DE102017123455A1

DE102017123455A1 - Receiver, Kraftwerk und Verfahren zur thermischen Nutzung von Sonnenenergie

Info

Publication number: DE102017123455A1
Application number: DE102017123455.1A
Authority: DE
Inventors: Barbara Waldmann; Christian Storm
Original assignee: Bilfinger Engineering and Technologies GmbH
Current assignee: Bilfinger Engineering and Technologies GmbH
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-04-11
Also published as: WO2019072549A1

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Receiver (5) für ein Solarturmkraftwerk (1,30), mit wenigstens einem Receivermodul (13) zur Absorption von Sonnenenergie der über Spiegel (2) auf das Receivermodul (13) konzentrierten Sonnenstrahlung (3), mit einer Zuführleitung (7) zur Zuführung von im Receivermodul (13) zu verdampfendem Wasser (6) und mit einer Dampfleitung (9) zum Abführen von im Receivermodul (13) verdampftem Wasser (6), wobei das Receivermodul (13) einen mit der Zuführleitung (7) verbundenen Modulverteiler (14) aufweist. Um ein kostengünstiger und dennoch einfach und zuverlässig zu betreibenden Receiver zu schaffen ist vorgesehen, dass das Receivermodul (13) einen mit der Dampfleitung (9) verbundenen und oberhalb des Modulverteilers (14) angeordneten Modulsammler (16) und eine Vielzahl von den Modulverteiler (14) und den Modulsammler (16) miteinander verbindender Modulrohre (15) umfasst und dass das Receivermodul (5) als Zwangsdurchlaufdampferzeuger ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Receiver für ein Solarturmkraftwerk, mit wenigstens einem Receivermodul zur Absorption von Sonnenenergie der über Spiegel auf das Receivermodul konzentrierten Sonnenstrahlung, mit einer Zuführleitung zur Zuführung von im Receivermodul zu verdampfendem Wasser und mit einer Dampfleitung zum Abführen von im Receivermodul verdampftem Wasser, wobei das Receivermodul einen mit der Zuführleitung verbundenen Modulverteiler aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftwerk mit einem solchen Receiver. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb wenigstens eines solchen Receivers bzw. eines solchen Kraftwerks.
Es sind bereits verschiedene Kraftwerke zur thermischen Nutzung von Sonnenenergie bekannt, bei denen die auf Spiegel fallende Sonnenstrahlung auf einen oder mehrere Receiver konzentriert wird. Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen und die spezifischen Anlagenkosten zu senken, können sogenannte Solarturmkraftwerke genutzt werden. Diese weisen eine Vielzahl von Spiegeln auf, die die Sonnenstrahlung auf wenigstens einem Receiver konzentrieren. Der wenigstens eine Receiver absorbiert die thermische Energie der konzentrierten Sonnenstrahlung und gibt diese über einen Wärmetausch an ein Wärmeträgermedium ab. Bei dem Wärmeträgermedium kann es sich beispielsweise um eine Salzschmelze oder um Wasser bzw. Dampf handeln. Da die Sonnenenergie nicht kontinuierlich verfügbar ist, kann das Wärmeträgermedium zwischengespeichert werden, um die Wärme des Wärmeträgermediums später, etwa während der Nachtstunden oder bei Bewölkung, zu nutzen. Dazu wird die Wärme des zwischengespeicherten Wärmeträgermediums oftmals an ein weiteres Wärmeträgermedium, typischerweise an Wasser, übertragen. Das Wasser wird dabei in einem Dampferzeuger verdampft und überhitzt, um anschließend in einer Dampfturbine entspannt zu werden.
Unter einem überhitzten Dampf versteht man einen Dampf mit einer Temperatur, die oberhalb der Sättigungstemperatur des Dampfs auf dem entsprechenden Druckniveau liegt. Beim Entspannen des Dampfs in der Dampfturbine treibt diese einen Generator an, der Strom erzeugt. Der die Dampfturbine verlassende, entspannte Dampf wird kondensiert und das gewonnene Wasser wieder dem Dampferzeuger zugeführt.
