DE102012107353B4

DE102012107353B4 - Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks

Info

Publication number: DE102012107353B4
Application number: DE201210107353
Authority: DE
Inventors: Markus Eck; Tobias Hirsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2032-08-11
Also published as: DE102012107353A1

Abstract

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 Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung (12) einen Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) und einen Überhitzerbereich (22) umfasst, wobei der Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) mindestens einen Strang (24a, 24b) mit einer Mehrzahl von bezogen auf eine Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Solarkollektoren (28) aufweist, und wobei der Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) im Betrieb einen Einphasenbereich (31a) aufweist, in welchem flüssiges Wärmeträgermedium strömt, und einen in Strömungsrichtung auf den Einphasenbereich (31a) folgenden Zweiphasenbereich (31b) aufweist, in welchem ein Zweiphasengemisch aus flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf strömt, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Teilstrang (170) des mindestens einen Strangs (24a, 24b), welcher in dem Einphasenbereich (31a) liegt, eine Temperaturmesseinrichtung (172) angeordnet ist, welche einen Temperaturanstieg in dem Wärmeträgermedium in dem ersten Teilstrang (170) misst, und dass mindestens ein zweiter Teilstrang (188; 196, 198) des mindestens einen Strangs (24a), welcher mindestens teilweise im Zweiphasenbereich (31b) liegt, in einem Abdeckungsgebiet (184) für Solarstrahlung angeordnet ist, in dem der erste Teilstrang (170) angeordnet ist, wobei das Abdeckungsgebiet (184) eine Längserstreckung in einer Längsrichtung (168) aufweist, in welcher der erste Teilstrang (170) liegt mit der Länge (L1) des ersten Teilstrangs (170), und eine Breitenerstreckung in einer Breitenrichtung (182) quer und zu der Längsrichtung (168) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Solareinrichtung, in welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung, welcher der erzeugte Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich umfasst, wobei der Vorwärmer-/Verdampferbereich mindestens einen Strang mit einer Mehrzahl von bezogen auf eine Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Solarkollektoren aufweist, wobei der Vorwärmer-/Verdampferbereich im Betrieb einen Einphasenbereich aufweist, in welchem flüssiges Wärmeträgermedium strömt, und einen in Strömungsrichtung auf den Einphasenbereich folgenden Zweiphasenbereich aufweist, in welchem ein Zweiphasengemisch aus flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf strömt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks.
Aus der DE 10 2009 047 204 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bekannt, welches eine Verdampfereinrichtung mit einer Mehrzahl von Verdampfersträngen umfasst, an welcher aus einem flüssigen Wärmeträgermedium durch Solarstrahlung Dampf erzeugbar ist, bei dem bei einem Einstrahlungsrückgang die Verdampfereinrichtung in inaktive und aktive Verdampferstränge aufgeteilt wird, wobei an einem aktiven Verdampferstrang ein Mindestmassenstrom an flüssigem Arbeitsmedium aufrechterhalten wird, der die Betriebsbereitschaft der Verdampfereinrichtung erhält, und wobei an einem inaktiven Verdampferstrang ein Massenstrom Null eingestellt wird, oder ein Massenstrom eingestellt wird, welcher höchstens 20% des Mindestmassenstroms ist.
Aus der DE 10 2009 025 455 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Dampf an einem solarthermischen Kraftwerk bekannt, bei dem in einer Durchlaufstrecke für Wärmeträgermedium durch Solarenergie in einem Verdampferbereich Dampf erzeugt wird und in einem Überhitzerbereich durch Solarenergie der Dampf überhitzt wird, wobei ein Verdampfungsendpunkt des Verdampferbereichs in einem Regelungsbereich örtlich fixiert wird, bei dem ein räumlicher Temperaturgradient in dem Überhitzerbereich und eine Temperatur im Verdampferbereich bestimmt werden und der Massenstrom an Wärmeträgermedium in der Durchlaufstrecke in Abhängigkeit des Temperaturgradienten und der gemessenen Temperatur im Verdampferbereich eingestellt wird.
Aus der DE 10 2007 052 234 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bekannt, bei dem ein Wärmeträgermedium in einem Verdampferabschnitt durch Solarstrahlung unter Aufnahme von Wärme verdampft wird, wobei der Verdampferabschnitt eine Mehrzahl von Verdampfersträngen aufweist, auf welche das Wärmeträgermedium verteilt wird. Die Massenstromverteilung wird an dem Verdampferabschnitt geregelt, wobei die Massenströme individuell an allen oder einer Mehrheit der Verdampferstränge eingestellt werden und eine Regelgröße eine Größe ist, welche einen räumlichen Energieanstieg in einem jeweiligen Verdampferstrang in einem Bereich des Verdampferstrangs, in dem Wärmeträgermedium noch nicht verdampft ist, charakterisiert.
Aus der DE 10 2007 005 562 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks bekannt, bei dem ein Wärmeträgermedium in einem Erhitzungsabschnitt durch Solarstrahlung unter Aufnahme von Wärme erhitzt wird, wobei der Erhitzungsabschnitt eine Mehrzahl von Erhitzungssträngen aufweist, auf die das Wärmeträgermedium verteilt wird. An den Erhitzungssträngen wird jeweils eine Zustandsgröße des Wärmeträgermediums gemessen, es wird ein Mittelwert von gemessenen Zustandsgrößen über die Erhitzungsstränge berechnet, und Massenstrom-Regelventile werden in den jeweiligen Erhitzungssträngen in Abhängigkeit von der jeweiligen Differenz zwischen der gemessenen Zustandsgröße des strömenden Wärmeträgermediums in dem jeweiligen Erhitzungsstrang und dem berechneten Mittelwert angesteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solarthermisches Kraftwerk der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine optimierte individuelle Anpassung des dem mindestens einen Strang zugeführten flüssigen Wärmeträgermediums ermöglicht.
Dies Aufgabe wird bei dem eingangs genannten solarthermischen Kraftwerk erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einem ersten Teilstrang des mindestens einen Strangs, welcher in dem Einphasenbereich liegt, einen Temperaturmesseinrichtung angeordnet ist, welche einen Temperaturanstieg in dem Wärmeträgermedium über den ersten Teilstrang misst und dass mindestens ein zweiter Teilstrang des mindestens einen Strangs, welcher mindestens teilweise im Zweiphasenbereich liegt, in dem Abdeckungsgebiet für Solarstrahlung angeordnet ist, in dem der erste Teilstrang angeordnet ist, wobei das Abdeckungsgebiet eine Längserstreckung in einer Längsrichtung aufweist, in welcher der erste Teilstrang liegt mit der Länge des ersten Teilstrangs, und eine Breitenerstreckung in einer Breitenrichtung quer zu der Längsrichtung aufweist.
