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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks mit mehreren Strahlungsreceivern, die mit einer Salzschmelze als Wärmeträgermedium betrieben werden sowie ein derartiges Kraftwerk.
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Bei bekannten solarthermischen Kraftwerken wird ein Wärmeträgermedium mit Hilfe des Sonnenlichts erwärmt, indem das Sonnenlicht über Reflektoren auf einen Absorber reflektiert wird, der von dem Wärmeträgermedium durchflossen wird. Als Wärmeträger dienen beispielsweise ein Thermoöl oder Wasser. Die thermische Energie des Wärmeträgermediums wird anschließend entweder sofort genutzt, beispielsweise zur Stromerzeugung, oder es findet eine kurzzeitige Wärmespeicherung statt. Es ist ferner bekannt, derartige Kraftwerke mit Salzschmelze zu betreiben. Der Einsatz von Salzschmelze ist besonders geeignet, da hohe Betriebstemperaturen erreichbar sind, was zu sehr guten Prozesswirkungsgraden führt. Darüber hinaus sind flüssige Salze ein sehr kostengünstiges thermisches Speichermedium.
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Insbesondere linienfokussierte solarthermische Kraftwerke, bei denen langgestreckte Absorberrohre vorgesehen sind, auf denen die Reflektoren das Sonnenlicht linienförmig reflektieren, werden mit derartigen Wärmeträgermedien betrieben. Bei dem Einsatz von Salzschmelze besteht jedoch der Nachteil, dass die flüssigen Salze in Zeiten ohne ausreichende Sonneneinstrahlung, wie beispielsweise nachts oder in Schlechtwetterperioden, in den Absorberrohren zurückbleiben und die Gefahr besteht, dass das Salz einfriert.
WO 2013/034 587 A1 offenbart ein solarthermisches Kraftwerk, bei dem die Absorberrohre ein Gefälle aufweisen, so dass die Absorberrohre entleert werden können.
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Eingefrorene Absorberrohre sind nur mit großem Aufwand auftaubar und durch die beim Phasenwechsel entstehenden Volumenänderungen des Salzes besteht die Gefahr, dass die Absorberrohre beschädigt werden. Dies entsteht dadurch, dass die Flüssigphase der Salzschmelze ein größeres Volumen besitzt als die feste Phase.
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Ist bei einem herkömmlichen Absorberrohr Salzschmelze eingefroren und wird versucht, diese an einer Stelle durch Wärmeeintrag aufzutauen, dann erzeugt das vom festen Salz eingeschlossene flüssigwerdende Salz einen immensen Druck auf die Innenwände des Absorberrohres und das Absorberrohr droht zu platzen. Daher müssen eingefrorene Absorberrohre von der noch flüssigen Seite ausgehend schrittweise aufgetaut werden, was sehr mühsam und zeitaufwändig ist. Daher werden die eingesetzten Salzschmelzen häufig fossil oder elektrisch beheizt, um sie vor dem Einfrieren zu schützen. Das zusätzliche Beheizen ist jedoch insbesondere in den langen Schlechtwetterperioden oder im Winter kostspielig und führt zu einem verschlechterten Wirkungsgrad.
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Die Anmelderin hat daher ein Verfahren entwickelt, bei dem die Salzschmelze bei Beendigung des Betriebs abgelassen wird und bei Inbetriebnahme die Absorberrohre mittels solarer Strahlung, das über die Reflektorvorrichtungen auf die Absorberrohre reflektiert wird, vorgewärmt wird. Eine Vorwärmung von Absorberrohren mittels Solarstrahlung oder ein Schmelzen von verfestigtem Wärmeträgermedium ist aus
US 2005/0 126 560 A1 bekannt. Dieses Verfahren kann jedoch zu Problemen führen, da bei der Vorwärmung in den Absorberrohren erhöhte Temperaturgradiente auftreten können, die die Lebensdauer der Absorberrohre nachteilig beeinflussen können. Darüber hinaus besteht der Nachteil, dass durch das solare Vorwärmen nicht die gesamte zur Verfügung stehende Solarstrahlung genutzt wird, da während des Vorwärmvorgangs die Reflektorvorrichtungen zumeist nur teilfokussiert sind.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerkes sowie ein solarthermisches Kraftwerk bereitzustellen, bei dem auf das problematische zusätzliche Beheizen oder das Vorwärmen mittels solarer Strahlung verzichtet werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1. Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 9.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks mit mehreren Solarstrahlungsreceivern, die mit einer Salzschmelze als Wärmeträgermedium betrieben werden, und mit mindestens einem wärmeisolierten Speichertank zur Speicherung von Salzschmelze, wobei jeder Solarstrahlungsreceiver eine Reflektorvorrichtung und ein Absorberrohr aufweist, sind folgende Schritte vorgesehen:
- – Vorwärmen der Absorberrohre im von der Salzschmelze entleerten Zustand auf eine Temperatur T durch rezirkulierendes Leiten eines sekundären Wärmeträgermediums durch die Absorberrohre, wobei das sekundäre Wärmeträgermedium vor und/oder während des rezirkulierenden Leitens durch die Absorberrohre durch einen Wärmeaustausch mit in dem mindestens einen Speichertank enthaltener Salzschmelze erwärmt wird und wobei die Temperatur T größer oder gleich der Schmelztemperatur des Salzes ist;
