DE102012101249A1

DE102012101249A1 - Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks

Info

Publication number: DE102012101249A1
Application number: DE201210101249
Authority: DE
Inventors: Michael Fiss; Tobias Hirsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-22
Also published as: WO2013120740A3; WO2013120740A2

Abstract

Es wird ein solarthermisches Kraftwerk bereitgestellt, umfassend eine Solareinrichtung, an welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung, welcher der erzeugte Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich aufweist, wobei an der Solareinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet ist, welche mindestens ein elektrisches Heizelement aufweist und durch welche Wärmeträgermedium heizbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Solareinrichtung, an welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung, welcher der erzeugte Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, bei dem mittels Solarstrahlung aus flüssigem Wärmeträgermedium überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt wird, welcher einer Turbineneinrichtung zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solarthermisches Kraftwerk der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem die Turbineneinrichtung auch bei schwankenden solaren Einstrahlungsbedingungen optimiert betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten solarthermischen Kraftwerk erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der Solareinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet ist, welche mindestens ein elektrisches Heizelement aufweist und durch welche Wärmeträgermedium heizbar ist.
Durch Schwankungen in den solaren Einstrahlungsbedingungen entstehen Temperaturfluktuationen in dem Wärmeträgermedium-Dampf, welcher der Turbineneinrichtung bereitgestellt ist. Solche Temperaturfluktuationen sind grundsätzlich ungünstig für den Betrieb der Turbineneinrichtung.
Durch das Vorsehen einer elektrischen Heizeinrichtung lässt sich insbesondere bei Bedarf Wärmeträgermedium (und insbesondere Wärmeträgermedium-Dampf) unabhängig von den solaren Einstrahlungsbedingungen heizen. Dadurch können dann gesteuert bzw. geregelt Temperaturfluktuationen in dem durch die Solareinrichtung erzeugten Wärmeträgermedium-Dampf gedämpft werden.
Ein elektrische Heizeinrichtung mit einem oder mehreren elektrischen Heizelementen lässt sich auf einfache Weise realisieren. Beispielsweise ist als Heizelement ein Widerstandsheizelement mit einem Heizdraht vorgesehen. Ein entsprechendes elektrisches Heizelement weist eine kleine Zeitkonstante auf, was zu einer guten Regelbarkeit führt. Dies ermöglicht es, Temperaturfluktuationen durch die elektrische Zusatzheizung auszugleichen.
Auch die Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs, die zur entsprechenden Ansteuerung der elektrischen Heizeinrichtung verwendet wird, lässt sich mit kleiner Zeitkonstante messen, um so eine gute Regelbarkeit zu erreichen.
Eine elektrische Heizeinrichtung lässt sich mit relativ geringem Materialeinsatz und auch Energieeinsatz realisieren.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement an und insbesondere in einem von Wärmeträgermedium durchströmten Rohr angeordnet ist. Es lässt sich dadurch eine (gesteuerte) Aufheizung von Wärmeträgermedium durch Vorbeiströmung an einem und insbesondere mehreren Heizelementen erreichen.
Insbesondere ist das mindestens eine elektrische Heizelement ein Umströmungselement, an welchem Wärmeträgermedium vorbeiströmt. Das entsprechende elektrische Heizelement weist eine große Oberfläche auf. Die Oberfläche stellt den thermischen Kontakt mit dem vorbeiströmenden Wärmeträgermedium bereit. Eine entsprechende elektrische Heizeinrichtung lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise in die Solareinrichtung integrieren. Beispielsweise hat das mindestens eine elektrische Heizelement eine Stabform oder Plattenform. Beispielsweise in einem Stab oder einer Platte sind ein oder mehrere Heizdrähte integriert. Sie sind dabei gegenüber einer Oberfläche des Stabs oder der Platte elektrisch isoliert. Sie stehen dabei in thermischer Verbindung mit der Oberfläche des Stabs oder der Platte.
Günstig ist es, wenn an dem Rohr eine Mehrzahl von beabstandeten elektrischen Heizelementen angeordnet ist, wobei insbesondere in einem Zwischenbereich zwischen benachbarten elektrischen Heizelementen Wärmeträgermedium strömt. Dadurch lässt sich eine große Wärmeübertragungsoberfläche zur Aufheizung von das Rohr durchströmendem Wärmeträgermedium-Dampf erreichen.
Insbesondere weist das mindestens eine elektrische Heizelement eine Längserstreckung in einer Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums auf. Dadurch lässt sich eine effektive (gesteuerte) Aufheizung erreichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement dem Überhitzerbereich zugeordnet ist. Dadurch lässt sich eine effektive Aufheizung des (überhitzten) Wärmeträgermedium-Dampfs erreichen und es lassen sich Temperaturschwankungen auf effektive Weise mit guter Regelbarkeit dämpfen. Das mindestens eine elektrische Heizelement kann dabei in dem Überhitzerbereich angeordnet sein oder nachfolgend dem Überhitzerbereich angeordnet sein.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement einem bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums letzten Solarkollektor des Überhitzerbereichs nachgeschaltet ist. Dadurch ergibt sich eine effektive Ausgleichbarkeit von Temperaturfluktuationen, so dass die Turbineneinrichtung effektiv betreibbar ist.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das mindestens eine elektrische Heizelement zwischen dem letzten Solarkollektor des Überhitzerbereichs (in einem entsprechenden Strang) und einem Ausgang des Überhitzerbereichs angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass das mindestens eine elektrische Heizelement einem Ausgang des Überhitzerbereichs nachgeschaltet ist.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement außerhalb eines Solarkollektors angeordnet ist, welcher von Wärmeträgermedium durchströmt ist und in welchem das Wärmeträgermedium durch die Solarstrahlung erhitzt wird. Dadurch wird die solare Erhitzung von Wärmeträgermedium in einem Solarkollektor durch die elektrische Heizeinrichtung nicht gestört.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung vorgesehen ist, welche die elektrische Heizeinrichtung ansteuert. Dadurch lassen sich gesteuert bzw. geregelt durch entsprechende elektrische Strombeaufschlagung Temperaturschwankungen dämpfen.