Der solare Energieeintrag in den mindestens einen Strang ist höchstens auf sehr aufwendige Weise aufgrund der Zweiphasenströmung im Zweiphasenbereich messbar. In dem ersten Teilstrang, der in dem Einphasenbereich liegt (und insbesondere eine solche kurze Länge gegenüber einem gesamten Strömungsweg des mindestens einen Strangs aufweist, dass er unter Betriebsbedingungen solarthermischen Kraftwerks im Einphasengebiet liegt), lässt sich über die Messung des Temperaturanstiegs der solare Energieeintrag in diesen Teilstrang bestimmen.
Dadurch, dass ein weiterer Teil des mindestens einen Strangs in dem gleichen Abdeckungsgebiet liegt, welcher gleichen solaren Einstrahlungsbedingungen unterliegt, kann auch für den zweiten Teilstrang, selbst wenn dieser in dem Zweiphasenbereich liegt, der solare Energieeintrag über den solaren Energieeintrag in den ersten Teilstrang mit guter Genauigkeit abgeschätzt werden. Dadurch lässt sich der solare Energieeintrag in dem gesamten Strang mit verminderter Unsicherheit bestimmen. Die Messung wird nur bezüglich des ersten Teilstrangs vorgenommen und es wird auf weitere Solarkollektoren eine Extrapolation unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung des mindestens zweiten Teilstrangs durchgeführt.
Das durch eine derartige Abschätzung mit relativ geringer Unsicherheit gewonnene Ergebnis für den solaren Energieeintrag lässt sich wiederum auf vorteilhafte Weise verwenden, um den Massenstrom in dem Strang einzustellen.
Bei den Solarkollektoren handelt es sich insbesondere um Parabolrinnenkollektoren und/oder Linear-Fresnel-Kollektoren.
Insbesondere sind in dem Abdeckungsgebiet der erste Teilstrang und der zweite Teilstrang nicht in der Längsrichtung versetzt. Dadurch liegen bezüglich der Längsrichtung mindestens näherungsweise gleiche solare Einstrahlungsbedingungen vor. Ein Strang kann eine Längserstreckung von 900 m oder mehr aufweisen. Über eine solche große Länge können innerhalb des Strömungswegs unterschiedliche solare Strahlungsbedingungen vorliegen. Durch die erfindungsgemäße Lösung sind große Teile des Strangs in dem Abdeckungsgebiet angeordnet, in dem gleiche solare Einstrahlungsbedingungen vorliegen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich ein Regelungsverfahren für den Massenstrom des mindestens einen Strangs durchführen, wobei der messtechnische Aufwand zur Bestimmung des solaren Energieeintrags in den gesamten Strang minimiert ist.
Insbesondere ist der mindestens zweite Teilstrang mindestens näherungsweise parallel zu dem ersten Teilstrang orientiert. Dadurch lassen sich der erste Teilstrang und der zweite Teilstrang in der Breitenrichtung versetzt mit relativ geringem Abstand anordnen. Dadurch wiederum lässt es sich erreichen, dass mindestens näherungsweise die gleichen solaren Einstrahlungsbedingungen in dem Abdeckungsgebiet für den ersten Teilstrang und den zweiten Teilstrang vorliegen.
Insbesondere sind in der Breitenrichtung mindestens zwei Solarkollektoren nebeneinander angeordnet, wobei insbesondere im Abdeckungsgebiet mindestens zwei Solarkollektoren in der Breitenrichtung nebeneinander angeordnet sind. Dadurch lassen sich der erste Teilstrang und der zweite Teilstrang im Abdeckungsgebiet so unterbringen, dass mindestens näherungsweise die gleichen Einstrahlungsbedingungen vorliegen.
Insbesondere sind der oder die Solarkollektoren des mindestens einen zweiten Teilstrangs in der Breitenrichtung versetzt zu dem oder den Solarkollektoren des ersten Teilstrangs angeordnet. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der messtechnisch ermittelte solare Energieeintrag in den ersten Teilstrang verwenden, um den solaren Energieeintrag in den zweiten Teilstrang zu bestimmen.
Günstig ist es, wenn ein Abstand von Solarkollektoren im Abdeckungsgebiet in der Breitenrichtung mindestens das Zweifache und insbesondere mindestens das 2,5-Fache und insbesondere mindestens näherungsweise das Dreifache einer Aperturbreite eines Solarkollektors beträgt. Vorzugsweise beträgt der Abstand höchstens das Vierfache der Aperturbreite eines Solarkollektors. Dadurch ist zum einen ein genügender Abstand zwischen Solarkollektoren unterschiedlicher Teilstränge in dem Abdeckungsgebiet bereitgestellt, um beispielsweise Wartungsarbeiten und dergleichen auf einfache Weise durchzuführen. Zum anderen lässt sich das Abdeckungsgebiet in der Breitenrichtung mit minimierter Breite ausbilden. Dadurch wiederum lässt sich sicherstellen, dass mindestens näherungsweise die gleichen solaren Einstrahlungsbedingungen im Abdeckungsgebiet vorliegen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge des Abdeckungsgebiets in der Längsrichtung mindestens fünffach größer ist als eine Breite in der Breitenrichtung. Dadurch lässt sich ein bezüglich des Strömungswegs langer Strang ausbilden, wobei in dem Abdeckungsgebiet mindestens näherungsweise gleiche solare Einstrahlungsbedingungen vorliegen. Bei einer Ausführungsform ist einem Solarkollektor eine Antriebseinheit in Längsrichtung zugeordnet.
Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn die Länge eines Solarkollektors mindestens fünffach größer ist als eine Aperturbreite des Solarkollektors.
Es ist günstig, wenn in dem Abdeckungsgebiet der erste Teilstrang und der mindestens zweite Teilstrang die gleiche Anzahl von Solarkollektoren aufweisen und insbesondere die Solarkollektoren in den unterschiedlichen Teilsträngen gleich ausgebildet sind. Dadurch lässt sich aus dem messtechnisch ermittelten solaren Energieeintrag in den ersten Teilstrang der solare Energieeintrag in den zweiten Teilstrang auf einfache Weise abschätzen mit minimierter Unsicherheit.
