet. Der Wärmespeichertank 10 ist strömungstechnisch unmittelbar mit dem Solarkreislauf 2 verbunden. Er dient insoweit zur Zwischenspeicherung zumindest eines Teils des in dem Solarkreislauf 2 vorliegenden ersten Fluids.
Der Arbeitskreislauf 3 besteht aus dem Wärmetauscher 6, einer Expansionsturbine 20, einem Kondensator 21 und einer Kondensatpumpe 22. Diese Elemente sind wiederum über Leitungsabschnitte 23 bis 26 strömungstechnisch miteinander verbunden. Die Expansionsturbine 20 beziehungsweise eine Abtriebswelle 27 der Expansionsturbine 20 ist beispielsweise an einen Generator 28 zur Erzeugung von elektrischem Strom angeschlossen. Die Expansionsturbine 20 ist bevorzugt als Dampfturbine ausgebildet. Sie kann einstufig oder mehrstufig unter Hintereinanderschaltung mehrerer Expansionsturbinenstufen ausgebildet sein. Die stromaufwärts – also in Strömungsrichtung vorne – liegende Expansionsturbinenstufe ist insoweit beispielsweise als Hochdruckturbinenstufe, die stromabwärts folgenden als Mitteldruckturbinenstufe und als Niederdruckturbinenstufe ausgelegt. Die jeweilige Strömungsrichtung ist in der 1 in dem jeweiligen Leitungsabschnitt 11 bis 17 beziehungsweise 23 bis 26 jeweils durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Die hier dargestellte Ausführung ist insbesondere auf kleine und mittelgroße solarthermische Kraftwerke 1 mit einer Nennleistung von circa 10 kW bis etwa 2 MW gerichtet. Sie besteht aus den zwei thermisch miteinander gekoppelten Kreisläufen, nämlich dem Solarkreislauf 2, in welchem das erste Fluid vorliegt, und dem Arbeitskreislauf 3, der mit einem zweiten Fluid arbeitet. Mit Hilfe der beiden Kreisläufen 2 und 3 wird die solarthermische Wärme des Sonnenkollektors 4, welcher insbesondere Bestandteil eines Solarfelds ist, in einem Absorberrohr einer Parabolrinne von dem ersten Fluid des Solarkreislaufs 2 aufgenommen und erhitzt und entweder dem in den Solarkreislauf 2 eingebundenen Wärmespeicher 9 oder dem Wärmetauscher 6 zugeführt, in dem das erste Fluid des Solarkreislaufs 2 mit dem zweiten Fluid des Arbeitskreislaufs 3 thermisch gekoppelt ist.
Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid in dem Wärmetauscher 6 wird in diesem Wärme von dem ersten Fluid an das zweite Fluid zu dessen Verdampfung und Überhitzung übertragen. Anschließend wird das verdampfte und überhitzte zweite Fluid der Expansionsturbine 20 zwecks Entspannung zugeführt, wobei mechanische Energie frei wird, die sodann in dem Generator 28 in elektrische Energie, beispielsweise zur Einspeisung in ein Stromnetz, umgewandelt wird. Das entspannte, wenigstens teilweise gasförmige zweite Fluid wird in einem beispielsweise luft- oder wassergekühlten Kondensator 21 kondensiert und von der Kondensatpumpe 22 dem Wärmetauscher 6 auf der Seite des Arbeitskreislaufs 3 erneut zugeführt. Sodann beginnt der Verdampfungs- und Überhitzungsprozess des zweiten Fluids erneut.
Das sich bei der Wärmeabgabe an das zweite Fluid abkühlende erste Fluid des Solarkreislaufs 2 wird über die Fördereinrichtung 8, insbesondere eine Pumpe, dem Sonnenkollektor 4 beziehungsweise dessen Absorberrohr zur erneuten Aufnahme solarer Wärme wieder zugeführt. Das hier vorgestellte solarthermische Kraftwerk 1 ist dabei sowohl für die unmittelbare Stromerzeugung tagsüber, also bei ausreichender Sonneneinstrahlung (welche größer oder gleich der Auslegungssonneneinstrahlung ist) auf den Sonnenkollektor 4, als auch für Speicherung der tagsüber erzeugten Wärme für einen Nachtbetrieb mittels des Wärmespeichers 9 ausgelegt.