Insbesondere steuert die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die elektrische Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustandsgrößen und insbesondere der Temperatur des durch die Solareinrichtung erzeugten Wärmeträgermedium-Dampfs an. Es lässt sich dadurch ein Regelkreis realisieren, welcher ein gutes Regelungsverhalten hat, und Temperaturfluktuationen in dem erzeugten Wärmeträgermedium-Dampf lassen sich auch bei wechselnden solaren Einstrahlungsbedingungen gering halten.
Insbesondere ist mindestens ein Temperatursensor vorgesehen, welcher eine Temperatur von Wärmeträgermedium-Dampf misst und welcher signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung verbunden ist. Die Temperatur lässt sich auf einfache Weise mit einer kurzen Zeitkonstante messen. Dadurch lässt sich ein effektiver Regelkreis mit gutem Regelverhalten realisieren.
Insbesondere ist ein Regelziel der Steuerungs-/Regelungseinrichtung eine Vergleichmäßigung der Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs, welcher der Turbineneinrichtung bereitgestellt ist. Dadurch lässt sich die Turbineneinrichtung effektiv betreiben.
Durch die elektrische Heizeinrichtung lassen sich insbesondere Temperaturschwankungen zu niedrigeren Temperaturen (bei Unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle) ausgleichen. Günstig ist es dann, wenn eine Einspritzeinrichtung vorgesehen ist, durch welche flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich einspritzbar ist. Dadurch lassen sich Temperaturschwankungen zu höheren Temperaturen (bei Überschreiten einer oberen Temperaturschwelle) ausgleichen. Dadurch lässt sich insgesamt ein effektiver Betrieb der Turbineneinrichtung erreichen, da sich auf effektive Weise Temperaturschwankungen sowohl in Richtung zu niedrigen Temperaturen als auch in Richtung zu hohen Temperaturen ausgleichen lassen. Temperaturschwankungen können auch zu hohen Temperaturen hin limitiert werden, wenn ein oder mehrere Solarkollektoren aus dem Überhitzerbereich defokussiert werden.
Beispielsweise ist dem Vorwärmer-/Verdampferbereich eine Abscheidungseinrichtung für flüssiges Wärmeträgermedium zugeordnet, welcher flüssiges Wärmeträgermedium der Einspritzeinrichtung bereitstellt.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement ein Widerstandsheizelement ist. Ein solches Widerstandsheizelement umfasst einen Heizdraht, welcher mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. Dieser Heizdraht ist in einer Hülle angeordnet und insbesondere eingebettet. Das Hüllenmaterial ist dabei ein Material hoher thermischer Leitfähigkeit, welches vorzugsweise auch für die elektrische Isolierung sorgt.
Für eine effektive Dampferzeugung ist es günstig, wenn der Vorwärmer-/Verdampferbereich und/oder der Überhitzerbereich mindestens einen Strang und insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf die Durchströmung mit Wärmeträgermedium parallelen Strängen aufweist, wobei ein Strang insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf eine Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums hintereinander angeordneten Solarkollektoren aufweist. Dadurch lässt sich in der Solareinrichtung bezogen auf einen Flächenbereich ein hoher Energieeintrag erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass eine elektrische Heizeinrichtung an einem oder mehreren Bypasssträngen angeordnet ist, welche parallel zu einem oder mehreren Hauptströmungssträngen zu der Turbineneinrichtung angeordnet sind und deren Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert ist. Für den "Normalbetrieb" werden der oder die Bypassstränge nicht oder nur teilweise in Betrieb genommen. Wenn beispielsweise instabile Wettersituationen vorliegen, mit der Gefahr erhöhter Temperaturfluktuationen, dann wird für eine erhöhte Durchströmung des oder der Nebenstränge gesorgt. Dadurch lässt sich die Belastung der elektrischen Heizeinrichtung verringern und deren Lebensdauer erhöhen. Gleichzeitig lassen sich Druckverluste minimieren.
Es ist dann insbesondere dem oder den Bypasssträngen eine Einstelleinrichtung zugeordnet, durch welche die Durchströmung eines Bypassstrangs einstellbar und insbesondere freigebbar oder sperrbar ist. Dadurch ist eine optimierte Anpassung an Wetterbedingungen vorgebbar und insbesondere lässt sich auch ein Betriebsmodus des solarthermischen Kraftwerks für "instabile Wetterbedingungen" bereitstellen und einschalten beziehungsweise ausschalten oder auch steuern; bei ungünstigen Wetterbedingungen durchströmt ein großer Teil des Massenstroms oder der gesamte Massenstrom an erzeugtem überhitzten Dampf den oder die mit einer elektrischen Heizeinrichtung versehenen Bypassstränge.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem die Turbineneinrichtung auch bei Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen effektiv betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Wärmeträgermedium-Dampf mittels mindestens eines elektrischen Heizelements gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk durchführen bzw. das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
Insbesondere wird überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf mittels des mindestens einen elektrischen Heizelements erhitzt. Dadurch lassen sich bei entsprechender Steuerung bzw. Regelung effektiv Temperaturfluktuationen insbesondere bedingt durch Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen dämpfen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Wärmeträgermedium-Dampf so mit dem mindestens einen elektrischen Heizelement gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird, dass Temperaturschwankungen in dem Wärmeträgermedium-Dampf, welcher der Turbineneinrichtung zugeführt wird, als Regelziel minimiert werden. Dadurch lässt sich die Turbineneinrichtung auf effektive Weise betreiben.
Für eine effektive Regelung ist es günstig, wenn mindestens eine Zustandsgröße des Wärmeträgermedium-Dampfs gemessen wird. Eine solche Zustandsgröße lässt sich mit kleiner Zeitkonstante messen, sodass eine effektive Regelung erzielbar ist. Insbesondere wird als Zustandsgröße die Temperatur gemessen. Die Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs lässt sich auf einfache und effektive Weise messen.
Günstig ist es auch, wenn flüssiges Wärmeträgermedium gesteuert und/oder geregelt in Wärmeträgermedium-Dampf eingespritzt wird. Dadurch lassen sich Temperaturschwankungen zu höheren Temperaturen hin, das heißt wenn eine obere Temperaturschwelle überschritten wird, dämpfen.