nach dem Erreichen der Temperatur T: - – Einleiten der Salzschmelze in die Absorberrohre und rezirkulierendes Leiten der Salzschmelze durch die Absorberrohre unter gleichzeitigem sonnenstandabhängigem Nachführen der Reflektorvorrichtungen;
bei Beendigung des Betriebs: - – Ablassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren in den mindestens einen Speichertank.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, dass bei der Beendigung des Betriebs eines solarthermischen Kraftwerks die Absorberrohre des Solarstrahlungsreceivers entleert werden, so dass keine Salzschmelze in den Absorberrohren verbleibt. Dadurch wird vermieden, dass die Salzschmelze in den Absorberrohren zu erstarren droht und zu einem zeitaufwändigen und energieaufwändigen Schmelzen von Salzschmelze in den Absorberrohren führt bzw. ein kostenintensives nächtliches Beheizen wird unnötig. Das kostenintensive ständige Beheizen von großen Solarfeldern über Nacht oder an Tagen mit schlechtem Wetter, beispielsweise im Winter, ist somit nicht notwendig, so dass eine nicht unerhebliche Kostenersparnis entsteht. Durch das Vorwärmen der Absorberrohre mittels Rezirkulieren eines sekundären Wärmeträgermediums bevor die Salzschmelze in die Absorberrohre eingeleitet wird, wird auf kostengünstige Art und Weise verhindert, dass die Salzschmelze beim Einleiten in die Absorberrohre aufgrund von zu kalten Absorberrohren sofort gefriert und es zu einer sogenannten Salzpfropfenbildung kommt. Da für das Aufwärmen der Absorberrohre Wärmeenergie der in dem Speichertank gespeicherten Salzschmelze verwendet wird, wird für das Aufwärmen der Absorberrohre keine externe, kostenträchtige Energiequelle notwendig. Der Wärmeaustausch zwischen Salzschmelze und dem sekundären Wärmeträgermedium kann grundsätzlich vor einem Durchleiten des sekundären Wäremträgermediums durch die Absorberrohre erfolgen, d. h. zu Beginn des gesamten Vorwärmschrittes und/oder nach einem Durchleitungszyklus und vor Beginn des nächsten Zyklus.
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Das Vorwärmen mittels des sekundären Wärmeträgermediums, das über die in dem Speichertank gespeicherten Solarschmelze erwärmt wird, hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Verfahrensschritt des Vorwärmens der Absorberrohre zu einem beliebigen Zeitpunkt, d. h. beispielsweise unabhängig von einer Sonneneinstrahlung erfolgen kann. Durch das sekundäre Wärmeträgermedium werden die Absorberrohre relativ gleichmäßig erwärmt, so dass große Temperaturgradienten vermieden werden.
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Das Ablassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren hat darüber hinaus den Vorteil, dass beschädigte Absorberrohre im von der Salzschmelze entleerten Zustand problemlos gegen neue ausgetauscht werden können. Die Wartung des solarthermischen Kraftwerks wird somit wesentlich vereinfacht.
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Durch das Auslassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren in mindestens einen wärmeisolierten Speichertank wird erreicht, dass die in der flüssigen Salzschmelze enthaltene thermische Energie zumindest teilweise während der Betriebspause des solarthermischen Kraftwerks gespeichert wird und somit in vorteilhafter Weise ein Teil dieser Wärmeenergie zur Erwärmung des sekundären Wärmeträgermediums dienen kann. Als Speichertank kann beispielsweise ein in herkömmlichen Kraftwerkskreisläufen vorhandener Kaltsalztank verwendet werden. Auch ist es möglich, dass das Salz zunächst in separate Speichertanks geleitet wird, und von diesen in größere Hauptsalztanks, wie beispielsweise in einen Kaltsalztank.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei Beendigung des Betriebs die Reflektorvorrichtungen defokussiert werden. Dadurch wird verhindert, dass die Absorberrohre im von der Salzschmelze entleerten Zustand auch nach Beendigung des Betriebs und vor der Vorwärmphase mit solarer Strahlung bestrahlt werden und zu überhitzen drohen.
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In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das sekundäre Wärmeträgermedium gasförmig ist. Es kann beispielsweise ein Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, sein. Über das gasförmige sekundäre Wärmeträgermedium kann eine gleichmäßige und kostengünstige Erwärmung der Absorberrohre erfolgen. Dadurch wird auch erreicht, dass alle Bereiche der Absorberrohre die gewünschte Temperatur T erreichen, so dass die Salzschmelze nicht in Einzelbereichen der Absorberrohre zu gefrieren droht.
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In Salzspeichertanks, die üblicherweise bei solarthermischen Kraftwerken eingesetzt werden, wird häufig ein Polster aus einem Inertgas, beispielsweise Stickstoff, verwendet, um Korrosion durch Lufteinschluss zu vermeiden und die Salzschmelzalterung zu reduzieren. Das Inertgas, beispielsweise Stickstoff, ist somit in dem System des Kraftwerks bereits vorhanden und kann somit in vorteilhafter Weise während des Vorwärmvorgangs genutzt werden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei dem Vorwärmen der Absorberrohre das sekundäre Wärmeträgermedium mittels einer Pumpe, eines Gebläses oder eines Verdichters rezirkulierend angetrieben wird.