Bei dem solarthermischen Kraftwerk 1 werden in dem Solarkreislauf 2 und dem Arbeitskreislauf 2 Fluide, nämlich das erste und das zweite Fluid, eingesetzt, die ihren jeweiligen Siedepunkt bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken erreichen. Der Solarkreislauf 2 und der Wärmespeicher 9 arbeiten beispielsweise mit Wasser als erstem Fluid, dessen Temperatur nach dem Sonnenkollektor 4 290°C bei etwa 75 bar beträgt. Damit liegt der Zustand des ersten Mediums unterhalb dessen kritischen Punkts (T_c = 374,12°C und p_c = 22,12 MPa). Vorzugsweise liegt das erste Fluid nach dem Sonnenkollektor 4 in einem Zustand vor, der auf der Siedelinie des ersten Mediums liegt. In diesem Zustand kann das erste Medium seine größtmögliche Wärmemenge aufnehmen. Aus diesem Grund kann es gleichzeitig auch als Speichermedium in dem Wärmespeicher 9 eingesetzt werden.
Der Arbeitskreislauf 3 arbeitet mit Propan als zweitem Medium, das durch Wärmezufuhr und Überhitzung in dem Wärmetauscher 6 zum Beispiel bei einer Temperatur von 130°C und einem Druck von 60 bar, also in überkritischem Zustand, der Expansionsturbine 20 zugeführt wird. Aufgrund der beträchtlichen Temperaturdifferenz zwischen den Fluiden der beiden Kreisläufe 2 und 3 von 160 K, wird ein fortlaufender Wärmetransfer von dem ersten Fluid des Solarkreislaufs an das zweite Fluid des Arbeitskreislaufs 3 bewirkt, der sich auch bei verminderter Sonneneinstrahlung mit einhergehendem Temperaturabfall an dem Sonnenkollektor 4 als weitgehend stabil erweist.
Die Leistung des solarthermischen Kraftwerks 1 wird so ausgelegt, dass tagsüber sowohl die Wärme für die unmittelbare Stromerzeugung mittels der Expansionsturbine 20, als auch die notwendige solare Wärmemenge für den Nachtbetrieb, bei welchem die Sonneneinstrahlung unterhalb der Auslegungssonneneinstrahlung liegt, aufgenommen wird. Die Wärme wird durch das in dem Solarkreislauf 2 bei Drücken von circa 75 bar bis etwa 125 bar zirkulierende erste Medium in dem Sonnenkollektor 4 aufgenommen, wobei es sich dabei auf etwa 290°C erwärmt. Tagsüber wird die so aufgenommene Wärmemenge zu einem bestimmten Teil (beispielsweise zu einem Drittel) auf den mit dem zweiten Fluid arbeitenden Arbeitskreislauf 3 zur unmittelbaren Erzeugung von mechanischer Energie mit anschließender Umwandlung in elektrische Energie übertragen. Der restliche Teil der von dem Sonnenkollektor 4 aufgenommenen Wärmemenge wird bei dem gegebenen Druck des ersten Fluids in dem Wärmespeicher 9 für einen Betrieb bei geringer Sonneneinstrahlung, also beispielsweise einem Nachtbetrieb, gespeichert.