Bei einer Ausführungsform ist in dem Abdeckungsgebiet mindestens ein dritter Teilstrang angeordnet, welcher mindestens teilweise im Zweiphasenbereich liegt und bezogen auf eine Strömungsrichtung dem zweiten Teilstrang nachgeschaltet ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, auch einen langen Strömungsweg vollständig in dem Abdeckungsgebiet anzuordnen. Dadurch lässt sich auf einfache und sichere Weise der solare Energieeintrag in den gesamten Strang über den solaren Energieeintrag in den ersten Teilstrang abschätzen.
Bei einer Ausführungsform sind Solarkollektoren in dem mindestens einen Strang in einer U-Anordnung oder Doppel-U-Anordnung positioniert. Es lässt sich dadurch einerseits ein langer Strömungsweg für Wärmeträgermedium in dem Strang erreichen, wobei andererseits ein relativ großer Anteil des Strangs in dem Abdeckungsgebiet liegt. Es lässt sich beispielsweise realisieren, insbesondere im Zusammenhang mit einer Doppel-U-Anordnung, dass der Strang komplett in dem Abdeckungsgebiet liegt.
Bei einer Ausführungsform nehmen der oder die Solarkollektoren des ersten Teilstrangs eine Länge von 20% bis 40% einer Länge eines Strömungswegs des mindestens einen Strangs ein, wobei die Länge des Strömungswegs diejenige Länge ist, die Wärmeträgermedium zur Durchströmung des mindestens einen Strangs durchströmen muss. Es lässt sich dadurch sicherstellen, dass der erste Teilstrang in dem Einphasenbereich liegt.
Günstig ist es, wenn eine geometrische Länge des mindestens einen Strangs kleiner ist und insbesondere höchstens 60% und insbesondere höchstens 50% einer Länge eines Strömungswegs des mindestens einen Strangs ist. Die geometrische Länge des mindestens einen Strangs ist der Abstand zwischen einem ersten Ende und einem gegenüberliegenden zweiten Ende. Wenn die geometrische Länge kleiner ist als die Länge des Strömungswegs, dann lässt sich ein großer Anteil und gegebenenfalls sogar der gesamte Strang in dem Abdeckungsgebiet positioniert.
Bei einer Ausführungsform entspricht eine geometrische Länge des mindestens einen Strangs der Länge des Abdeckungsgebiets in der Längsrichtung. Es sind dann alle Solarkollektoren in dem Abdeckungsgebiet angeordnet. Dadurch lässt sich auf einfache und sichere Weise der gesamte Solarenergieeintrag in den mindestens einen Strang über die Temperaturmesseinrichtung abschätzen.
Günstig ist es, wenn in dem mindestens einen Strang ein Stellventil zur Einstellung eines Massenstroms an Wärmeträgermedium und insbesondere flüssigem Wärmeträgermedium angeordnet ist. Insbesondere wird über das Stellventil bestimmt, welche Menge an flüssigem Wärmeträgermedium in den mindestens einen Strang eingekoppelt wird. Es lässt sich dann eine individuelle Regelung durchführen.
Günstigerweise ist das Stellventil über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung angesteuert, welche das Stellventil aufgrund eines solaren Energieeintrags in den mindestens einen Strang ansteuert, wobei der solare Energieeintrag in den mindestens einen Strang (durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung) auf den gemessenen Temperaturanstieg in dem ersten Teilstrang auf den gesamten Strang extrapoliert wird. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung berechnet dann aus den Messdaten der Temperatureinrichtung den solaren Energieeintrag in den gesamten Strang, wobei diese Abschätzung durch die Anordnung des mindestens zweiten Teilstrangs im Abdeckungsgebiet mit relativ geringer Unsicherheit behaftet ist.
Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von Strängen vorgesehen ist, wobei jedem Strang ein Stellventil zugeordnet ist und die jeweiligen Stellventile individuell einstellbar sind. Dadurch lässt sich ein Solarfeld auch bei wechselnden solaren Einstrahlungsbedingungen optimiert steuern beziehungsweise regeln.
Bei einer Ausführungsform ist dem mindestens einen Strang oder ist einer Mehrzahl von Strängen eine Rezirkulationseinrichtung zugeordnet, durch welche flüssiges Wärmeträgermedium von einem Ausgang des mindestens einen Strangs oder der Mehrzahl von Strängen zu einem Eingang oder einer oder mehreren Stellen zwischen dem Eingang und dem Ausgang rückführbar ist. Durch eine Rezirkulationseinrichtung lässt sich eine zusätzliche Steuerung des Massenstroms erreichen.
Insbesondere umfasst die Rezirkulationseinrichtung eine Abscheidungseinrichtung. Durch die Abscheidungseinrichtung lässt sich in der Zweiphasenströmung flüssiges Wärmeträgermedium abscheiden. Das abgeschiedene flüssige Wärmeträgermedium kann für die Rezirkulation benutzt werden. Wärmeträgermedium-Dampf, welcher dann dem Überhitzerbereich zugeführt wird, enthält keine flüssigen Komponenten mehr.
Günstigerweise weist die Temperaturmesseinrichtung mindestens einen Temperatursensor auf, welcher beabstandet zu einem Eingang des mindestens einen Strangs angeordnet ist. Es lässt sich dadurch der Temperaturanstieg (Temperaturhub) von Wärmeträgermedium beim Durchlaufen des ersten Teilstrangs messen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Temperaturmesseinrichtung mindestens einen weiteren Temperatursensor aufweist, welcher an oder in der Nähe eines Eingangs des mindestens einen Strangs angeordnet ist. Dadurch lässt sich auf einfache Weise der Temperaturanstieg zwischen dem Ort des ersten Temperatursensors und dem Ort des zweiten Temperatursensors bestimmen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks.