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Vorzugsweise erfolgt das Ablassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren in den mindestens einen Speichertank zumindest teilweise schwerkraftbedingt. Dazu können beispielsweise in eine Richtung geneigte Absorberrohre vorgesehen sein, wodurch ein Gefälle zu einem Ende des Absorberrohres hin entsteht und die Salzschmelze durch das Gefälle aus dem Absorberrohr fließen kann. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich Pumpen vorgesehen sind, die das Ablassen der Salzschmelze unterstützen. Dadurch wird der Ablassvorgang der Salzschmelze deutlich verkürzt.
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Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass das sekundäre Wärmeträgermedium beim Ablassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren mit gegenüber der Umgebung erhöhtem Druck in die Absorberrohre eingeleitet wird, wobei das sekundäre Wärmeträgermedium die Salzschmelze aus den Absorberrohren presst. Dadurch kann das Ablassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren beschleunigt werden und beispielsweise ein schwerkraftbedingtes Herausfließen der Salzschmelze aus den Absorberrohren unterstützt werden. Dadurch wird der Ablassvorgang der Salzschmelze deutlich verkürzt.
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Grundsätzlich kann beim Ablassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren auch vorgesehen sein, dass die Salzschmelze zumindest teilweise aus den Absorberrohren gepumpt wird. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu dem schwerkraftbedingten oder dem Herauspressen der Salzschmelze erfolgen.
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In einer besonders bevorzugten Variante des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das gasförmige sekundäre Wärmeträgermedium zum Wärmeaustausch mit der in dem mindestens einen Speichertank enthaltenen Salzschmelze in die Salzschmelze eingeblasen wird. Dadurch ist ein Wärmeaustausch auf besonders einfache Art und Weise möglich, da durch das Einblasen in die Salzschmelze das gasförmige sekundäre Wärmeträgermedium aufsteigt und somit die Salzschmelze durchquert. Dabei kann ein Wärmeaustausch von Wärmeenergie aus der Salzschmelze auf das sekundäre Wärmeträgermedium in vorteilhafter Weise erfolgen. Darüber hinaus ist für das Einblasen des gasförmigen sekundären Wärmeträgermediums nur ein geringer vorrichtungstechnischer Aufwand notwendig, so dass dieses erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig verwirklichbar ist.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass das gasförmige sekundäre Wärmespeichermedium in einem unteren Abschnitt des mindestens einen Speichertanks eingeblasen wird. Da das gasförmige sekundäre Wärmeträgermedium durch die Salzschmelze aufsteigt, wird somit erreicht, dass der Weg des sekundären Wärmespeichermediums durch die Salzschmelze besonders lang ist, so dass ein besonders vorteilhafter Wärmeaustausch zwischen Salzschmelze und sekundärem Wärmespeichermedium erreicht wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das gasförmige sekundäre Wärmespeichermedium in einem oberen Abschnitt des mindestens einen Speichertanks abgesaugt wird. Das über die Salzschmelze erwärmte, gasförmige, sekundäre Wärmespeichermedium sammelt sich nach dem Aufsteigen durch die Salzschmelze im oberen Abschnitt des Speichertanks, so dass dieses in vorteilhafter Weise an dieser Stelle entnommen und in Richtung der Absorberrohre geleitet werden kann.
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In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass beim Einleiten der Salzschmelze in die Absorberrohre das sekundäre Wärmeträgermedium in mindestens einen Sekundärspeichertank geleitet wird. Dadurch kann das sekundäre Wärmeträgermedium in vorteilhafter Weise gespeichert werden, um es während des Vorwärmvorgangs oder während des Auslassens der Salzschmelze aus den Absorberrohren wiederzuverwenden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Sekundärspeichertank durch den mindestens einen wärmeisolierten Speichertank für die Salzschmelze gebildet ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines Inertgases, beispielsweise Stickstoff, als sekundäres Wärmeträgermedium von Vorteil, da dieses ein Inertgas bereits als Gaspolster in dem wärmeisolierten Speichertank für die Salzschmelze eingesetzt wird, um Korrosion oder die Alterung der Salzschmelze zu verhindern. Beim Einleiten der Salzschmelze aus dem Speichertank in die Absorberrohre wird ein etwa vergleichbares Volumen an Salzschmelze dem wärmeisolierten Speichertank entnommen, das dem Speichertank an Inertgas wieder zugeführt wird. Ferner hat die Verwendung des wärmeisolierten Speichertanks für Salzschmelze als Sekundärspeichertank den Vorteil, dass etwaige Reste an Inertgas, die zunächst in den Absorberrohren verbleiben können, während des rezirkulierenden Leitens der Salzschmelze durch die Absorberrohre von der Salzschmelze mitgerissen werden und so in den wärmeisolierten Speichertank gelangen oder beispielsweise in einen Heißsalzspeichertank, in dem die Inertgasreste langsam aufsteigen und in das entsprechende Inertgaspolster des Speichertanks übergehen können.