Es kann vorgesehen sein, dass Wärmeträgermedium-Dampf über das mindestens eine elektrische Heizelement erhitzt wird, welcher in einem Bypassstrang geführt wird, der parallel zu einem Hauptstrang zu der Turbineneinrichtung ist und dessen Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert wird. Bei normalem Betrieb des solarthermischen Kraftwerks erfolgt keine oder eine geringe Durchströmung des (mindestens einen) Bypassstrangs. Ein normaler Betrieb ist ein solcher Betrieb, bei dem die Einstrahlungsbedingungen derart stabil sind, dass die Temperaturfluktuationen eine bestimmte Schwelle nicht überschreiten beziehungsweise kein solches Überschreiten erwartet wird. Wenn instabile Wetterbedingungen vorliegen mit der Gefahr, dass Temperaturfluktuationen die Schwelle überschreiten, wird der (mindestens eine) Bypassstrang "freigegeben", das heißt es wird der Durchströmungs-Massenstrom im Bypassstrang erhöht. In dem Bypassstrang erfolgt eine Zusatzheizung über das mindestens eine elektrische Heizelement, um thermische Fluktuationen im Gesamtmassenstrom zu verringern. Es ist dadurch eine variable Einstellung des Massenstroms, der einer elektrischen Zusatzheizung unterliegt, angepasst an Wetterbedingungen möglich.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung (Blockschaltbilddarstellung) eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks;
2 eine Teildarstellung des Kraftwerks gemäß 1;
3(a) eine schematische Darstellung eines Rohrs, in welchem ein erstes Ausführungsbeispiel von elektrischen Heizelementen angeordnet ist;
3(b) eine Schnittansicht längs der Linie b-b gemäß 3(a);
3(c) eine Schnittansicht längs der Linie c-c gemäß 3(a);
4(a) ein Ausführungsbeispiel eines Rohr, in welchem ein zweites Ausführungsbeispiel von elektrischen Heizelementen angeordnet ist;
4(b) eine Schnittansicht längs der Linie b-b gemäß 4(a);
4(c) eine Schnittansicht längs der Linie c-c gemäß 4(a);
5 Diagramme bezüglich des Verhaltens des solarthermischen Kraftwerks gemäß 1 bei zeitlich wechselnden Einstrahlungsbedingungen; die Diagramme sind das Ergebnis von Simulationen, wobei
5(a) die Vorgabe der Solarstrahlung auf eine Solareinrichtung in zeitlicher Abhängigkeit zeigt;
5(b) den Verlauf der Temperatur T₁ von Wärmträgermedium-Frischdampf zeigt;
5(c) den Dampfstrom ṁ₁ aus der Solareinrichtung und ṁ₂ in eine Turbineneinrichtung;
5(d) den Druck p₂ beim Eintritt von flüssigem Wärmeträgermedium in die Solareinrichtung; und
5(e) die Temperatur T₂ von flüssigem Wärmeträgermedium bei Eintritt in die Solareinrichtung zeigen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Solareinrichtung 12. An der Solareinrichtung 12 wird mittels Solarstrahlung 14 aus flüssigem Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt.
Die Solareinrichtung 12 umfasst einen Eingang 16, an welchem flüssiges Wärmeträgermedium eingekoppelt wird. Sie umfasst ferner einen Ausgang 18, an welchem überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist. Zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 18 strömt Wärmeträgermedium und wird dabei erhitzt.
Die Solareinrichtung 12 umfasst einen Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 und einen bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium diesem nachgeschalteten Überhitzerbereich 22. An dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 wird flüssiges Wärmeträgermedium mittels Solarstrahlung 14 vorgewärmt und verdampft. Es entsteht dabei eine Zweiphasenströmung. An dem Überhitzerbereich 22 wird von dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 bereitgestellter Dampf überhitzt.
Der Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 umfasst eine Mehrzahl von Strängen 24a, 24b usw. Diese Stränge 24a, 24b usw. sind parallel angeordnet. Dem Eingang 16 ist ein Verteiler 26 zugeordnet, mittels welchem flüssiges Wärmeträgermedium auf die Stränge 24a, 24b usw. aufgeteilt wird.
Bei einer Ausführungsform ist jedem Strang 24a, 24b usw. ein eigenes Stellventil zugeordnet, sodass für jeden Strang 24a, 24b usw. individuell der durchströmende Massenstrom an Wärmeträgermedium einstellbar ist.
Jeder Strang 24a usw. umfasst eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Solarkollektoren 28. In einem Solarkollektor 28 wird Solarstrahlung 14 konzentriert. Ferner umfasst ein Solarkollektor 28 ein oder mehrere Absorberrohre, welche von Wärmeträgermedium durchströmt werden und auf welche die konzentrierte Solarstrahlung gerichtet ist. In einem solchen Absorberrohr wird dann flüssiges Wärmeträgermedium über die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Solarkollektor ist ein Rinnenkollektor wie Parabolrinnenkollektor.
Der Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 hat einen Ausgang 30. Dem Ausgang 30 ist eine Zusammenführung 32 zugeordnet. Durch die Zusammenführung 32 wird Wärmeträgermedium von den einzelnen Strängen 24a, 24b usw. zusammengeführt.
Üblicherweise stellt der Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 ein Zweiphasengemisch aus verdampften Wärmeträgermedium und nicht verdampftem flüssigen Wärmeträgermedium bereit. Dem Ausgang 30 ist eine Abscheidungseinrichtung 34 zugeordnet, welche insbesondere eine Abscheidungstrommel umfasst. An dieser Abscheidungseinrichtung 34 wird in dem Zweiphasengemisch enthaltenes flüssiges Wärmeträgermedium abgeschieden.
Die Abscheidungseinrichtung 34 hat einen Ausgang 36, an welchem Wärmeträgermedium-Dampf (Einphasen-Dampf) dem Überhitzerbereich 22 bereitgestellt ist.
Der Ausgang 36 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem Eingang 38 des Überhitzerbereichs 22. Diesem Eingang 38 ist ein Verteiler 40 zugeordnet, welcher den entsprechenden Wärmeträgermedium-Dampf auf Stränge 42a, 42b usw. aufteilt. Diese Stränge 42a, 42b usw. sind bezogen auf die Durchströmung von Wärmeträgermedium-Dampf parallel angeordnet. Ein Strang 42a, 42b usw. weist wiederum eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Solarkollektoren 44 auf.
Die Anzahl der Stränge 42a, 42b usw. im Überhitzerbereich 22 kann (muss aber nicht) der Anzahl der Stränge 24a, 24b usw. im Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 entsprechen.