Es wird erfindungsgemäß ein Massenstrom an dem mindestens einen Strang individuell eingestellt, wobei die Einstellung in Abhängigkeit von dem solaren Energieeintrag in den mindestens einen Strang erfolgt und der Energieeintrag abgeschätzt wird, indem er in dem ersten Teilstrang des mindestens einen Strangs in dem Abdeckungsgebiet über die Temperaturmesseinrichtung gemessen wird und für den restlichen Teil des mindestens einen Strangs abgeschätzt wird, indem aus dem Messergebnis für den ersten Teilstrang auf den restlichen Teil des Strangs extrapoliert wird.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Abschätzung mit relativ kleinen Unsicherheiten behaftet, da ein weiterer Teil des Strangs, nämlich der zweite Teilstrang den gleichen solaren Einstrahlungsbedingungen wie der erste Teilstrang unterliegt.
Insbesondere wird ein Messergebnis des solaren Energieeintrags in den ersten Teilstrang in dem Einphasenbereich auf den gesamten Energieeintrag in den mindestens einen Strang extrapoliert, wobei der erste Teilstrang und mindestens eine Teil des restlichen Strangs in dem gleichen Abdeckungsgebiet liegen. Dadurch lässt sich auf einfache und relativ genaue Weise der solare Energieeintrag in den gesamten Strang abschätzen. Es können auch Messergebnisse von zwei (oder mehr) benachbarten Strängen zu einer Interpolation genutzt werden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung (Blockschaltbilddarstellung) eines solarthermischen Kraftwerks;
2 eine Teildarstellung einer Ausführungsform eines Vorwärmer-/Verdampferbereichs einer Solareinrichtung eines solarthermischen Kraftwerks gemäß 1;
3 eine Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Vorwärmer-/Verdampferbereichs einer Solareinrichtung eines solarthermischen Kraftwerks gemäß 1; und
4 eine Teildarstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Vorwärmer-/Verdampferbereichs einer Solareinrichtung eines solarthermischen Kraftwerks gemäß 1.
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.
Jedem Strang 24a, 24b usw. ist ein eigenes Stellventil 25a, 25b usw. 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. Diese sind in einer speziellen geometrischen Anordnung positioniert, wie untenstehend noch näher erläutert wird. 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. Er weist ausgehend von dem Eingang 16 einen Einphasenbereich 31a und auf den Einphasenbereich 31a folgend einen Zweiphasenbereich 31b auf. 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-/Verdampfbereich 20 mündet.
Die Solareinrichtung 12 weist eine Einspritzeinrichtung 56 auf. Über diese Einspritzeinrichtung 56 lässt sich 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 (2) angesteuert. Bei einer Ausführungsform ist jedem Strang 42a, 42b usw. ein eigenes Stellventil 62a, 62b usw. zugeordnet, so dass die Einspritzung strangweise individuell einstellbar ist.
Die Rezirkulationseinrichtung 48 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 (2 bis 4) 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 ausgangsseitig 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 einem Vorwärmer 109.
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 dampfförmiges Wärmeträgermedium (welches eventuell geringe Mengen an Flüssigkeit enthält), 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 einem Speisewasserbehälter 110. Entsprechendes flüssiges Wärmeträgermedium, welches in den Niederdruckvorwärmer 122 durchlaufen hat, wird dort eingekoppelt.
Ein Ausgang des Speisewasserbehälters 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 dampfförmiges Wärmeträgermedium) beheizt, welches von der Hochdruckdampfturbine 76 bereitgestellt ist. Dies ist in 1 durch den Buchstaben Ã angedeutet. Der Vorwärmer 109 folgt auf den Hochdruckvorwärmer 128.
An der Leitung 126 ist eine Pumpe 130 angeordnet.
Ein Ausgang des Hochdruckvorwärmers 128 beziehungsweise des Vorwärmers 109 steht über eine Leitung 129 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 Sperrventile ausgebildet. 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 160 sind insbesondere Sperrventile. 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.
Von der Leitung 70 führt eine Leitung 162 zu dem Ausgang 152 der Speichereinrichtung 98. In der Leitung 162 ist ein Ventil 164 angeordnet. Über die Leitung 162 lässt sich bei geöffnetem Ventil 164 über den Ausgang 152, der dann ein Eingang ist, heißer Dampf in die Speichereinrichtung 98 einkoppeln, das heißt diese lässt sich mit Wärmeträgermedium-Dampf beladen.
Der Strang 24a usw. definiert einen Strömungsweg 166 mit einer Länge S (2). Der Strömungsweg 166 ist derjenige Weg, den Wärmeträgermedium beim Durchlaufen des Strangs 24a usw. zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 30 am Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 durchläuft.
Der Strang 24a usw. hat eine geometrische Länge L in einer Längsrichtung 168. Wenn der Strömungsweg 166 linear ausgebildet ist, dann stimmen die geometrische Länge L und die Länge S des Strömungswegs 166 überein (2).
Der Strang 24a usw. umfasst einen ersten Teilstrang 170; dieser ist insbesondere geradlinig ausgebildet. Der erste Teilstrang 170 hat als Anfang den Eingang 16. Er erstreckt sich in der Längsrichtung 168. Der erste Teilstrang 170 liegt dabei vollständig in dem Einphasenbereich 31a. Insbesondere ist eine Länge L₁ des ersten Teilstrangs 170, welcher einen oder mehrere Solarkollektoren 28, die hintereinandergeschaltet sind, aufweist, höchstens 20% bis 40% der Länge S des Strömungswegs 166. (Die Figuren sind dabei nicht maßstäblich.) Es ist dadurch sichergestellt, dass in dem ersten Teilstrang 170 im Betrieb des solarthermischen Kraftwerks 10 nur einphasiges Wärmeträgermedium (das heißt nur Wärmeträgermedium in flüssiger Form) strömt.
An dem ersten Teilstrang 170 ist eine Temperaturmesseinrichtung 172 angeordnet. Die Temperaturmesseinrichtung 172 umfasst einen ersten Temperatursensor 174, welcher an einem ersten Ende 176 des ersten Teilstrangs 170 beabstandet zu dem Eingang 16 angeordnet ist. Dieser erste Temperatursensor 174 ist signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 verbunden, welcher er seine Signale bereitstellt. Der erste Temperatursensor 174 misst eine Temperatur T₁ in flüssigem Wärmeträgermedium, welches den ersten Teilstrang 170 durchlaufen hat.
Ferner ist an einem dem ersten Ende 176 gegenüberliegenden zweiten Ende 178 des ersten Teilstrangs 170, welches dem Eingang 16 zugewandt ist, ein zweiter Temperatursensor 180 angeordnet. Dieser zweite Temperatursensor 180 misst die Temperatur T₂ von flüssigem Wärmeträgermedium, welches über den Eingang 16 in den ersten Teilstrang 170 eingekoppelt wird.