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Es kann vorgesehen sein, dass das sekundäre Wärmeträgermedium im Nichtbetrieb des Kraftwerks in den Absorberrohren verbleibt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das für die Inertgaspolster der in dem System enthaltenen Speichertanks verwendete Inertgas als sekundäres Wärmeträgermedium dient, da in diesem Fall kein weiteres Medium, wie beispielsweise Luft, in das System gelangt, was zu einem zusätzlichen Ablassen dieses Mediums aus dem System führen würde. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das sekundäre Wärmeträgermedium mit einem hohen Druck beaufschlagt wird und in den Absorberrohren verbleibt. Der hohe Druck kann beispielsweise bis zu 15 bar betragen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass während des Vorwärmens das sekundäre Wärmeträgermedium unter einem hohen Druck, beispielsweise bis zu 15 bar, rezirkuliert wird. Dies hat den Vorteil eines geringeren Druckverlusts beim Rezirkulieren und einer höheren Dichte des sekundären Wärmeträgermediums, wodurch das Wärmeübertragungsverhalten und die Wärmetransportfähigkeit verbessert sind.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schritt des Vorwärmens der Absorberrohre vor Sonnenaufgang durchgeführt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die Salzschmelze bereits bei Sonnenaufgang oder kurz nach Sonnenaufgang in die Absorberrohre eingeleitet werden kann, so dass die Reflektorvorrichtungen von Beginn an komplett fokussiert werden können. Dadurch kann die gesamte nutzbare Solarenergie auch tatsächlich ausgenutzt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein solarthermisches Kraftwerk zum Betrieb mit einer Salzschmelze als Wärmeträgermedium mit mehreren Solarstrahlungsreceivern, die jeweils eine Reflektorvorrichtung und ein Absorberrohr, durch das die Salzschmelze leitbar ist, aufweisen, und mit mindestens einem Speichertank für die Salzschmelze, wobei ein primärer Kreislauf für die Salzschmelze gebildet ist, der die Absorberrohre und den mindestens einen Speichertank umfasst. Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk ist gekennzeichnet durch einen sekundären Kreislauf für ein sekundäres Wärmeträgermedium, wobei der sekundäre Kreislauf die Absorberrohre und eine in dem mindestens einen Speichertank angeordnete oder mit dem mindestens einen Speichertank verbundene Wärmetauschereinrichtung zum Wärmeaustausch zwischen der in dem mindestens einen Speichertank enthaltenen Salzschmelze und dem zweiten Wärmeträgermedium aufweist.
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Durch das Vorsehen eines primären Kreislaufs für die Salzschmelze kann diese Salzschmelze in vorteilhafter Weise während des normalen Betriebs als Wärmeträgermedium genutzt werden. Dabei wird die Salzschmelze durch die Absorberrohre geleitet und mittels solarer Strahlung, die von den Reflektorvorrichtungen auf die Absorberrohre fokussiert wird, erwärmt. Die Salzschmelze kann anschließend in dem primären Kreislauf weitergeleitet und beispielsweise einer Wärmenutzung in einem anschließenden Dampfturbinenprozess zugeführt werden. Der primäre Kreislauf für die Salzschmelze umfasst ferner mindestens einen Speichertank, in dem die Salzschmelze beispielsweise zu Pufferzwecken gespeichert werden kann. Ferner ermöglicht der Speichertank, dass die Salzschmelze bei Beendigung des Betriebs in vorteilhafter Weise gespeichert werden kann, indem die Absorberrohre von der Salzschmelze entleert werden. Dadurch kann die in der Salzschmelze verbliebener Restwärme während der Betriebspausen in vorteilhafter Weise gespeichert werden, wobei gleichzeitig verhindert wird, dass die Salzschmelze in den Absorberrohren erstarrt.
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Durch einen sekundären Kreislauf für ein sekundäres Wärmeträgermedium, der die Absorberrohre umfasst, kann das sekundäre Wärmeträgermedium in vorteilhafter Weise rezirkulierend durch die Absorberrohre geleitet werden, um diese vor Inbetriebnahme des solarthermischen Kraftwerks zu erwärmen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Wärmetauscheinrichtung, die in dem mindestens einen Speichertank angeordnet ist oder mit dem mindestens einen Speichertank verbunden ist, kann das sekundäre Wärmeträgermedium in vorteilhafter Weise mittels der in dem Speichertank gespeicherten Salzschmelze erwärmt werden. Dadurch ist ein Vorwärmen der Absorberrohre in vorteilhafter Weise und besonders kostengünstig möglich.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Absorberrohre mit einem Gefälle in Richtung des mindestens einen Speichertanks für die Salzschmelze angeordnet sind.
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Dadurch wird erreicht, dass die für den normalen Betrieb des solarthermischen Kraftwerks verwendete Salzschmelze auf einfache Art und Weise aus den Absorberrohren abgelassen werden kann, so dass verhindert wird, dass die Salzschmelze in einer Betriebspause des solarthermischen Kraftwerks in den Absorberrohren erstarrt. Auf diese Weise wird verhindert, dass ein aufwändiges Auftauen der Salzschmelze bei Wiederinbetriebnahme des solarthermischen Kraftwerks oder ein aufwändiges und kostenintensives Beheizen der Salzschmelze während der Betriebspause notwendig ist. Das Gefälle ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass Salzschmelze schwerkraftbedingt in einen Speichertank gelangt.