Das erste Fluid in dem Solarkreislauf 2 einschließlich des darin eingebundenen Wärmespeichers 9 hat bei vorgenanntem Druck und vorgenannter Temperatur die thermisch höchstmögliche speicherbare Wärmemenge aufgenommen, die wesentlich größer ist als jene Wärmemenge, die zur Verdampfung und Überhitzung des zweiten Fluids in dem Arbeitskreislauf 3 während des Betriebs bei geringer Sonneneinstrahlung zur Aufrechterhaltung der Leistung des solarthermischen Kraftwerks 1 notwendig ist. Fällt die Sonneneinstrahlung unter die Auslegungssonneneinstrahlung, so wird von dem Normalbetrieb auf einen Speicherbetrieb umgeschaltet. Die zur Aufrechterhaltung der (Nenn-)Leistung des solarthermischen Kraftwerks 1 notwendige Wärme wird nun dem Wärmespeicher 9 entnommen, wobei das entnommene erste Fluid zu Beginn (bei zuvor vollständig aufgeladenem Wärmespeicher 9) eine Temperatur von etwa 290°C aufweist. Das entnommene erste Fluid wird dem Wärmetauscher 6 zur Verdampfung und Überhitzung des zweiten Fluids auf weiterhin etwa 130°C zugeführt. Das derart überhitzte zweite Fluid wird in gasförmigem Zustand der Expansionsturbine 20 bei überkritischem Druck und überkritischer Temperatur zugeführt. Wie vorstehend bereits beschrieben, wird die dabei erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
Die während des Betriebs bei geringer Sonneneinstrahlung aus dem Wärmespeicher 9 auf den Arbeitskreislauf 3 übertragene Wärmemenge hat zwar – bedingt durch die Abkühlung des in dem Solarkreislaufs 2 enthaltenen ersten Fluids – eine stetige Verringerung der für die Wärmeübertragung notwendigen Temperaturdifferenz zwischen Wärmespeicher 9 und Arbeitskreislauf 3 zur Folge. Jedoch werden aus dem Wärmespeicher 9 während des Betriebs bei geringer Sonneneinstrahlung bei voller Kraftwerksleistung nur etwa 80% der bei der Anfangstemperaturdifferenz von beispielsweise 160 K verfügbaren und nutzbaren Wärmemenge auf den Arbeitskreislauf 3 transferiert, sodass die verfahrensbedingt notwendige Mindesttemperaturdifferenz von etwa 10 K zwischen dem ersten Fluid des Wärmespeichers 9 und dem überhitzten zweiten Fluid auch bei Aufrechterhaltung der vollen Kraftwerksleistung nicht unterschritten wird. Auf diese Weise sind sowohl ein Tagbetrieb beziehungsweise Normalbetrieb als auch ein Nachtbetrieb beziehungsweise Speicherbetrieb ohne Zuführung externer Wärme auch zwischen Sonnenuntergang an einem ersten Tag und Sonnenaufgang an einem auf den ersten Tag folgenden Tag, also über einen Zeitraum von beispielsweise mehr als acht Stunden, gewährleistet. Der Zeitraum, welcher mit dem Speicherbetrieb überbrückbar sein soll, kann als Auslegungszeitraum bezeichnet werden.
Dies bedeutet, dass das solarthermische Kraftwerk 1 grundlastfähig ist und nicht, wie bekannte Kraftwerke, die auf erneuerbaren Energien beruhen, lediglich zur Abdeckung von Spitzenlasten geeignet ist. Durch den Speicherbetrieb wird auch ohne Zufuhr von externer Energie sichergestellt, dass über den Auslegungszeitraum – auf welchen insbesondere der Wärmespeicher 9 abgestimmt ist – konstant die Nennleistung des solarthermischen Kraftwerks 1 erzielt wird. Entsprechend ist das hier vorgestellte solarthermische Kraftwerk 1 weitgehend witterungsunabhängig, was eine gute Planbarkeit der erzeugten elektrischen Leistung und entsprechend das Vorliegen der Grundlastfähigkeit bedeutet.
Bei Bewölkung und damit einhergehender verminderter Sonneneinstrahlung fällt die Temperatur des ersten Fluids in dem Solarkreislauf 2 ab. Dadurch verringert sich die Temperaturdifferenz zu dem zweiten Fluid in dem Arbeitskreislauf 3, dessen Temperatur verfahrensbedingt zur Aufrechterhaltung des Verdampfungs- und Überhitzungsprozesses bei etwa 130°C konstant gehalten werden soll. Die Höhe des Abfalls der Temperatur in dem Solarkreislauf 2 entspricht der Verringerung der Temperaturdifferenz zum Arbeitskreislauf 3. Sobald sich die Anfangstemperaturdifferenz von 160 K (in dem Normalbetrieb, also bei einer Sonneneinstrahlung, die größer oder gleich der Auslegungssonneneinstrahlung ist) um mehr als 150 K reduziert, was eine Unterschreitung der verfahrensbedingt notwendigen Mindesttemperaturdifferenz von 10 K zur Folge hätte, schaltet das solarthermische Kraftwerk 1 zur Aufrechterhaltung der Stromerzeugung mit voller Kraftwerksleistung auf den Wärmespeicherbetrieb, also einen Betrieb unter Entnahme von in dem Wärmespeicher 9 gespeicherten ersten Fluid, um. Alternativ kann selbstverständlich die Umschaltung auf den Speicherbetrieb bereits bei einer geringeren Reduzierung der Temperaturdifferenz, also bereits bei höherer Temperatur des ersten Fluids, erfolgen.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ausführung ist bei dem hier vorgestellten solarthermischen Kraftwerk 1 keine Zuführung externer Energie notwendig. Dies wird insbesondere erreicht, indem die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des ersten Fluids – in Grad Celsius – wenigstens um den Faktor 1,5 größer ist als die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des zweiten Fluids. Bevorzugt ist die kritische Temperatur des ersten Fluids jedoch deutlich größer, beispielsweise um wenigstens den Faktor 3, als die kritische Temperatur des zweiten Fluids. In einer absoluten Skala mit der Einheit Kelvin ergeben sich Faktoren von wenigstens 1,5, beispielsweise wenigstens 1,6; wenigstens 1,75 oder wenigstens 2,0. Alternativ oder zusätzlich unterscheiden sich die Siedepunkttemperaturen der beiden Fluide – auf einer absoluten Skala mit der Einheit Kelvin – um Faktoren von wenigstens 1,3, beispielsweise wenigstens 1,4; wenigstens 1,5 oder wenigstens 1,6. Dabei liegt die Siedepunkttemperatur des zweiten Fluids zum Beispiel um zumindest 100 K niedriger als die des ersten Fluids.