Der zweite Temperatursensor 180 steht in signalwirksamer Verbindung mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64, welcher er seine Signale bereitstellt.
Über die Temperatursensoren 180 und 174 lässt sich ein Temperaturanstieg im Wärmeträgermedium zwischen dem zweiten Ende 178 und dem ersten Ende 176 messen. Dieser Temperaturanstieg T₁–T₂ ist auf den solaren Energieeintrag in den ersten Teilstrang 170 zurückzuführen, das heißt er ist ein Maß für den solaren Energieeintrag.
Der solare Energieeintrag in den Strang 24a usw. ist jedoch höchstens mit großem Aufwand bestimmbar, da die Messung an einer Zweiphasenströmung nicht auf einfache Weise durchführbar ist.
Ein Solarkollektor 28 weist in einer Breitenrichtung 182, welche quer und insbesondere senkrecht zur Längsrichtung 168 liegt, eine Aperturbreite A auf. Der oder die Solarkollektoren 28 des ersten Teilstrangs 170 liegen in einem Abdeckungsgebiet 184 für Solarstrahlung.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel liegt nur der erste Teilstrang 170 in dem Abdeckungsgebiet 184. Der restliche Teil 186 des Strangs 24a usw. liegt außerhalb des Abdeckungsgebiets 184. Dieser restliche Teil 186 des Strangs 24 hat eine Länge L₂. Der Eingang 18 und der Ausgang 30 haben in der Längsrichtung 168 maximalen Abstand.
Grundsätzlich kann die Länge L beziehungsweise der Strömungsweg S eines Strangs 24a usw. in der Größenordnung von 900 m oder mehr liegen. Beispielsweise umfasst der entsprechende Strang 24a usw. sechs bis acht Solarkollektoren 28, welche jeweils eine Länge von 150 m aufweisen.
Eine typische Größe für eine Aperturbreite A liegt bei circa 5 m bis 8 m.
Eine typische Größe für die Länge L₁ des ersten Teilstrangs 170 liegt bei circa 300 m.
Dies kann aber bedeuten, dass in dem restlichen Teil 186 des Strangs 24a zumindest temporär andere Einstrahlungsbedingungen als in dem Abdeckungsgebiet 184, in welchem der solare Energieeintrag durch Messung bekannt ist, vorliegen. Bei der Anordnung gemäß 2 ist deshalb die Abschätzung des gesamten solaren Energieeintrags in den Strang 24a aus den Messwerten der Temperaturmesseinrichtung 172 mit einer großen Unsicherheit behaftet.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung (3) ist in dem entsprechenden Abdeckungsgebiet 184, welches durch den ersten Teilstrang 170 definiert ist, ein zweiter Teilstrang 188 des Strangs 24a angeordnet. Dieser zweite Teilstrang 188 liegt zumindest teilweise in dem Zweiphasenbereich 31b.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel (3) umfasst der erste Teilstrang 170 zwei hintereinander angeordnete Solarkollektoren 28. Der zweite Teilstrang 188 ist in der Breitenrichtung 182 parallel versetzt zu dem ersten Teilstrang 170 in dem Abdeckungsgebiet 184 angeordnet und umfasst ebenfalls zwei Solarkollektoren 28. Die Solarkollektoren 28 des zweiten Teilstrangs 188 und die Solarkollektoren 28 des ersten Teilstrangs 170 sind parallel zueinander in der Breitenrichtung 182 fluchtend ausgerichtet angeordnet.
Der Strömungsweg 166 des entsprechenden Strangs 24a usw. läuft von dem Eingang 16 durch den ersten Teilstrang 170. Hier kann über die Temperaturmesseinrichtung 172 der Temperaturanstieg T₁–T₂ gemessen werden. Es folgt dann der restliche Teil des Strangs 186, wobei die letzten zwei Kollektoren 28 vor dem Ausgang 30 wieder in dem entsprechenden Abdeckungsgebiet 184, in welchem der erste Teilstrang 170 angeordnet ist, positioniert sind.
Ein Abstand a zwischen dem erste Teilstrang 170 und dem zweiten Teilstrang 180 im Abdeckungsgebiet 184 beträgt dabei vorzugsweise mindestens das Zweifache, und insbesondere bevorzugterweise mindestens das 2,5-fache und beispielsweise das Dreifache der Aperturbreite A eines Solarkollektors 28.
Eine Breite B des Abdeckungsgebiets 184 ist erheblich kleiner als die Länge L₁ des ersten Teilstrangs 170 und damit auch des Abdeckungsgebiets 184 in der Längsrichtung 168. Insbesondere ist die Länge L₁ des Abdeckungsgebiets 184 (und damit des ersten Teilstrangs 170) in der Längsrichtung 168 mindestens fünffach größer als die Breite B.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist der Strang 24a usw. Solarkollektoren 28 auf, welche zwischen dem ersten Teilstrang 170 und dem zweiten Teilstrang 188 liegen und außerhalb des Abdeckungsgebiets 184 positioniert sind.
Der Strang 24a gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 umfasst eine erste Reihe 190 und eine zweite Reihe 192. Die erste Reihe 190 und die zweite Reihe 192 sind in der Breitenrichtung 182 parallel zueinander versetzt. Ein Teil der ersten Reihe 190, nämlich der erste Teilstrang 170, und ein Teil der zweiten Reihe 192, nämlich der zweite Teilstrang 188, liegen in dem Abdeckungsgebiet 184. Der Strang 24a usw. hat eine U-Form. Eine geometrische Länge L des Strangs 24a usw. ist kleiner als die Länge S des Strömungswegs 166.
Der erste Teilstrang 170 und der zweite Teilstrang 188 sind in der Längsrichtung 168 nicht versetzt zueinander.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegen vier von sechs Solarkollektoren 28 in dem Abdeckungsgebiet 184. Die bedeutet, dass circa 66% des Strömungswegs 166 in dem Abdeckungsgebiet 184 liegt. In dem Abdeckungsgebiet 184 liegen gleichmäßige solare Einstrahlungsbedingungen vor, da der erste Teilstrang 170 und der zweite Teilstrang 188 in der Längsrichtung 168 nicht versetzt zueinander sind. Dies bedeutet, dass der Energieeintrag in den ersten Teilstrang 170 dem Energieeintrag in den zweiten Teilstrang 188 entspricht. Der solare Energieeintrag in den ersten Teilstrang 170 ist über die Temperaturmesseinrichtung 172 messbar. Es ist dann auch der solare Energieeintrag in den zweiten Teilstrang 188, der sonst nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand messbar ist, bekannt.