Der Überhitzerbereich 22 weist einen Ausgang auf, welcher dem Ausgang 18 der Solareinrichtung 12 entspricht. Diesem Ausgang 18 ist eine Zusammenführung 46 zugeordnet, in welche die Stränge 42a, 42b usw. münden. Durch die Zusammenführung 26 wird der Wärmeträgermedium-Dampf aus dem Überhitzerbereich 22 zusammengefasst, um ihn an dem Ausgang 18 auskoppeln zu können.
Dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 ist eine Rezirkulationseinrichtung 48 zugeordnet. Durch die Rezirkulationseinrichtung 48 lässt sich flüssiges Wärmeträgermedium an dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 rezirkulieren. Die Rezirkulationseinrichtung 48 hat als primäre Quelle für flüssiges Wärmeträgermedium die Abscheidungseinrichtung 34. Sie umfasst dazu eine Leitung 50, welche an die Abscheidungseinrichtung 34 (und insbesondere eine Abscheidetrommel) gekoppelt ist. An der Leitung 50 ist eine Pumpe 52 angeordnet. Die Leitung 50 mündet in eine Leitung 54, welche fluidwirksam mit dem Eingang 16 der Solareinrichtung 12 verbunden ist.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Rezirkulationseinrichtung 48 über die Leitung 50 nicht in den Eingang 16 mündet, sondern in den Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 18, das heißt beabstandet zu dem Eingang 16 in den Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 mündet.
Die Solareinrichtung 12 weist eine Einspritzeinrichtung 56 auf. Über diese Einspritzeinrichtung 56 lässt sich, wie untenstehend noch näher erläutert wird, zur Temperaturstabilisierung flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich 22 einspritzen. Die Einspritzeinrichtung 56 weist dazu eine Leitung 58 auf, welche über einen entsprechenden Verteiler 60 in die entsprechenden Strängen 42a, 42b usw. des Überhitzerbereichs 22 mündet. Ein entsprechender Eintrittsbereich, in welchen die Leitung 58 mündet, liegt dabei insbesondere vor einem letzten Solarkollektor 44 des entsprechenden Strangs 42a usw., welcher direkt fluidwirksam mit dem Ausgang 36 verbunden ist, und liegt nach einem ersten Solarkollektor 44, welcher fluidwirksam mit dem Eingang 38 direkt verbunden ist.
Die Leitung 58 ist bei einem Ausführungsbeispiel fluidwirksam mit der Leitung 50 der Rezirkulationseinrichtung 48 verbunden. Dadurch kann von der Abscheidungseinrichtung 34 bereitgestelltes heißes flüssiges Wärmeträgermedium verwendet werden, um es in den Überhitzerbereich 22 einzuspritzen.
Die Pumpe 52 kann eine entsprechende Förderung bewirken.
Insbesondere ist an der Leitung 58 ein Stellventil 62 angeordnet, über welches die Einspritzmenge einstellbar ist. Dieses Stellventil 62 ist insbesondere durch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert.
Bei einer Ausführungsform ist jedem Strang oder einer Gruppe von Strängen ein regelbares Stellventil 63 zugeordnet, um eine individuelle Einstellbarkeit zu erreichen. Die Stellventile 63 sind durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert.
Die Einspritzeinrichtung 56 umfasst ferner eine Leitung 66, welche fluidwirksam an die Leitung 54 (welche fluidwirksam an den Eingang 16 der Solareinrichtung 12 gekoppelt ist) gekoppelt. Es lässt sich dadurch frisches "kühles" Wärmeträgermedium bereitstellen. Die Leitung 66 mündet über ein Ventil 68 in die Leitung 50.
Das Ventil 68 ist durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert.
Der Ausgang 18 der Solareinrichtung 12 ist über eine Leitung 70 fluidwirksam an eine Turbineneinrichtung 72 gekoppelt. In der Leitung 70 ist ein Ventil 74 angeordnet, durch welches der Massenstrom an überhitztem Wärmeträgermedium-Dampf, welcher von der Solareinrichtung 12 der Turbineneinrichtung 72 bereitgestellt ist, einstellbar ist.
Die Turbineneinrichtung 72 umfasst eine Hochdruckdampfturbine 76. Diese ist über einen Eingang 78 eingangsseitig mit dem Ventil 74 verbunden. An der Hochdruckdampfturbine 76 wird durch eine Teilentspannung von Wärmeträgermedium-Dampf mechanische Energie erzeugt.
Die Hochdruckdampfturbine 76 umfasst ferner einen Ausgang 80, an welchem teilentspannter Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist.
Dieser Ausgang 80 steht über eine Leitung 81 in fluidwirksamer Verbindung mit einem ersten Eingang 82 eines Zwischenüberhitzers 84. Der Zwischenüberhitzer 84 weist einen ersten Ausgang 86 auf. Zwischen dem ersten Eingang 82 und dem ersten Ausgang 86 hat der Zwischenüberhitzer 84 eine Erhitzungsstrecke 88. An der Erhitzungsstrecke 88 wird Wärmeträgermedium-Dampf zwischenüberhitzt. Dieser zwischenüberhitzte Wärmeträgermedium-Dampf ist einer Niederdruckdampfturbine 90 bereitgestellt. Die Niederdruckdampfturbine 90 hat dazu einen Eingang 92, welcher über eine Leitung 94 fluidwirksam mit dem ersten Ausgang 86 des Zwischenüberhitzers 84 verbunden ist.
Die Niederdruckdampfturbine 90 ist durch den entsprechenden Dampf betrieben. Die Hochdruckdampfturbine 76 und die Niederdruckdampfturbine 90 bilden eine mehrstufige Turbineneinrichtung 72, welche mechanische Energie bereitstellen, um über einen Generator 96 nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen.
Der Zwischenüberhitzer 84 ist ein Wärmeübertrager, welcher mit Wärmeträgermedium-Dampf von der Solareinrichtung 12 (und/oder einer Speichereinrichtung 98, wie untenstehend noch näher beschrieben ist) als Wärmeübertragungsmedium zur Durchführung der Zwischenüberhitzung versorgt ist.
Dazu ist an die Leitung 70 eine Leitung 100 gekoppelt. An der Leitung 100 ist ein Ventil 102 angeordnet. Durch das Ventil 102 ist einstellbar, ob und gegebenenfalls welche Menge an Wärmeträgermedium-Dampf von der Solareinrichtung 12 für die Zwischenüberhitzung bereitgestellt ist. Die Leitung 100 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem zweiten Eingang 104 des Zwischenüberhitzers 84.