Bedarfsweise kann aber auch auf eine Zwischenspeicherung des Wärmeträgermediums verzichtet und direkt über den Receiver, der sich aus mehreren Receivermodulen zusammensetzen kann, Dampf erzeugt werden, der dann zur Stromgewinnung in einer Dampfturbine entspannt wird. Wenigstens in solchen Fällen ist dem Receiver oder Receivermodul eine Zuführleitung zur Zuführung von im Receiver zu verdampfendem Wasser zugeordnet. Der im Receiver erzeugte Dampf verlässt den Receiver über eine Dampfleitung, die mit einer Dampfturbine zur Stromgewinnung verbunden sein kann. Der Receiver umfasst zudem wenigstens einen mit der Zuführleitung verbundenen Modulverteiler, der das über die Zuführleitung zugeführte Wasser auf die Modulrohre des Receivers verteilt, auf denen die Sonnenstrahlung konzentriert und in denen das Wasser verdampft wird. Der Modulverteiler ist dabei oberhalb oder wenigstens auf Höhe der oberen Enden der Modulrohre angeordnet, so dass in den Modulrohren immer Wasser steht und das in den Modulrohren verdampfte Wasser durch infolge Gewichtskraft automatisch aus dem Modulverteiler nachströmendes Wasser ersetzt wird. Man spricht dabei auch von einem Naturumlaufprinzip bzw. von einem als Naturumlaufverdampfer ausgebildeten Receiver oder Receivermodul.
Die bekannten Receiver sind sehr robust und können infolge des Naturumlaufs sehr einfach und zuverlässig betrieben werden. Nachteilig sind jedoch die hohen apparativen Kosten für die recht großen und schweren Receiver. Diese Nachteile kommen insbesondere bei der Installation auf einem Turm eines Solarturmkraftwerks zum Tragen.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Receiver, das Kraftwerk und das Verfahren jeweils der eingangs genannten und zuvor näher erläuterten Art derart auszugestalten und weiterzuentwickeln, dass ein kostengünstiger und dennoch einfach und zuverlässig zu betreibender Receiver geschaffen wird.
Diese Aufgabe ist bei einem Receiver nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Receivermodul einen mit der Dampfleitung verbundenen und oberhalb des Modulverteilers angeordneten Modulsammler und eine Vielzahl von den Modulverteiler und den Modulsammler miteinander verbindender Modulrohre umfasst und dass das Receivermodul als Zwangsdurchlaufdampferzeuger ausgebildet ist.
Die Erfindung hat erkannt, dass auf das Naturumlaufprinzip bei dem als Verdampfer ausgebildeten Receiver verzichtet und stattdessen der Receiver als Zwangsdurchlaufreceiver ausgebildet werden kann. Dies führt zu leichteren, kleineren und kostengünstigeren Receivern. Zwar erfordert der Betrieb der Receiver eine Pumpe, um den Zwangsdurchlauf des Receivers bereitstellen zu können, und einen höheren verfahrenstechnischen, insbesondere regelungstechnischen, Aufwand, der bei einem Naturumlaufverdampfer entbehrlich ist, allerdings werden diese vermeintlichen Nachteile durch die so erzielbaren Vorteile aufgewogen. Da die Receiver kleiner und leichter ausgebildet werden können, kann auch der gesamte Turm des Solarturmkraftwerks leichter und weniger massiv ausgebildet werden. Zudem wird der höhere regelungstechnische Aufwand dahingehend nutzbar, dass der Receiver auch bei unterschiedlichen Wetterbedingungen und Leistungsanforderungen an das Solarturmkraftwerk stets in einem zweckmäßigen Betriebszustand betrieben werden kann.
Der Receiver ist mit wenigstens einem Receivermodul ausgestattet, bei dem der Modulverteiler unterhalb eines Modulsammlers angeordnet ist, der seinerseits mit der Dampfleitung zum Ableiten des im Receivermoduls erzeugten Dampfs verbunden ist. Zur Verbindung des Modulverteilers mit dem Modulsammler eines Receivermoduls ist eine Vielzahl von Modulrohren vorgesehen, die sich vom unteren Modulverteiler bis zum oberen Modulsammler erstrecken. Dabei wird im Modulverteiler das zu verdampfende Wasser auf die Modulrohre des Receivermoduls verteilt. Das Wasser strömt in dem Modulrohren nach oben und wird dabei von der von den Modulrohren absorbierten Sonnenstrahlung verdampft. Der so gebildete Dampf steigt in den Modulrohren nach oben, wobei der Dampf bedarfsweise überhitzt werden kann. Der Dampf tritt aus den Modulrohren aus und wird in dem Modulsammler gesammelt, bevor der Dampf dann gesammelt zur weiteren Nutzung abgeführt wird, etwa einer Dampfturbine zur Stromzeugung zugeführt wird. Das Wasser wird dabei über den Modulverteiler in die Modulrohre gepumpt, wodurch sich der Zwangsdurchlauf des durch den Receiver gebildeten Verdampfer ergibt. Dies hat auch den Vorteil, dass die Menge und die Temperatur des Dampfs im Modulsammler durch die Variation der zugeführten Wassermenge in den Modulverteiler gezielt beeinflusst werden können.
Die zuvor genannte Aufgabe ist ferner nach Anspruch 5 durch ein Kraftwerk mit einem einen Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 4 tragenden Solarturm gelöst, der eine Mehrzahl von Spiegeln zur Konzentration von Sonnenstrahlung auf den Modulrohren des Receivers und eine mit der Dampfleitung verbundene Dampfturbine zum Entspannen des im Receiver erzeugten Dampfs, vorzugsweise zur Stromerzeugung in einem Generator, umfasst.