Bei dem Betreiben des solarthermischen Kraftwerks 1 wird dieses derart eingestellt, dass das in dem Solarkreislauf 2 verwendete erste Fluid eine Maximaltemperatur aufweist, die geringer ist als seine kritische Temperatur. Alternativ oder zusätzlich kann das Einstellen derart erfolgen, dass das in dem Arbeitskreislauf 3 verwendete zweite Fluid eine Maximaltemperatur aufweist, die größer ist als eine kritische Temperatur. Entsprechendes gilt hinsichtlich des kritischen Drucks der beiden Fluide. Besonders bevorzugt sollen die Maximaltemperatur und der Druck des ersten Fluids auf der Siedelinie des ersten Fluids liegen. Das Einstellen des solarthermischen Kraftwerks 1 erfolgt derart, dass unabhängig von einer Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor 4 die Temperatur des zweiten Fluids unmittelbar nach Durchlaufen des Wärmetauschers 6 zumindest über einen bestimmten Zeitraum, den Auslegungszeitraum, konstant bleibt. Kann dies nicht gewährleistet werden, so soll die Temperatur des ersten Fluids stets – auch bei Entnehmen von Fluid aus dem Wärmespeicher 9 – zumindest so hoch sein, dass ein Verdampfen und/oder Überhitzen des zweiten Fluids in dem Wärmetauscher 6 und somit ein Betreiben des Arbeitskreislaufs 3 beziehungsweise dessen Expansionsturbine 20 stets, also unabhängig von der Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor 4, insbesondere unter Aufrechterhaltung der Nennleistung des solarthermischen Kraftwerks 1, möglich ist.
Es soll abschließend darauf hingewiesen werden, dass das solarthermische Kraftwerk 1 trotz der vorstehend rein beispielhaft genannten Temperaturen, grundsätzlich für einen Betrieb bei jeder geeigneten Temperatur ausgelegt werden kann. Der Solarkreislauf kann also auch bei einer von 290°C abweichenden Temperatur (bei dann entsprechend angepasstem Druck) und der Arbeitskreislauf bei einer von 130°C abweichenden Temperatur betrieben werden.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des solarthermischen Kraftwerks 1. Dieses entspricht grundsätzlich der bereits anhand der 1 vorgestellten Ausführungsform, sodass insoweit auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen sei. Ergänzend zu dem vorstehend beschriebenen solarthermischen Kraftwerk 1 ist hier ein Heizkreislauf 29 vorgesehen, in welchem ein drittes Fluid Verwendung findet. Das dritte Fluid durchläuft den Kondensator 21 und dient als Kühlmittel für das zweite Fluid. In dem Kondensator 21 wird insoweit stromabwärts der Expansionsturbine 20 noch in dem zweiten Fluid enthaltene Wärme auf das dritte Fluid des Heizkreislaufs 29 übertragen. Der Heizkreislauf 29 verfügt über eine Umwälzpumpe 30, mit welcher das dritte Fluid durch den Heizkreislauf 29 zirkuliert wird.