Der Zwischenüberhitzer 84 weist ferner einen zweiten Ausgang 106 auf. Zwischen dem zweiten Eingang 104 und dem zweiten Ausgang 106 strömt Wärmeträgermedium-Dampf als Wärmeübertragungsmedium.
Der zweite Ausgang 106 des Zwischenüberhitzers 84 steht über eine Leitung 108 in fluidwirksamer Verbindung mit einer Abscheidetrommel 110. An der Abscheidetrommel 110 wird flüssiges Wärmeträgermedium von Wärmeträgermedium-Dampf abgeschieden.
Die Niederdruckdampfturbine 90 weist einen Ausgang 112 auf. Von diesem Ausgang 112 führt eine Leitung 114 zu einem Kondensator 116. An dem Kondensator 116 wird Wärmeträgermedium-Dampf kondensiert. An einem Ausgang 118 des Kondensators 116 ist dann flüssiges Wärmeträgermedium in einer Einphasenströmung bereitgestellt.
Dieser Ausgang 118 steht in fluidwirksamer Verbindung über eine Leitung 120 mit einem Niederdruckvorwärmer 122. Dieser Niederdruckvorwärmer 122 umfasst einen oder mehrere Wärmetauscher. Flüssiges Wärmeträgermedium durchströmt den Niederdruckvorwärmer 122. Der Niederdruckvorwärmer 122 ist dabei insbesondere über flüssiges Wärmeträgermedium, welches von der Niederdruckdampfturbine 90 bereitgestellt ist (in 1 durch den Buchstaben B angedeutet), beheizt.
In der Leitung 120 ist eine Pumpe 124 zur Förderung des flüssigen Wärmeträgermediums angeordnet.
Der Niederdruckvorwärmer 122 steht ausgangsseitig in Verbindung mit der Abscheidetrommel 110. Entsprechendes flüssiges Wärmeträgermedium, welches in den Niederdruckvorwärmer 122 durchlaufen hat, wird dort eingekoppelt.
Ein Ausgang der Abscheidetrommel 110 steht über eine Leitung 126 in fluidwirksamer Verbindung mit einem Hochdruckvorwärmer 128. Dieser Hochdruckvorwärmer 128 kann einen oder eine Mehrzahl von Wärmeübertragern umfassen. Der oder die Wärmeübertrager sind insbesondere über Wärmeträgermedium (insbesondere flüssiges Wärmeträgermedium) beheizt, welches von der Hochdruckdampfturbine 76 bereitgestellt ist. Dies ist in 1 durch den Buchstaben A angedeutet.
An der Leitung 126 ist eine Pumpe 130 angeordnet.
Ein Ausgang des Hochdruckvorwärmers 128 steht in fluidwirksamer Verbindung mit der Leitung 54.
Zwischen der Leitung 70 und der Leitung 54 ist die Speichereinrichtung 98 angeordnet.
Die Speichereinrichtung 98 kann mehrstufig ausgebildet sein, beispielsweise mit einem Vorwärmerbereich 132, einem Verdampferbereich 134 und einem Überhitzerbereich 136. Der Vorwärmerbereich 132, der Verdampferbereich 134 und der Überhitzerbereich 136 umfassen jeweils entsprechende Speicherelemente 138. Insbesondere ist ein Speicherelement als Phasenwechselmedium-Speicherelement ausgebildet.
Die Speichereinrichtung 98 stellt überhitzten Dampf bereit, wobei nicht notwendigerweise Dampf selber gespeichert werden muss.
Die Speichereinrichtung hat dabei einen Eingang 140, welcher über eine Leitung 142 in fluidwirksamer Verbindung mit der Leitung 54 steht. An der Leitung 142 ist ein Ventil 144 angeordnet. Über diese Leitung 142 und den Eingang 140 kann flüssiges Wärmeträgermedium ("Frischwasser") in die Speichereinrichtung 98 eingekoppelt werden.
Der Eingang 140 steht über eine weitere Leitung 146, an welcher ein Ventil 148 angeordnet ist, ebenfalls in fluidwirksamer Verbindung mit der Leitung 54. An der Leitung 146 sitzt eine Pumpe 150. Die Ventile 144 und 148 sind Sperrventile. Durch sie lässt sich einstellen, ob die Leitung 142 oder die Leitung 146 (oder keine dieser beiden Leitungen 142 oder 146 oder keine dieser Leitungen) offen sind. Die Strömungsrichtung ist dabei in der Leitung 142 entgegengesetzt zu der Leitung 146. Über die Leitung 146 lässt sich flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung 98 in die Leitung 54 einkoppeln. In diesem Falle wirkt dann der Eingang 140 als Ausgang für flüssiges Wärmeträgermedium.
Die Speichereinrichtung 98 hat ferner einen Ausgang 152, an welchem Wärmeträgermedium-Dampf (als überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf) bereitgestellt ist. Dieser Ausgang 152 steht über eine Leitung 153, an welcher ein Ventil 154 sitzt, in fluidwirksamer Verbindung mit der Hochdruckdampfturbine 76.
Die Ventile 74 und 154 sind insbesondere als regelbare Ventile ausgebildet. Dadurch lässt sich eine Beimischung einstellen. Durch sie lässt sich einstellen, ob Dampf aus der Speichereinrichtung 98 oder aus der Solareinrichtung 12 (insbesondere entweder aus der Solareinrichtung 12 oder der Speichereinrichtung 98) der Hochdruckdampfturbine 76 zu deren Betrieb bereitgestellt wird.
Der Hochdruckdampfturbine 76 ist dabei ein Stellventil 156 vorgeschaltet, durch welches sich der entsprechende Massenstrom einstellen lässt.
Die Leitung 100 ist über ein Ventil 158 und eine Leitung 160 an die Leitung 153 gekoppelt. Die Ventile 102 und 158 sind insbesondere regelbare Ventile. Durch sie lässt sich einstellen, ob Dampf aus der Solareinrichtung 12 oder der Speichereinrichtung 98 (insbesondere entweder aus der Solareinrichtung 12 oder der Speichereinrichtung 98) dem zweiten Eingang 104 des Zwischenüberhitzers 84 zur Zwischenüberhitzung des Wärmeträgermedium-Dampfs, welcher von der Hochdruckdampfturbine 76 kommt, bereitgestellt wird und es lässt sich auch eine Beimischung einstellen.