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Das Merkmal „Gefälle in Richtung des mindestens einen Speichertanks” umfasst im Rahmen der Erfindung auch Varianten, bei denen ein unteres Ende der Absorberrohre auch in eine andere Richtung als den Speichertank gerichtet ist, jedoch eine Rohrverbindung zwischen dem unteren Ende des Absorberrohrs und dem Speichertank besteht, über die die Salzschmelze in die Speichertanks gelangt. Die Richtung des Gefälles ist somit die Flussrichtung entlang des Flussweges in Richtung der Speichertanks. Die Absorberrohre können beispielsweise in einem Winkel α von bis zu 10° gegenüber der Horizontalen angeordnet sein.
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Der primäre Kreislauf für die Salzschmelze kann beispielsweise eine Pumpe aufweisen, über die die Salzschmelze während des normalen Betriebs durch die Absorberrohre geleitet wird. Ferner kann über die Pumpe erreicht werden, dass die Absorberrohre nach Beendigung des Betriebs in vorteilhafter Weise zumindest teilweise von Salzschmelze entleert werden können.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Absorberrohre mehrerer Reflektorvorrichtungen miteinander zu einer Absorberrohrkette verbunden sind und ein durchgängiges Gefälle bilden. Es entsteht somit ein langer Strang von Absorberrohren, durch die aufgrund des durchgängigen Gefälles die Salzschmelze in vorteilhafter Weise aus den Absorberrohren abgelassen werden kann. Beispielsweise können die Absorberrohre als Teilrohre eines die Absorberrohrkette bildenden durchgehenden Rohres ausgebildet sein. Mehrere Reflektorvorrichtungen sind bei diesem Ausführungsbeispiel dem einen die Absorberrohrkette bildenden Rohr zugeordnet. Somit teilen sich mehrere Solarstrahlungsreceiver ein gemeinsames durchgehendes Rohr.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der sekundäre Kreislauf eine Zuleitung für das sekundäre Wärmeträgermedium aufweist, die in ein oberes Ende eines Absorberrohres oder einer Absorberrohrkette mündet. Auf diese Weise kann das sekundäre Wärmeträgermedium auf besonders vorteilhafte Weise beim Ablassen der Salzschmelze oder für den Vorwärmvorgang in entleerte Absorberrohre eingeleitet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Solarstrahlungsreceiver in Schleifen angeordnet sind, sogenannten Loops, wobei jeweils eine Schleife aus zwei parallel angeordneten Absorberrohrketten mit den dazugehörigen Reflektorvorrichtungen gebildet ist, und wobei eine Querverbindung die oberen Enden der Absorberrohrketten verbindet. Eine derartige Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da die Anordnung der Solarstrahlungsreceiver mit ein Gefälle aufweisenden Absorberrohren auf konstruktiv einfache Art und Weise bereitgestellt werden können. Die Schleifen der Solarstrahlungsreceiver sind somit derart angeordnet, dass die im normalen Betrieb des Kraftwerks die Salzschmelze zunächst durch eine Absorberrohrkette das Gefälle hinauf geleitet wird, und nach dem Durchfließen der Querverbindung in der zweiten Absorberrohrkette mit dem Gefälle fließt. Beim Ablassen der Salzschmelze fließt die Salzschmelze in den parallel angeordneten Absorberrohrketten in die gleiche Richtung, d. h. bei der ersten Absorberrohrkette entgegen der Flussrichtung des normalen Betriebs. Die Anordnung in Schleifen hat den Vorteil, dass das Ablassen der Salzschmelze aus einem Loop relativ schnell erfolgen kann, da dieses gleichzeitig in den beiden parallel angeordneten Absorberrohrketten erfolgen kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Zuleitung für ein sekundäres Wärmeträgermedium in die Querverbindung mündet. Auf diese Weise kann das Wärmeträgermedium in die beiden parallel angeordneten Absorberrohrketten einer Schleife gleichzeitig eingeleitet werden.
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Das sekundäre Wärmeträgermedium kann grundsätzlich auch dazu verwendet werden, das Wärmeträgermedium aus den Absorberrohren hinaus zu pressen.
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Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk kann mindestens einen Sekundärspeichertank für das sekundäre Wärmeträgermedium aufweisen. Der mindestens eine Sekundärspeichertank kann beispielsweise durch mindestens einen wärmeisolierten Speichertank für die Salzschmelze gebildet sein. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn als sekundäres Wärmeträgermedium ein Inertgas verwendet wird, das in dem Speichertank für die Salzschmelze als Gaspolster eingesetzt wird. Dadurch kann der vorrichtungstechnische Aufwand für einen separaten Sekundärspeichertank vermieden werden.