Bei der Anordnung gemäß 3, bei welcher der Teil des Strangs 24a usw. die Form eines großen U hat, ist also über einen großen Strömungsweg 166 der solare Energieeintrag bekannt. Dadurch lässt sich der gesamte solare Energieeintrag in den Strang 24a usw. mit geringerer Unsicherheit abschätzen als bei der Anordnung gemäß 2.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches in 4 schematisch gezeigt ist, umfasst Stränge 24a usw., welche jeweils in einer ersten Reihe 194a, einer zweiten Reihe 194b und einer dritten Reihe 194c angeordnet sind. Die Reihen 194a, 194b, 194c sind in der Breitenrichtung 182 parallel zueinander versetzt. In der Längsrichtung 168 sind sie nicht versetzt zueinander. Jede Reihe 194a, 194b, 194c umfasst die gleiche Anzahl von Solarkollektoren 28. (In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind es jeweils zwei Solarkollektoren 28). Die erste Reihe 194a bildet den ersten Teilstrang 170. Die zweite Reihe 194b bildet einen zweiten Teilstrang 196. Die dritte Reihe 194c bildet einen dritten Teilstrang 198. Der dritte Teilstrang 198 mündet in den Ausgang 30.
Der erste Teilstrang 170, der zweite Teilstrang 196 und der dritte Teilstrang 198 liegen in dem gleichen Abdeckungsgebiet 184. Der erste Teilstrang 170 ist zu dem zweiten Teilstrang 196 mit einem Abstand a beabstandet. Dieser Abstand a beträgt mindestens das Zweifache und höchstens mindestens das Vierfache der Aperturbreite A. Das Abdeckungsgebiet 184 hat eine Breite B in der Breitenrichtung 182, welche höchstens 20% der Länge L₁ des ersten Teilstrangs 170 beträgt.
Der erste Teilstrang 170 liegt vollständig in dem Einphasenbereich 31a. Der zweite Teilstrang 196 und der dritte Teilstrang 198 müssen nicht mehr in dem Einphasenbereich 31a liegen. Insbesondere liegt der dritte Teilstrang 198 (und gegebenenfalls der zweite Teilstrang 196) mindestens teilweise in dem Zweiphasenbereich 31b.
Da der erste Teilstrang 170, der zweite Teilstrang 196 und der dritte Teilstrang 198 in dem gleichen Abdeckungsgebiet 184 liegen, in welchem diese Teilstränge 170, 196, 198 in der Längsrichtung 168 nicht versetzt sind, liegen für diese Teilstränge 170, 196, 198 gleiche Solarstrahlungsbedingungen vor. Der solare Energieeintrag lässt sich an dem ersten Teilstrang 170 über die Temperaturmesseinrichtung 172 bestimmen. Es lässt sich dadurch auf sichere Weise der gesamte solare Energieeintrag in den Strang 24a, bei welchem alle Solarkollektoren in dem Abdeckungsgebiet 184 angeordnet sind, ermitteln; 100% der Solarkollektoren 28 sind in dem Abdeckungsgebiet 184 angeordnet.
Es lässt sich dadurch durch eine Temperaturmessung über die Temperaturmesseinrichtung 172 der solare Energieeintrag über alle Solarkollektoren 28 des Strangs 24a usw. ermitteln, ohne dass in dem Zweiphasenbereich 31b eine Messung durchgeführt werden muss.
Bei den Ausführungsformen gemäß 3 und 4 schätzt die Steuerungs-/Regelungseinrichtung den gesamten solaren Energieeintrag in den Strang 24a usw. über die Temperaturdifferenz T₁ – T₂ ab, wobei diese Abschätzung die geometrische Anordnung der Solarkollektoren 28 innerhalb und außerhalb des Abdeckungsgebiets 184 berücksichtigt. Man erhält dann einen guten Schätzwert über den gesamten solaren Energieeintrag, obwohl nur an dem ersten Teilstrang 170 in dem Einphasenbereich 31a gemessen wird.
Über die entsprechenden abgeschätzten Werte steuert dann die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 das entsprechende Stellventil 25a des Strangs 24a usw. an.
Es lässt sich dadurch für jeden Strang 24a, 24b usw. der Massenstrom angepasst an die solaren Einstrahlungsbedingungen für den Strang 24a, 24b usw. individuell einstellen, um einen optimierten Betrieb des solarthermischen Kraftwerks 10 zu erhalten.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 hat der erste Teilstrang 170 eine geometrische Länge L₁. Eine geometrische Gesamtlänge L des Strangs 24a usw. entspricht L₁.
Eine Länge S des Strömungswegs 166 ist größer als L beziehungsweise L₁. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist S = 3 × L.
Die Ausbildung des Strangs 24a mit dem ersten Teilstrang 170, dem zweiten Teilstrang 196 und dem dritten Teilstrang 198, wobei der zweite Teilstrang 196 bezogen auf den Strömungsweg 166 auf den ersten Teilstrang 170 folgt und der dritte Teilstrang 198 bezogen auf den Strömungsweg 166 auf den zweiten Teilstrang 196 folgt, ist eine Doppel-U-Anordnung.
Das solarthermische Kraftwerk 10 funktioniert wie folgt:
An dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 wird in den einzelnen Strängen 24a, 24b usw. flüssiges Wärmeträgermedium verdampft. Es liegt dabei zu dem Eingang 16 hin ein Einphasenbereich 31a und zu dem Ausgang 30 hin ein Zweiphasenbereich 31b vor. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 misst an dem jeweiligen ersten Teilstrang 170 jedes Strangs 24a usw. die Temperatur und bestimmt über den Temperaturhub dadurch den solaren Energieeintrag in den ersten Teilstrang 170. Aus dem solaren Energieeintrag in den ersten Teilstrang 170 und der entsprechenden Anordnung eines weiteren Teils des Strangs 24a usw. wird dann der gesamte solare Energieeintrag in die individuellen Stränge 24a, 24b usw. bestimmt.