Die solaren Einstrahlungsbedingungen für die Solareinrichtung 12 unterliegen zeitlichen Schwankungen; beispielsweise verursacht eine zeitlich variierende Wolkenbedeckung entsprechende Schwankungen. In 5(a) ist ein typischer Verlauf der Strahlungsleistung auf die Solareinrichtung 12 pro Flächeneinheit über die Zeit (in Stunden) gezeigt.
Die Temperatur T₁ von überhitztem Wärmeträgermedium-Dampf (Frischdampf), welcher am Ausgang 18 die Solareinrichtung 12 verlässt, unterliegt dadurch entsprechenden zeitlichen Schwankungen. Dies ist in 5(b) gezeigt. Die entsprechende Kurve beruht dabei auf Simulationen unter Annahme des Strahlungsverlaufs gemäß 5(a).
In 5(c) ist entsprechend der Dampfmassenstrom ṁ₁ beim Verlassen der Solareinrichtung 12 gezeigt. Auch dieser Dampfmassenstrom unterliegt Schwankungen.
Zum Betrieb der Hochdruckdampfturbine wird der Massenstrom an dem Stellventil 156 auf einen konstanten Wert ṁ₂ eingestellt. Unterschreitet der Dampfmassenstrom ṁ₁ den vorgegebenen konstanten Wert, dann kann der Dampfmassenstrom ṁ₂ den vorgegebenen Wert nicht erreichen und unterschreitet diesen.
Entsprechend unterliegt flüssiges Wärmeträgermedium, welches in die Solareinrichtung 12 mit einer Temperatur T₂ und einem Druck p₂ eingekoppelt wird, auch durch die Schwankungen in den Einstrahlungsbedingungen verursachten Schwankungen. In 5(d) ist der Verlauf des Drucks des flüssigen Wärmeträgermediums beim Eintritt in die Solareinrichtung 12 gezeigt und in 5(e) ist der entsprechende Verlauf der Temperatur T₂ gezeigt, welche ebenfalls entsprechenden Schwankungen unterliegt.
Temperaturüberschreitungen über einen vorgegebenen Wert zum optimierten Betrieb der Turbineneinrichtung 72 lassen sich dadurch kompensieren, dass flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich 22 über die Einspritzeinrichtung 56 eingespritzt wird. Es lässt sich dadurch eine Abkühlung erreichen.
Erfindungsgemäß ist die Solareinrichtung 12 mit einer elektrischen Heizeinrichtung 162 (2) versehen. Die elektrische Heizeinrichtung 162 stellt eine oder mehrere zusätzlichen Heizquellen außerhalb der Solarstrahlung 14 bereit, um Wärmeträgermedium zu heizen. Dadurch können Temperaturschwankungen ausgeglichen werden, um insbesondere ein zu starkes Absinken der Temperatur T₁ beim Austritt des Wärmeträgermedium-Dampfs aus der Solareinrichtung 12 zu verhindern.
Die elektrische Heizeinrichtung 162 ist insbesondere an dem Überhitzerbereich 22 angeordnet.
Sie umfasst ein oder mehrere elektrische Heizelemente 164 (3 und 4).
Solche elektrischen Heizelemente 164 sind insbesondere in einem entsprechenden Rohr 166 angeordnet, welches nach dem letzten Solarkollektor 45 liegt. Der "letzte" Solarkollektor 45 ist derjenige, welcher direkt vor dem Ausgang 18 liegt. Beispielsweise können elektrische Heizelemente 164 auch in der Leitung 70 angeordnet sein. (Dies ist in 1 mit dem Bezugszeichen 167 angedeutet.)
Es kann dabei grundsätzlich jedem Strang 42a, 42b usw. des Überhitzerbereichs 22 ein oder mehrere elektrische Heizelemente 164 zugeordnet sein. Wenn die elektrische Heizeinrichtung 162 an der Leitung 70 angeordnet ist, dann ist diese einer Mehrzahl von Strängen 42a, 42b usw. zugeordnet.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 mit einer elektrischen Heizeinrichtung 162 versehen ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Heizelements 164 ist als Stab 168 ausgebildet. Der Stab 168 weist eine Längserstreckung in einer Richtung 170 auf, welche mindestens näherungsweise parallel zu einer Längserstreckungsrichtung entsprechend des Rohrs 166 ist. Die Richtung 170 ist insbesondere parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Wärmeübertragungsmediums in dem Rohr 166.
Ein elektrisches Heizelement 164 ist insbesondere als Widerstandsheizelement ausgebildet. In dem Stab 168 ist ein stromführendes Element wie beispielsweise eine Heizspirale angeordnet. Diese wird mit elektrischem Strom beaufschlagt, wobei durch den elektrischen Widerstand eine Heizung erfolgt.
Der entsprechende elektrische Leiter ist fluiddicht in dem Stab 168 angeordnet und insbesondere eingebettet. Das Material des Stabs 168 ist aus einem wärmeleitfähigen Material.
Der Stab 168 und damit das elektrische Heizelement 164 ist in einem Innenraum 172 des Rohrs 176 angeordnet. An ihm strömt Wärmeträgermedium vorbei. Im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche des elektrischen Heizelements 164 (des Stabs 168) steht bei Vorbeiströmung des Wärmeträgermediums in thermischem Kontakt mit diesem, um das Wärmeträgermedium aufzuheizen. Das elektrische Heizelement 164 bildet ein Umströmungselement, welches von Wärmeträgermedium umströmt wird.
Insbesondere sind eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen 164 in dem entsprechenden Rohr 166 angeordnet. Diese sind dabei vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.
Benachbarte Heizelemente 164 sind beabstandet zu einander, sodass ein Zwischenraum zwischen diesen durchströmbar ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind in einem entsprechenden Rohr 166 als elektrische Heizelemente 164 jeweilige Platte 174 beabstandet angeordnet (4(a), (b), (c)). Diese Platten 174 sind wiederum so ausgebildet, dass an ihnen und bei einer Mehrzahl von Platten zwischen diesen Wärmeträgermedium vorbeiströmbar ist.