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In dem sekundären Kreislauf kann eine Pumpe, ein Gebläse oder ein Verdichter angeordnet sein, über die das sekundäre Wärmeträgermedium rezirkulierend durch die Absorberrohre leitbar ist. Dadurch ist das Vorwärmen der Absorberrohre mittels des sekundären Wärmeträgermediums auf vorteilhafte Weise möglich. Auf diese Weise kann das sekundäre Wärmeträgermedium ferner beispielsweise in vorteilhafter Weise zu dem oberen Ende des Absorberrohrs oder der Absorberrohrkette transportiert werden und darüber hinaus kann das sekundäre Wärmeträgermedium während des Ablassens der Salzschmelze diese aus den Absorberrohren bzw. der Absorberrohrkette herauspressen. Dadurch wird das schwerkraftbedingte Ablassen der Salzschmelze unterstützt und beschleunigt.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des solarthermischen Kraftwerks ist vorgesehen, dass die Wärmetauscheinrichtung in dem Speichertank angeordnet ist und eine Einblaseinrichtung zum Einblasen von gasförmigem sekundärem Wärmeträgermedium in die in dem Speichertank gespeicherte Salzschmelze umfasst. Eine Wärmetauscheinrichtung mit einer Einblaseinrichtung zum Einblasen von gasförmigem sekundärem Wärmeträgermedium in die Salzschmelze hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da mit vorrichtungstechnisch geringem Aufwand ein Wärmeaustausch zwischen gasförmigem sekundärem Wärmeträgermedium und der in dem Speichertank gespeicherten Salzschmelze erreicht werden kann. Das in die Salzschmelze eingeblasene Wärmeträgermedium durchdringt die Salzschmelze aufgrund des Auftriebs durch die geringere Dichte des gasförmigen sekundären Wärmeträgermediums im Vergleich zu der Salzschmelze, wobei ein Wärmeübergang von der Salzschmelze auf das gasförmige sekundäre Wärmeträgermedium erfolgen kann. Die Einblaseinrichtung kann vorzugsweise in einem unteren Bereich des Speichertanks angeordnet sein.
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Das die Salzschmelze durchdringende, gasförmige, sekundäre Wärmeträgermedium kann nach dem Wärmeaustausch mit der Salzschmelze auf einfache Art und Weise in einem oberen Abschnitt des Speichertanks entnommen werden.
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Dazu weist die Wärmetauscheinrichtung vorzugsweise eine Absaugeinrichtung auf, die in einen oberen Abschnitt des Speichertanks mündet. Die Absaugeinrichtung kann beispielsweise ein mit einem Ventil verschließbares Rohr sein, wobei das Absaugen mittels des in dem sekundären Kreislauf angeordneten Gebläses oder Verdichters erfolgt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Einblasvorrichtung aus einer Düsenvorrichtung mit mehreren Öffnungen besteht. Dadurch kann über eine größere Grundfläche verteilt das gasförmige sekundäre Wärmeträgermedium in die Salzschmelze eingeblasen werden, wodurch ein gleichmäßiger Wärmeübertrag auf das sekundäre Wärmeträgermedium erreicht wird. Ferner können durch die mehreren Öffnungen kleine Bläschen des gasförmigen sekundären Wärmeträgermediums erzeugt werden, wodurch eine besonders effiziente Erwärmung des sekundären Wärmeträgermediums erreicht werden kann.
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Die Solarstrahlungsreceiver können als Parabolrinnenreceiver oder Fresnelreceiver ausgebildet sein.
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Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk kann insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgende einzige Abbildung die Erfindung näher erläutert.
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Die einzige Abbildung zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks 100. Das solarthermische Kraftwerk 100 wird mit einer Salzschmelze als Wärmeträgermedium betrieben.
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Das solarthermische Kraftwerk 100 weist mehrere Solarstrahlungsreceiver 1 auf, die jeweils eine Reflektorvorrichtung 3 besitzen. Die Solarstrahlungsreceiver 1 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Parabolrinnenkollektoren ausgebildet, so dass die Reflektorvorrichtungen eine Parabolform besitzen. Die Solarstrahlungsreceiver 1 weisen jeweils ein Absorberrohr 5 auf. Mehrere Solarstrahlungsreceiver 1 (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier) sind in einer Reihe hintereinander angeordnet, wobei die Absorberrohre 5 eine Absorberrohrkette bilden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Absorberrohrkette als ein durchgehendes Rohr ausgebildet, so dass die Absorberrohre 5 jeweils Teilrohre des durchgehenden Rohres sind. Zwei Reihen von Solarstrahlungsreceivern mit jeweils einer Absorberrohrkette sind parallel angeordnet und an ihrem einen Ende mit einer Querverbindung 7 aneinander geschlossen, so dass die Solarstrahlungsreceiver 1 eine Schleife 9 (einen sogenannten Loop) bildet. Das solarthermische Kraftwerk 100 kann mehrere dieser Schleifen 9 von Solarstrahlungsreceivern 1 aufweisen, jedoch ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Schleife 9 dargestellt.