Der Heizkreislauf 29 umfasst eine Sonnenkollektorheizung 31. Die Sonnenkollektorheizung 31 dient dem Erwärmen des Sonnenkollektors 4 beziehungsweise eines Reflektors (nicht dargestellt) des Sonnenkollektors 4. Der die Sonnenkollektorheizung 31 durchströmende Massenstrom des dritten Fluids kann mit Hilfe eines Querschnittsverstellglieds 32 steuernd und/oder regelnd eingestellt werden. Parallel zu der Sonnenkollektorheizung 31 und dem Querschnittsverstellglied 32 liegt in dem Heizkreislauf 29 ein Kühler 33 vor, dessen Massendurchsatz mit Hilfe eines weiteren Querschnittsverstellglieds 34 ebenfalls einstellbar ist. Das Querschnittsverstellglied 34 ist dabei vorzugsweise selbsttätig ausgebildet, öffnet sich also bei Vorliegen eines bestimmten Drucks in dem Kondensator 21. Auf diese Weise kann die Aufteilung des dritten Fluids auf die Sonnenkollektorheizung 31 und den Kühler 33 allein mittels des Querschnittsverstellglieds 32 eingestellt werden. Soll ein großer Massenstrom die Sonnenkollektorheizung 31 durchströmen, so wird das Querschnittsverstellglied 32 geöffnet, wobei sich gleichzeitig das Querschnittsverstellglied 34 automatisch schließt. Bei einem Schließen des Querschnittsverstellglieds 32 öffnet sich dagegen das Querschnittsverstellglied 34, weil durch die Umwälzpumpe 30 der in dem Kondensator 21 vorliegende Druck ansteigt.
Die 3 zeigt eine schematische Detailansicht des Heizkreislaufs 29. Im Gegensatz zu dem anhand der 2 beschriebenen Heizkreislauf 29, auf dessen Beschreibung grundsätzlich verwiesen wird, ist der Kühler 33 als Verdampfer in einem Wärmetauscher ausgebildet, deren weiterer Bestandteil ein Verdichter 36 und ein Kondensator 37 sind. Mit Hilfe der Wärmepumpe wird Wärme aus dem Heizkreislauf 29 auf einen weiteren Heizkreislauf 35 übertragen, wobei die Temperatur nach der Wärmepumpe in dem weiteren Heizkreislauf 35 höher sein kann als die Temperatur in dem Heizkreislauf 29. Der Durchsatz durch die Wärmepumpe kann über ein Drosselelement 38 einstellbar oder konstant gewählt sein. Der weitere Heizkreislauf 35 weist eine Vorlaufseite 39 und eine Rücklaufseite 40 auf, wobei das Fluid des weiteren Heizkreislaufs 35 beziehungsweise dessen Vorlaufseite beispielsweise einem Heizkörper eines Wohnraums zugeführt wird. Nachfolgend gelangt das Fluid auf die Rücklaufseite 40 und wird entsprechend erneut dem Kondensator 37 der Wärmepumpe zugeführt.

Claims

Solarthermisches Kraftwerk (1), mit wenigstens einem Sonnenkollektor (4) eines Solarkreislaufs (2) und einer einem Arbeitskreislauf (3) zugeordneten Expansionsturbine (20), wobei der Solarkreislauf (2) und der Arbeitskreislauf (3) über einen Wärmetauscher (6) miteinander gekoppelt sind und der Solarkreislauf (2) ein erstes Fluid und der Arbeitskreislauf (3) ein zweites Fluid aufweist, wobei die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des ersten Fluids wenigstens um den Faktor 1,5, bevorzugt um wenigstens den Faktor 3, größer ist als die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des zweiten Fluids, und wobei dem Solarkreislauf (2) ein Wärmespeicher (9) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (9) mehrere strömungstechnisch parallel zu dem Wärmetauscher (6) angeschlossene Wärmespeichertanks (10) für das erste Fluid des Solarkreislaufs (2) aufweist, wobei wenigstens einer der Wärmespeichertanks (10) als Quelltank und wenigstens ein weiterer der Wärmespeichertanks (10) als Zieltank ausgebildet ist, wobei Stellorgane vorgesehen sind, um in einem Speicherbetrieb des solarthermischen Kraftwerks (1) dem Quelltank das erste Fluid zu entnehmen, zum Betreiben des Arbeitskreislaufs (3) heranzuziehen und anschließend dem Zieltank zuzuführen, und wobei die Wärmespeichertanks (10) ein Druckausgleichsmittel zum Ausgleichen einer Volumenänderung des ersten Fluids in den Wärmespeichertanks (10) aufweisen.