Die Vorteile des verwendeten Receivers, nämlich insbesondere die kompakte und leichte Bauart, kommen bei einem entsprechenden Kraftwerk, das auch als Solarturmkraftwerk bezeichnet werden kann, in besonderem Maße zur Geltung. Des Weiteren kann eine effiziente Regelung des Receivers hinsichtlich der erzeugten Dampfmenge und der Eigenschaften des Dampfs erreicht werden. Die Eigenschaften des Dampfs ergeben sich dabei insbesondere aus der Temperatur und/oder dem Druck des Dampfs. Die Temperatur und der Druck können im Falle der Verstromung des Dampfs in einer Dampfturbine an die Dampfturbine angepasst werden, um die Dampfturbine effizient in einem vorgegebenen Lastbereich betreiben zu können.
Zudem ist die zuvor genannte Aufgabe nach Anspruch 9 durch ein Verfahren zum Betrieb wenigstens eines Receivers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftwerks nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gelöst,

- bei dem wenigstens ein Receivermodul die Sonnenenergie von der über Spiegel auf die Modulrohre des Receivermoduls konzentrierten Sonnenstrahlung absorbiert,
- bei dem der Modulverteiler des wenigstens einen Receivermoduls über die Zuführleitung zwangsweise mit einem Wassermengenstrom beaufschlagt wird,
- bei dem der dem Modulverteiler zugeführte Wassermengenstrom auf die Modulrohre des Receivermoduls verteilt und beim Durchströmen der Modulrohre in Richtung des Modulsammlers vollständig verdampft und/oder überhitzt wird und
- bei dem der erzeugte und/oder überhitzte Dampf über den Modulsammler und die Dampfleitung abgeführt wird.

Diese Arbeitsweise des Receivers resultiert aus dem als vorteilhaft erkannten Zwangsdurchlaufprinzip für den Betrieb eines Receivers. Dieses Prinzip erlaubt die vorteilhafte Ausgestaltung und Steuerung eines Receivers, die insbesondere für den Betrieb eines Solarturmkraftwerks von besonderer Bedeutung ist. Die entsprechenden Vorteile sind zuvor in Bezug auf den Receiver und das Kraftwerk bereits eingehend beschrieben worden.
Nachfolgend werden der Receiver, das Kraftwerk und das Verfahren jeweils der zuvor genannten Art der Einfachheit halber und zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen gemeinsam beschrieben, ohne jeweils im Einzelnen zwischen dem Receiver, dem Kraftwerk und dem Verfahren zu unterscheiden. Für den Fachmann ergibt sich jedoch aus dem Kontext welches Merkmal jeweils in Bezug auf den Receiver, das Kraftwerk und das Verfahren besonders bevorzugt ist.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Receivers sind die Modulrohre wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander und/oder wenigstens im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Beides verbessert die Absorption der auf den Receiver konzentrierten Sonnenstrahlung, da die Sonnenstrahlung so möglichst komplett auf die Modulrohre des wenigstens einen Receivermoduls trifft. In diesem Zusammenhang bietet es sich dann besonders an, wenn die Modulrohre eine wenigstens im Wesentlichen geschlossene Absorberfläche zur Absorption von Sonnenenergie der über Spiegel auf das Receivermodul konzentrierten Sonnenstrahlung bilden. Mit anderen Worten kann das Receivermodul durch die Modulrohre in Blickrichtung der konzentrierten Sonnenstrahlen geschlossen sein, auch wenn sich die einzelnen Modulrohre nicht im Einzelnen berühren müssen um einen problemlosen thermischen Längenausgleich zu erlauben.
Um den dem Modulverteiler zugeführten Wassermengenstrom gezielt einstellen zu können, bietet es sich an, wenn der Zuführleitung des entsprechenden Modulverteilers des wenigstens einen Receivermoduls eine Pumpe zugeordnet ist. Der so zugeteilte Wassermengenstrom wird dann auf die Modulrohre des Receivermoduls verteilt. Um die Verteilung beeinflussen zu können, können den Modulrohren Ventile zugeordnet sein. Hierauf wird aber im Regelfall aus Kostengründen verzichtet werden können. Alternativ oder zusätzlich zu einer Pumpe kann zur Einstellung des dem Modulverteiler zugeführten Wassermengenstroms diesem oder der Zuführleitung auch ein Regelventil zugeordnet sein. Durch zunehmendes Schließen oder zunehmendes Öffnen des Regelventils kann dem Modulverteiler mehr oder weniger Wasser zugeführt werden. Darüber hinaus kann eine Regeleinrichtung zur Regelung des dem wenigstens einen Receivermoduls zugeführten Wassermengenstroms über die wenigstens eine Pumpe und/oder das wenigstens eine Regelventil anhand der Dampftemperatur im Modulsammler und/oder der Dampfleitung vorgesehen sein. Mithin können die Dampfeigenschaften vorgegeben werden, die zur weiteren Nutzung des Dampfs zweckmäßig sind und die Regeleinrichtung regelt die Wasserzufuhr so, dass diese Dampfeigenschaften auch erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Regeleinrichtung aber auch eine Vergleichmäßigung des über mehrere Receivermodule eines einzigen Receivers parallel erzeugten Dampfes beitragen.