Die Platten 174 sind als elektrische Widerstandselemente ausgebildet. In ihnen sind eine oder mehrere elektrische Leiter (Heizspiralen) angeordnet, welche durch elektrischen Strom beaufschlagt werden und entsprechend die Platte 174 aufheizen. Das Material der Platte 174 ist aus einem wärmeleitfähigen Material. Wärmeträgermedium, welches vorbeiströmt, wird dann ebenfalls aufgeheizt.
Die elektrische Heizeinrichtung 162 mit den jeweiligen Heizelementen 164 ist durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert. Diese sorgt dafür, dass, sofern notwendig, Temperaturschwankungen in dem Wärmeträgermedium-Dampf ausgeglichen werden; wenn die Temperatur zu gering ist, erfolgt eine entsprechende elektrische Beheizung durch die elektrische Heizeinrichtung 162.
Der Solareinrichtung 12 ist (mindestens) ein Temperatursensor 176 zugeordnet, welcher eine Temperatur T₁ des überhitzten Wärmeträgermedium-Dampfs misst. Der Temperatursensor 176 ist beispielsweise an der Leitung 70 dem Ausgang der Solareinrichtung 12 nachgeschaltet. Er kann aber auch innerhalb des Überhitzerbereichs 22 angeordnet sein.
Der Temperatursensor 176 stellt seine Messsignale der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 bereit. Diese steuert dann auf Grundlage der Temperatursignale des Temperatursensors 176, wobei die entsprechende Temperatur T₁ eine Zustandsgröße des erzeugten Wärmeträgermedium-Dampfs ist, die elektrische Heizeinrichtung 162 und die Einspritzeinrichtung 56 an. Das Regelziel ist dabei eine Vergleichmäßigung der Temperatur T₁. Wenn detektiert wird, dass beispielsweise die durch den Temperatursensor 176 gemessene Temperatur T₁ unter eine vorgegebene Schwelle fällt, wird entsprechend die elektrische Heizeinrichtung 162 angesteuert und diese heizt den Wärmeträgermedium-Dampf auf. Wenn die Temperatur T₁ oberhalb einer Schwelle liegt, steuert die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 die Einspritzeinrichtung 56 an und es wird flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich 22 eingespritzt.
Durch das Vorsehen der elektrischen Heizeinrichtung 162 lassen sich Temperaturschwankungen des durch die Solareinrichtung 12 erzeugten Wärmeträgermedium-Dampfs dämpfen. Die elektrische Heizeinrichtung 162 lässt sich mit geringen Investitionskosten realisieren, da insbesondere der Materialeinsatz relativ gering ist. Das Stellorgan eines entsprechenden elektrischen Heizelements 164 ist ein Heizdraht. Dieser weist kleine Zeitkonstanten auf, sodass eine gute Regelbarkeit vorhanden ist. Weiterhin ist die für die Regelung erforderliche Zustandsgröße Temperatur durch den Temperatursensor 176 mit kleinen Zeitkonstanten messbar, sodass auch dies zu einer guten Regelbarkeit beiträgt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich eine Dämpfung von Temperaturschwankungen auch in Richtung der Temperaturen (bezüglich Unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle) durchführen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Turbineneinrichtung 72 optimiert betreiben. Auf einfache und kostengünstige Weise lassen sich Temperaturfluktuationen gering halten. Es lassen sich auch kurzzeitige Temperaturschwankungen beispielsweise im Bereich von Minuten ausregeln.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Bypassstränge 178 (1) an der Leitung 70 (Hauptstrang) für die Zuführung von überhitztem Dampf zu der Turbineneinrichtung 72 vorgesehen sind. Einem oder mehreren Bypasssträngen 178 ist eine Einstelleinrichtung 180 zugeordnet, durch welche schaltbar ist, ob der entsprechende Bypassstrang mit Wärmeträgermedium-Dampf durchströmt wird oder nicht und gegebenenfalls mit welcher Menge (das heißt mit welchem Massenstrom).
Bei einem "normalen Betrieb" des solarthermischen Kraftwerks 10 ist die Einstelleinrichtung 180 so angesteuert, dass der Bypassstrang 178 nicht oder wenig durchströmt wird. Der normale Betrieb ist dabei dadurch definiert, dass die Temperaturfluktuationen keine Schwelle überschreiten.
Wenn beispielsweise instabile Wetterbedingungen vorliegen, wird eine Durchströmung des mindestens einen Bypassstrangs 178 über die Schalteinrichtung 180 gesteuert freigegeben oder erhöht. An dem mindestens einen Bypassstrang 178 ist dabei eine elektrische Heizeinrichtung 162 angeordnet. Im Extremfall durchströmt bei instabilen Wetterbedingungen Wärmeträgermedium (überhitzter Dampf) nur den Bypassstrang 178, das heißt der gesamte Massenstrom an überhitztem Dampf, welcher von der Solareinrichtung 12 bereitgestellt wird, durchläuft den Bypassstrang 178 mit der elektrischen Heizeinrichtung 162.
Durch das Vorsehen von einem oder mehreren zuschaltbaren beziehungsweise durchströmungssteuerbaren Bypasssträngen 178, welche mit einer elektrischen Heizeinrichtung 162 versehen sind, kann ein Betriebsmodus eingestellt werden, bei dem bei instabilen Wettersituationen für eine entsprechende Durchströmung gesorgt wird. Wenn dann hohe Temperaturfluktuationen erwartet werden, sorgt der mindestens eine Bypassstrang 178 für eine Verringerung der Temperaturfluktuationen über Verwendung der dortigen elektrischen Heizeinrichtung 162. Es lässt sich dadurch die Belastung und Lebensdauer der elektrischen Heizeinrichtung 162 reduzieren, da bei günstigen Wetterbedingungen ein Bypassstrang 178 nicht oder weniger durchströmt wird, und es lassen sich Druckverluste minimieren.