Durch die geometrische Anordnung des Teilstrangs 170 und des zweiten Teilstrangs 188 beziehungsweise des zweiten Teilstrangs 196 und des dritten Teilstrangs 198 kann von dem solaren Energieeintrag in den erste Teilstrang 170 auf relativ genaue Weise, ohne dass eine zusätzliche Messung notwendig ist, auf den gesamten solaren Energieeintrag in den Strang 24a usw. geschlossen werden.
Aufgrund des dann so abgeschätzten solaren Energieeintrags in den gesamten Strang 24a usw. steuert dann die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 die Stellventile 25a, 25b usw. individuell für jeden Strang 24a, 24b usw. an. Dadurch ergibt sich eine optimierte Anpassung an die entsprechenden Bedingungen.
Dampf, welcher in dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 erzeugt wurde, wird dann dem Überhitzerbereich 22 zugeführt. Dort findet eine Überhitzung statt. In der Abscheidungseinrichtung 34 wird in der Strömung enthaltenes flüssiges Wärmeträgermedium vor Eintritt in den Überhitzerbereich 22 abgeschieden und rezirkuliert.
An dem Ausgang 18 des Überhitzerbereichs 22 wird überhitzter Dampf bereitgestellt, mit welchem die Turbineneinrichtung 72 betreibbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden die Messergebnisse der Temperaturmesseinrichtung 172 an dem ersten Teilstrang 170, welche an einem beziehungsweise wenigen Solarkollektoren 28 gewonnen wurde, für mehr Solarkollektoren, nämlich zusätzlich für die Solarkollektoren mindestens des zweiten Teilstrangs 128 beziehungsweise des zweiten Teilstrangs 196 und des dritten Teilstrangs 198 genutzt.
Es ist dann möglich, den Massenstrom für jeden Strang 24a, 24b usw. individuell einzustellen. Das Betriebsverhalten der individuellen Stränge 24a, 24b usw. lässt sich durch die gezielte Nachführung und insbesondere individuelle gezielte Nachführung von flüssigem Wärmeträgermedium positiv beeinflussen. Der entsprechende Energieeintrag in den Kollektorstrang 24a, 24b usw. wird durch die erfindungsgemäße Lösung auf einfache Weise mit geringer Unsicherheit abgeschätzt.
Die Messergebnisse über den ersten Teilstrang 170 lassen sich auf weitere Solarkollektoren außerhalb des ersten Teilstrangs 170 gegebenenfalls mit einem Korrekturfaktor übertragen. Dadurch ergibt sich eine optimierte Regelbarkeit für die individuellen Stränge 24a, 24b usw. mit minimiertem messtechnischen Aufwand.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung gemäß 2 liegen vorzugsweise der Eingang 18 und der Ausgang 30 des Strangs 24a usw. auf der gleichen Seite bezogen auf das Abdeckungsgebiet 184. Bei der Ausführungsform gemäß 3 liegen der Eingang 18 und der Ausgang 30 auf entgegengesetzten Seiten bezogen auf das Abdeckungsgebiet 184. Das in dem Strang 24a usw. strömende Wärmeträgermedium hat entgegengesetzte Hauptströmungsrichtungen in dem ersten Teilstrang 170 und dem zweiten Teilstrang 188 beziehungsweise 196.
Bezugszeichenliste

10: Solarthermisches Kraftwerk
12: Solareinrichtung
14: Solarstrahlung
16: Eingang
18: Ausgang
20: Vorwärmer-/Verdampferbereich
22: Überhitzerbereich
24a, b: Strang
25a, b: Stellventil
26: Verteiler
28: Solarkollektor
30: Ausgang
31a: Einphasenbereich
31b: Zweiphasenbereich
32: Zusammenführung
34: Abscheidungseinrichtung
36: Ausgang
38: Eingang
40: Verteiler
42a: Strang
42b: Strang
44: Solarkollektor
46: Zusammenführung
48: Rezirkulationseinrichtung
50: Leitung
52: Pumpe
54: Leitung
56: Einspritzeinrichtung
58: Leitung
60: Verteiler
62: Stellventil
62a: Stellventil
62b: Stellventil
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
109: Vorwärmer
110: Speisewasserbehälter
112: Ausgang
114: Leitung
116: Kondensator
118: Ausgang
120: Leitung
122: Niederdruckvorwärmer
124: Pumpe
126: Leitung
128: Hochdruckvorwärmer
129: Leitung
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: Leitung
164: Ventil
166: Strömungsweg
168: Längsrichtung
170: Erster Teilstrang
172: Temperaturmesseinrichtung
174: Erster Temperatursensor
176: Erstes Ende
178: Zweites Ende
180: Zweiter Temperatursensor
182: Breitenrichtung
184: Abdeckungsgebiet
186: Restlicher Teil des Strangs
188: Zweiter Teilstrang
190: Erste Reihe
192: Zweite Reihe
194a: Erste Reihe
194b: Zweite Reihe
194c: Dritte Reihe
196: Zweiter Teilstrang
198: Dritter Teilstrang
T₁: Gemessene Temperatur am Ausgang des ersten Teilstrangs 170
T₂: Gemessene Temperatur am Eingang des ersten Teilstrangs 170
A: Aperturbreite eines Solarkollektors 28
L₁: Länge des ersten Teilstrangs 170
L₂: Länge des restlichen Teils 186 des Strangs 24a
L: Geometrische Länge des Strangs 24a
S: Länge eines Strömungswegs 166 des Strangs 24a
a: Abstand zwischen Teilsträngen im Abdeckungsgebiet 184
B: Breite des Abdeckungsgebiets 184 in der Breitenrichtung 182

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 Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung (12) einen Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) und einen Überhitzerbereich (22) umfasst, wobei der Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) mindestens einen Strang (24a, 24b) mit einer Mehrzahl von bezogen auf eine Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Solarkollektoren (28) aufweist, und wobei der Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) im Betrieb einen Einphasenbereich (31a) aufweist, in welchem flüssiges Wärmeträgermedium strömt, und einen in Strömungsrichtung auf den Einphasenbereich (31a) folgenden Zweiphasenbereich (31b) aufweist, in welchem ein Zweiphasengemisch aus flüssigem Wärmeträgermedium und Wärmeträgermedium-Dampf strömt, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Teilstrang (170) des mindestens einen Strangs (24a, 24b), welcher in dem Einphasenbereich (31a) liegt, eine Temperaturmesseinrichtung (172) angeordnet ist, welche einen Temperaturanstieg in dem Wärmeträgermedium in dem ersten Teilstrang (170) misst, und dass mindestens ein zweiter Teilstrang (188; 196, 198) des mindestens einen Strangs (24a), welcher mindestens teilweise im Zweiphasenbereich (31b) liegt, in einem Abdeckungsgebiet (184) für Solarstrahlung angeordnet ist, in dem der erste Teilstrang (170) angeordnet ist, wobei das Abdeckungsgebiet (184) eine Längserstreckung in einer Längsrichtung (168) aufweist, in welcher der erste Teilstrang (170) liegt mit der Länge (L₁) des ersten Teilstrangs (170), und eine Breitenerstreckung in einer Breitenrichtung (182) quer und zu der Längsrichtung (168) aufweist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens zweite Teilstrang (170; 196, 198) mindestens näherungsweise parallel zu dem ersten Teilstrang (170) orientiert ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Breitenrichtung (182) mindestens zwei Solarkollektoren (28) nebeneinander angeordnet sind, wobei insbesondere im Abdeckungsgebiet (184) mindestens zwei Solarkollektoren (28) in der Breitenrichtung (182) nebeneinander angeordnet sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Solarkollektoren (28) des mindestens zweiten Teilstrangs (188; 196, 198) in der Breitenrichtung (182) versetzt zu dem oder den Solarkollektoren (28) des ersten Teilstrangs (170) angeordnet sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a) von Solarkollektoren (28) im Abdeckungsgebiet in der Breitenrichtung (182) mindestens das Zweifache und insbesondere mindestens das 2,5-Fache und insbesondere mindestens näherungsweise das Dreifache einer Aperturbreite (A) eines Solarkollektors (28) beträgt.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₁) des Abdeckungsgebiets (184) in der Längsrichtung (168) mindestens fünffach größer ist als eine Breite (B) in der Breitenrichtung.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge eines Solarkollektors (28) mindestens fünffach größer ist als eine Aperturbreite (A) des Solarkollektors (28).
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abdeckungsgebiet (184) der erste Teilstrang (170) und der mindestens zweite Teilstrang (188; 196, 198) die gleiche Anzahl von Solarkollektoren (28) aufweisen.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abdeckungsgebiet (184) mindestens ein dritter Teilstrang (198), welcher mindestens teilweise im Zweiphasenbereich (31b) liegt und bezogen auf eine Strömungsrichtung dem zweiten Teilstrang (196) nachgeschaltet ist, angeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Solarkollektoren (28) in dem mindestens einen Strang (24a, 24b) in einer U-Anordnung oder Doppel-U-Anordnung positioniert sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Solarkollektoren (28) des ersten Teilstrangs (170) eine Länge von 20% bis 40% einer Länge (S) eines Strömungswegs (166) des mindestens einen Strangs (24a, 24b) einnehmen, wobei die Länge (S) des Strömungswegs (166) diejenige Länge ist, die Wärmeträgermedium zur Durchströmung des mindestens einen Strangs (24a, 24b) durchströmen muss.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geometrische Länge (L) des mindestens einen Strangs (24a, 24b) kleiner ist und insbesondere höchstens 60% und insbesondere höchstens 50% einer Länge (S) eines Strömungswegs (166) des mindestens einen Strangs (24a, 24b) ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine geometrische Länge (L) des mindestens einen Strangs (24a, 24b) der Länge (L₁) des Abdeckungsgebiets (184) in der Längsrichtung (168) entspricht.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strang (24a, 24b) einer Mehrzahl von Reihen (190, 192; 194, 194b, 194c) mit jeweils mindestens einem Solarkollektor (28) aufweist, wobei Reihen (190, 192; 194, 194b, 194c) in der Breitenrichtung (182) beabstandet sind und mindestens Teilbereiche der Reihen (190, 192; 194, 194b, 194c) in dem Abdeckungsgebiet (184) angeordnet sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Strang (24a, 24b) ein Stellventil (25a, 25b) zur Einstellung eines Massenstroms an Wärmeträgermedium angeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellventil (25a, 25b) über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64) angesteuert ist, welche das Stellventil (25a, 25b) aufgrund eines solaren Energieeintrags in den mindestens einen Strang (24a, 24b) ansteuert, wobei der solare Energieeintrag in dem mindestens einen Strang (24a, 24b) aus dem gemessenen Temperaturanstieg in dem ersten Teilstrang (170) auf den gesamten Strang (24a, 24b) extrapoliert wird.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Strängen (24a, 24b), wobei jedem Strang ein Stellventil (25a, 25b) zugeordnet ist und die jeweiligen Stellventile (25a, 25b) individuell einstellbar sind.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen Strang (24a, 24b) oder einer Mehrzahl von Strängen eine Rezirkulationseinrichtung (48) zugeordnet ist, durch welche flüssiges Wärmeträgermedium von einem Ausgang (30) des mindestens einen Strangs (24a, 24b) oder der Mehrzahl von Strängen zu einem Eingang (16) oder einer oder mehreren Stellen zwischen dem Eingang (16) und dem Ausgang (30) rückführbar ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationseinrichtung (48) einen Abscheidungseinrichtung (34) umfasst.
Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (172) mindestens einen Temperatursensor (174) aufweist, welcher beabstandet zu einem Eingang (16) des mindestens einen Strangs (24a, 24b) angeordnet ist.
Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (172) mindestens einen weiteren Temperatursensor (180) aufweist, welcher an oder in der Nähe eines Eingangs (16) des mindestens einen Strangs (24a, 24b) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein Massenstrom an dem mindestens einen Strang individuell eingestellt wird, wobei die Einstellung in Abhängigkeit von dem solaren Energieeintrag in den mindestens einen Strang erfolgt und der Energieeintrag abgeschätzt wird, indem er in dem ersten Teilstrang des mindestens einen Strangs in dem Abdeckungsgebiet über die Temperaturmesseinrichtung gemessen wird und für den restlichen Teil des mindestens einen Strangs abgeschätzt wird, indem aus dem Messergebnis für den ersten Teilstrang auf den restlichen Teil des Strangs extrapoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messergebnis für den solaren Energieeintrag in den ersten Teilstrang in dem Einphasenbereich auf den gesamten Energieeintrag in den mindestens einen Strang extrapoliert wird, wobei der erste Teilstrang und mindestens ein Teil des restlichen Strangs in dem gleichen Abdeckungsgebiet liegen.