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Solarkreislauf (2) vorliegende erste Fluid Wasser oder ein Thermoöl und das in dem Arbeitskreislauf (3) vorliegende zweite Fluid ein Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Alkan, vorzugsweise Propan oder Butan, oder Kohlenstoffdioxid, Ammoniak oder ein Gemisch aus diesen Stoffen ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Solarkreislauf (2) ein Bypass (18) zur strömungstechnischen Umgehung des Sonnenkollektors (4) und/oder ein Bypassrücklauf (19), der auf seiner einen Seite zwischen dem Wärmetauscher (6) und einem Auslass der Wärmespeichertanks (10) und auf seiner anderen Seite an einen Einlass der Wärmespeichertanks (10) angeschlossen ist, vorgesehen sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitskreislauf (3) stromabwärts der Expansionsturbine (20) ein Kondensator (21) vorgesehen ist, der mit Umgebungsluft als Kühlmedium betrieben wird oder zumindest einen Teil der stromabwärts der Expansionsturbine (20) in dem zweiten Fluid vorliegenden Wärme wenigstens einem Heizkreislauf (29) zuführt.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf (29) eine Sonnenkollektorheizung (31), wenigstens einen Heizkörper eines Wohnraums und/oder einen Kühler (33) aufweist, wobei ein in dem Heizkreislauf (29) verwendetes drittes Fluid mittels des Kühlers (33) kühlbar oder der Heizkreislauf (29) über den, insbesondere eine Wärmepumpe mit ausbildenden, Kühler (33) an einen weiteren Heizkreislauf (35) angeschlossen ist.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks (1), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das solarthermische Kraftwerk (1) über wenigstens einen Sonnenkollektor (4) eines Solarkreislaufs (2) und eine einem Arbeitskreislauf (3) zugeordnete Expansionsturbine (20) verfügt, wobei der Solarkreislauf (2) und der Arbeitskreislauf (3) über einen Wärmetauscher (6) miteinander gekoppelt sind und in dem Solarkreislauf (2) ein erstes Fluid und in dem Arbeitskreislauf ein zweites Fluid verwendet wird, wobei die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des ersten Fluids wenigstens um den Faktor 1,5, bevorzugt um wenigstens den Faktor 3, größer ist als die kritische Temperatur in dem kritischen Punkt des zweiten Fluids, und wobei dem Solarkreislauf (2) ein Wärmespeicher (9) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (9) mehrere strömungstechnisch parallel zu dem Wärmetauscher (6) angeschlossene Wärmespeichertanks (10) für das erste Fluid des Solarkreislaufs (2) aufweist, wobei wenigstens einer der Wärmespeichertanks (10) als Quelltank und wenigstens ein weiterer der Wärmespeichertanks (10) als Zieltank ausgebildet ist, wobei Stellorgane vorgesehen sind, um in einem Speicherbetrieb des solarthermischen Kraftwerks (1) dem Quelltank das erste Fluid zu entnehmen, zum Betreiben des Arbeitskreislaufs (3) heranzuziehen und anschließend dem Zieltank zuzuführen, und wobei die Wärmespeichertanks (10) ein Druckausgleichsmittel zum Ausgleichen einer Volumenänderung des ersten Fluids in den Wärmespeichertanks (10) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das solarthermische Kraftwerk (1) derart eingestellt wird, dass das in dem Solarkreislauf (2) verwendete erste Fluid eine Maximaltemperatur aufweist, insbesondere in oder unmittelbar nach dem Sonnenkollektor (4), die geringer ist als seine kritische Temperatur, und/oder dass das in dem Arbeitskreislauf (3) verwendete zweite Fluid eine Maximaltemperatur aufweist, insbesondere in oder unmittelbar nach dem Wärmetauscher (6), die größer ist als seine kritische Temperatur.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximaltemperatur des zweiten Fluids so gewählt wird, dass das zweite Fluid nach der Expansionsturbine (20) einen Zustand in seinem Nassdampfgebiet einnimmt und mindestens einen bestimmten Dampfgehalt, insbesondere zwischen 0,75 und 1,0, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlassschaltventil (5) und ein Auslassschaltventil (7) des Wärmespeichers (9) des Solarkreislaufs (2) derart eingestellt werden, dass die Temperatur des zweiten Fluids unmittelbar nach dem Wärmetaucher (6) unabhängig von einer Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor (4) zumindest über einen bestimmten Zeitraum konstant bleibt.