Bezugszeichenliste

10: Solarthermisches Kraftwerk
12: Solareinrichtung
14: Solarstrahlung
16: Eingang
18: Ausgang
20: Vorwärmer-/Verdampferbereich
22: Überhitzerbereich
24a: Strang
24b: Strang
26: Verteiler
28: Solarkollektor
30: Ausgang
32: Zusammenführung
34: Abscheidungseinrichtung
36: Ausgang
38: Eingang
40: Verteiler
42a: Strang
42b: Strang
44: Solarkollektor
45: Letzter Solarkollektor
46: Zusammenführung
48: Rezirkulationseinrichtung
50: Leitung
52: Pumpe
54: Leitung
56: Einspritzeinrichtung
58: Leitung
60: Verteiler
62: Stellventil
63: Ventil
64: Steuerungs-/Regelungseinrichtung
66: Leitung
68: Ventil
70: Leitung
72: Turbineneinrichtung
74: Ventil
76: Hochdruckdampfturbine
78: Eingang
80: Ausgang
81: Leitung
82: Erster Eingang
84: Zwischenüberhitzer
86: Erster Ausgang
88: Erhitzungsstrecke
90: Niederdruckdampfturbine
92: Eingang
94: Leitung
96: Generator
98: Speichereinrichtung
100: Leitung
102: Ventil
104: Zweiter Eingang
106: Zweiter Ausgang
108: Leitung
110: Abscheidetrommel
112: Ausgang
114: Leitung
116: Kondensator
118: Ausgang
120: Leitung
122: Niederdruckvorwärmer
124: Pumpe
126: Leitung
128: Hochdruckvorwärmer
130: Pumpe
132: Vorwärmerbereich
134: Verdampferbereich
136: Überhitzerbereich
138: Speicherelement
140: Eingang/Ausgang
142: Leitung
144: Ventil
146: Leitung
148: Ventil
150: Pumpe
152: Ausgang
153: Leitung
154: Ventil
156: Stellventil
158: Ventil
160: Leitung
162: Elektrische Heizeinrichtung
164: Heizelement
166: Rohr
167: Rohr mit Heizelement
168: Stab
170: Richtung
172: Innenraum
174: Platte
176: Temperatursensor
178: Bypassstrang
180: Einstelleinrichtung
T₁: Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs beim Austritt aus der Solareinrichtung
T₂: Temperatur des flüssigen Wärmeträgermediums beim Eintritt in die Solareinrichtung
p₂: Druck des flüssigen Wärmeträgermediums beim Eintritt in die Solareinrichtung
ṁ₁: Massenstrom des Wärmeträgermedium-Dampfs beim Austritt aus der Solareinrichtung
ṁ₂: Massenstrom des Wärmträgermedium-Dampfs beim Eintritt in die Hochdruckdampfturbine

Claims

Solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Solareinrichtung (12), an welcher mittels Solarstrahlung (14) aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung (72), welcher der erzeugte Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung (12) einen Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) und einen Überhitzerbereich (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Solareinrichtung (12) eine elektrische Heizeinrichtung (162) angeordnet ist, welche mindestens ein elektrisches Heizelement (164) aufweist und durch welche Wärmeträgermedium heizbar ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) an und insbesondere in einem vom Wärmeträgermedium durchströmten Rohr (166) angeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) ein Umströmungselement ist, an welchem Wärmeträgermedium vorbeiströmt.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) eine Stabform (168) oder Plattenform (174) hat.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rohr (166) eine Mehrzahl von beabstandeten elektrischen Heizelementen (164) angeordnet ist, wobei insbesondere in einem Zwischenraum zwischen benachbarten elektrischen Heizelementen (164) Wärmeträgermedium strömt.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) eine Längserstreckung in einer Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums aufweist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) dem Überhitzerbereich (22) zugeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) einem bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums letzten Solarkollektor (44) des Überhitzerbereichs (22) nachgeschaltet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) einem Ausgang (18) des Überhitzerbereichs (22) nachgeschaltet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) außerhalb eines Solarkollektors (44) angeordnet ist, welcher von Wärmeträgermedium durchströmt ist und in welchem das Wärmeträgermedium durch die Solarstrahlung erhitzt wird.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64), welche die elektrische Heizeinrichtung (162) ansteuert.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64) die elektrische Heizeinrichtung (162) in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustandsgrößen und insbesondere der Temperatur des von durch die Solareinrichtung (12) erzeugten Wärmeträgermedium-Dampfs ansteuert.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch mindestens einen Temperatursensor (176), welcher eine Temperatur (T₁) von Wärmeträgermedium-Dampf misst und welcher signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64) verbunden ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelziel der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64) eine Vergleichmäßigung der Temperatur (T₁) des Wärmeträgermedium-Dampfs ist, welcher der Turbineneinrichtung (72) bereitgestellt ist, wobei insbesondere die Vergleichmäßigung bezüglich Schwankungen der solaren Einstrahlung erfolgt.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einspritzeinrichtung (56), durch welche flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich (22) einspritzbar ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) eine Abscheidungseinrichtung (34) für flüssiges Wärmeträgermedium zugeordnet ist, welche flüssiges Wärmeträgermedium der Einspritzeinrichtung (56) bereitstellt.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) ein Widerstandsheizelement ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) und/oder der Überhitzerbereich (22) mindestens einen Strang (24a, 24b; 42a, 42b) und insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf die Durchströmung mit Wärmeträgermedium parallelen Strängen aufweist, wobei ein Strang (24a, 24b; 42a, 42b) insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums hintereinander angeordneten Solarkollektoren (28; 44) aufweist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Heizeinrichtung (162) an einem oder mehreren Bypasssträngen (178) angeordnet ist, welche parallel zu einem oder mehreren Hauptströmungssträngen (70) zu der Turbineneinrichtung (70) angeordnet sind und deren Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem oder den Bypasssträngen (178) eine Einstelleinrichtung (180) zugeordnet ist, durch welche die Durchströmung eines Bypassstrangs (178) einstellbar und insbesondere freigebbar oder sperrbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, bei dem mit Solarstrahlung aus flüssigem Wärmeträgermedium überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt wird, welcher einer Turbineneinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium-Dampf mittels mindestens einem elektrischen Heizelement gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf mittels des mindestens einen elektrischen Heizelements erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium-Dampf so mit dem mindestens einen elektrischen Heizelement gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird, dass Temperaturschwankungen im Wärmeträgermedium-Dampf, welcher der Turbineneinrichtung zugeführt wird, als Regelziel minimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zustandsgröße des Wärmeträgermedium-Dampfs und insbesondere eine Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Wärmeträgermedium gesteuert und/oder geregelt in einen Wärmeträgermedium-Dampfstrom eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium-Dampf über das mindestens eine elektrische Heizelement erhitzt wird, welcher in einen Bypassstrang geführt wird, der parallel zu einem Hauptstrang zu der Turbineneinrichtung ist und dessen Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert wird.