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Die dargestellte Schleife 9 von Solarstrahlungsreceivern 1 ist geneigt angeordnet, so dass die Querverbindung 7 zwei obere Enden der Absorberrohrketten verbindet. Mit anderen Worten: Die Absorberrohre 5 der Absorberrohrketten weisen ein Gefälle auf. Die unteren Enden der Absorberrohre 5 bzw. der Absorberrohrketten sind mit einem Speichertank 11 für die Salzschmelze verbunden. Die Absorberrohre 5 weisen somit ein Gefälle in Richtung des Speichertanks 11 auf. Das solarthermische Kraftwerk 100 weist ferner einen Heißsalztank 13 auf. Im normalen Betrieb bildet der Speichertank 11, der vorzugsweise wärmeisoliert ist, einen sogenannten Kaltsalztank. Die Salzschmelze wird beispielsweise über eine Pumpe 10 aus dem Speichertank 11 durch die Schleife 9 aus Solarstrahlungsreceivern 1 geleitet und durch die solare Strahlung, die von den Reflektorvorrichtungen 3 auf die Absorberrohre 5 reflektiert wird, erwärmt. Anschließend wird die Salzschmelze in den Heißsalztank 13 geleitet. Aus dem Heißsalztank 13 wird die Salzschmelze zu einem nicht dargestellten Wärmetauscher geleitet, über den die thermische Energie zur weiteren Verwertung, beispielsweise an einen Dampfturbinenprozess mit Stromerzeugung, übertragen werden kann. Anschließend wird die Salzschmelze zurück in den Speichertank 11 geleitet. Dadurch ist ein primärer Kreislauf 12 gebildet, der in der Figur durch die entsprechenden Pfeile dargestellt ist. Während des normalen Betriebs rezirkuliert somit die Salzschmelze durch die Solarstrahlungsreceiver, wobei die Salzschmelze beispielsweise von einer Temperatur von 290°C auf etwa 550°C erhitzt werden kann.
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Der Speichertank 11 und der Heißsalztank 13 weisen jeweils ein Stickstoffpolster 15 auf, wodurch Korrosion durch Lufteinschluss sowie die Salzschmelzalterung vermieden wird.
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Bei der Beendigung des Betriebs des solarthermischen Kraftwerks 1 wird die Salzschmelze aus den Absorberrohren 5 abgelassen und in den Speichertank 11 geleitet. Dabei fließt die Salzschmelze durch das Gefälle schwerkraftbedingt und/oder durch die Pumpe 10 in Richtung des Speichertanks 11. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fließt die Salzschmelze beim Auslassen durch die in Normalflussrichtung der Salzschmelze im primären Kreislauf vorderen Solarstrahlungsreceiver 1 entgegen der Normalflussrichtung, wohingegen die in Normalflussrichtung hinteren Solarstrahlungsreceiver 1 in Normalflussrichtung ausgelassen werden. Die Solarstrahlungsreceiver 1 in einer Schleife 9 werden somit sehr schnell von Salzschmelze entleert, indem die Salzschmelze gleichzeitig aus den parallel angeordneten Absorberrohrketten fließt.
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Die Absorberrohre 5 bzw. Absorberrohrketten sind vorzugsweise in einem Winkel α von bis zu 10° gegenüber der Horizontalen geneigt.
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Das solarthermische Kraftwerk 100 weist ferner einen sekundären Kreislauf 16 auf, der in der Figur durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet ist. Der sekundäre Kreislauf dient zum rezirkulierenden Leiten eines sekundären Wärmeträgermediums durch die Absorberrohre 5, um diese im von der Salzschmelze entleerten Zustand vorzuwärmen und somit beim anschließenden Betrieb des solarthermischen Kraftwerks 100 mit der Salzschmelze ein Erstarren der Salzschmelze in den Absorberrohren 5 zu vermeiden.
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Der sekundäre Kreislauf 16 umfasst eine Zuleitung 17, die in die Querverbindung 7 am oberen Ende der Absorberrohrketten mündet. Anschließend werden die in der Figur dargestellten Absorberrohrketten parallel durchströmt und anschließend zusammengeführt und einer Wärmetauscheinrichtung 18, die in dem Speichertank 11 angeordnet ist, zugeführt. Über die Wärmetauscheinrichtung kann ein Wärmeaustausch zwischen in dem Speichertank 11 gespeicherter Salzschmelze und dem sekundären Wärmeträgermedium erfolgen, so dass diese Wärmeenergie in vorteilhafter Weise für die Vorwärmung der Absorberrohre 5 genutzt werden kann.
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In dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist das sekundäre Wärmeträgermedium gasförmig. In dem sekundären Kreislauf 16 ist ein Gebläse oder Verdichter 19 angeordnet, über den das sekundäre Wärmeträgermedium zirkulierend durch den sekundären Kreislauf 16 angetrieben wird.
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Die Wärmetauscheinrichtung 18 weist eine Einblaseinrichtung 20 auf, die beispielsweise aus einer Düsenvorrichtung mit mehreren Öffnungen besteht. Über die Einblaseinrichtung 20 kann das gasförmige sekundäre Wärmeträgermedium in die Salzschmelze eingeblasen werden, so dass Gasblasen aus dem sekundären Wärmeträgermedium die Salzschmelze durchdringen und somit ein Wärmeaustausch zwischen der Salzschmelze und dem sekundären Wärmeträgermedium erreicht werden kann.
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Die Einblaseinrichtung 20 ist in einem unteren Abschnitt 11a des Speichertanks angeordnet.
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Die Wärmetauscheinrichtung 18 weist ferner eine Absaugeinrichtung 21 auf, die in einen oberen Abschnitt 11b des Speichertanks 11 mündet. Die Absaugeinrichtung 21 besteht aus einem Rohr mit daran angeschlossenem Ventil 22, über die das Rohr verschließbar ist. Mittels der Absaugeinrichtung 21 kann das erwärmte sekundäre Wärmeträgermedium wiederum der Zuleitung 17 zugeführt werden, so dass ein rezirkulierendes Leiten des sekundären Wärmeträgermediums durch den sekundären Kreislauf 16 erfolgen kann.
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Das sekundäre Wärmeträgermedium kann beispielsweise Stickstoff sein. Dabei kann Stickstoff aus dem Stickstoffpolster 15 des Speichertanks 11 verwendet werden. Vorzugsweise wird das sekundäre Wärmeträgermedium während des Ablassens der Salzschmelze in die Absorberrohre 5 eingeleitet. Da beim Ablassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren in den Speichertank 11 Stickstoff des Stickstoffpolsters 15 verdrängt wird, kann dieses in vorteilhafter Weise über die Zuleitung 17 in die Absorberrohre 5 geleitet werden. In der Zuleitung 17 kann beispielsweise ein nicht dargestellter zusätzlicher Verdichter angeordnet sein, über die das sekundäre Wärmeträgermedium mit hohem Druck in die Absorberrohre 5 eingeleitet wird. Dadurch kann das sekundäre Wärmeträgermedium beim Ablassen der Salzschmelze unterstützend wirken, indem das sekundäre Wärmeträgermedium die Salzschmelze aus den Absorberrohren 5 presst.
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Während der Betriebspause des solarthermischen Kraftwerks, die beispielsweise nachts oder in Schlechtwetterperioden oder zur Wartung erfolgt, verbleibt das sekundäre Wärmeträgermedium in den Absorberrohren 5.
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Bei der Inbetriebnahme des solarthermischen Kraftwerks wird zunächst das sekundäre Wärmeträgermedium rezirkulierend durch den sekundären Kreislauf 16 geleitet, wodurch die Absorberrohre 5 erwärmt werden. Durch die Rezirkulation des sekundären Wärmeträgermediums wird die Wärme in den Absorberrohren 5 relativ gleichmäßig verteilt, so dass zu große Temperaturgradienten, die zu einer Beschädigung der Absorberrohre 5 führen könnten, vermieden werden.
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Sobald die Absorberrohre eine Temperatur T aufweisen, die größer oder gleich der Schmelztemperatur des Salzes ist, kann mit dem Einleiten der Salzschmelze in die Absorberrohre 5 begonnen werden. Dabei verdrängt die Salzschmelze das sekundäre Wärmeträgermedium und presst dieses in einen Sekundärspeichertank. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Sekundärspeichertank durch den Speichertank 11 gebildet, wobei der als sekundäres Wärmeträgermedium eingesetzte Stickstoff in Form des in dem Speichertank 11 enthaltenen Gaspolsters gespeichert wird.
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Dadurch, dass die Absorberrohre 5 auf die Temperatur T vorgewärmt werden, wird vermieden, dass die in die Absorberrohre 5 eingeleitete Salzschmelze zu erstarren droht.
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Das Vorwärmen der Absorberrohre 5 mittels des sekundären Wärmeträgermediums kann insbesondere vor Sonnenaufgang erfolgen, so dass bei Vorliegen von nutzbarer solarer Strahlung die Absorberrohre 5 bereits vorgewärmt sind, so dass die Salzschmelze in die Absorberrohre 5 eingeleitet werden kann. Dadurch kann die gesamte zur Verfügung stehende, nutzbare solare Strahlung unmittelbar genutzt werden und es geht keine nutzbare Solarenergie verloren.
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Anschließend kann der reguläre Betrieb des solarthermischen Kraftwerks 100 durchgeführt werden, bei dem die Salzschmelze rezirkulierend durch den primären Kreislauf 12 geleitet wird.
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Das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk 100 bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines solarthermischen Kraftwerks 100 hat den Vorteil, dass während Betriebspausen die Salzschmelze nicht in den Absorberrohren verbleibt und somit die Gefahr, dass die Salzschmelze in den Absorberrohren erstarrt, vermieden wird bzw. ein aufwändiges Erwärmen der Salzschmelze während der Betriebspausen nicht notwendig wird. Durch das Ablassen der Salzschmelze in einen Speichertank 11, der wärmeisoliert ist, kann die in der Salzschmelze enthaltene thermische Energie zu einem großen Anteil während der Betriebspause zwischengespeichert werden, so dass diese bei dem Vorwärmen der Absorberrohre 5 und bei einem Wiederanfahren des solarthermischen Kraftwerks 100 genutzt werden kann. Lediglich bei längeren Betriebspausen, wie beispielsweise bei langen Schlechtwetterperioden im Winter, ist eine Beheizung vor Inbetriebnahme des Kraftwerks notwendig, wenn die Salzschmelze in dem Speichertank 11 erstarrt.
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Bei dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk 100 bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass das Auslassen der Salzschmelze aus den Absorberrohren vor jeder Betriebspause erfolgt. Grundsätzlich kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Salzschmelze nur dann aus den Absorberrohren abgelassen wird, wenn die Betriebspause für einen längeren, vorbestimmten Zeitraum geplant ist. Beispielsweise kann der tägliche Entleerungsvorgang eines ganzen Solarfeldes vor einer nächtlichen Betriebspause zu aufwändig sein, wenn die Nachtzeiten im Sommer nur sehr kurz sind. Daher besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren auch nur bei längeren Betriebspausen, wie beispielsweise Schlechtwetterperioden sowie zu Wartungszwecken, einzusetzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch beispielsweise nur für Teilbereiche eines Kraftwerks eingesetzt werden, wenn in diesen Reparaturmaßnahmen notwendig sind.