Um die Verteilung der Wassermengenströme über die Modulrohre eines Receivermoduls einstellen zu können, etwa zum Ausgleich einer unterschiedlichen Absorption von Wärme wenigstens einzelner Modulrohre, kann wenigstens einem Modulrohr, wenigstens einer Gruppe von Modulrohren oder jedem Modulrohr, des wenigstens einen Receivermoduls wenigstens ein Regelventil zur Einstellung des dem wenigstens einen Modulrohr zugeführten Wassermengenstroms zugeordnet sein. Zur Steuerung des wenigstens einen Regelventils zum Einstellen der Verteilung der Massenströme über wenigstens einzelne Modulrohre kann der Einfachheit halber eine Regeleinrichtung zur Regelung des dem wenigstens einen Modulrohr zugeführten Wassermengenstroms über das wenigstens eine Regelventil anhand der Dampftemperatur am Austritt des wenigstens einen Modulrohrs, im Modulsammler und/oder der Dampfleitung vorgesehen sein.
Je nach der Ausgestaltung und dem geplanten Einsatz des Receivers kann es zweckmäßig sein, mehrere Receivermodule zu einer Receivermodulgruppe und/oder zu einem, vorzugsweise kreisförmig um eine zentrale und vertikale Längsachse laufenden, Receiver zusammenzufassen. Ersteres erlaubt es, einzelne Receivermodulgruppen gemeinsam und abweichend von anderen Modulgruppen zu betreiben, was unterschiedlichen Randbedingungen unterschiedlicher Receivermodulgruppen Rechnung tragen oder eine differenziertere und/oder einfachere Regelbarkeit des Receivers insgesamt erlauben kann. Daher ist es in einem der genannten Fälle von besonderem Vorteil, wenn wenigstens eine Regeleinrichtung zur Regelung der den verschiedenen Receivermodulen und/oder Receivermodulgruppen zugeführten Wassermengenströmen über die wenigstens eine Pumpe und/oder das wenigstens eine Regelventil anhand der Dampftemperatur in den Modulsammlern und/oder Dampfleitungen der verschiedenen Receivermodule und/oder Receivermodulgruppen vorgesehen ist.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Kraftwerks sind eine Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff unter Bildung von Rauchgas und ein Dampferzeuger zum Erzeugen von Dampf durch Wärmetausch mit dem Rauchgas vorgesehen. Dies erlaubt es, eine Wärmeverschaltung des gesamten Kraftwerkprozesses durchzuführen, etwa indem der auf die unterschiedlichen Weisen erzeugte Dampf zwischen den Prozessen ausgetauscht und/oder gemeinsam genutzt wird. Dies führt bedarfsweise zu einer höheren Gesamteffizienz oder zu einem stabiler zu betreibenden Gesamtsystem. Besonders bevorzugt ist es aus diesen Gründen, wenn der im Receiver und im Dampferzeuger erzeugte Dampf nacheinander und/oder gemeinsam in der Dampfturbine entspannt wird. Dies kann besonders effektiv sein.
Eine wärmetechnische Integration der Teilsysteme kann beispielsweise besonders zweckmäßig erfolgen, wenn der Dampferzeuger einen Überhitzer zum Erzeugen von überhitztem Dampf durch den Wärmetausch mit dem Rauchgas aufweist und zudem die wenigstens eine Dampfleitung den Receiver zum gemeinsamen Überhitzen des im Dampferzeuger und im Receiver erzeugten Dampfs mit einem gemeinsamen Überhitzer verbindet. In diesem Überhitzer kann die Überhitzung des Dampfs dann durch einen Wärmetausch mit dem heißen durch die Verbrennung gebildeten Rauchgas erfolgen. Dies bietet sich aufgrund der Größe und der Bauform eines solchen Überhitzers an. Grundsätzlich könnte der Dampf auch gemeinsam durch einen Wärmetausch mit konzentrierter Sonnenstrahlung überhitzt werden. Dies wird aber in vielen Fällen aufgrund der größeren und schwereren Ausgestaltung des Receivers auf dem Turm des Solarturmkraftwerks weniger bevorzugt sein. Hinzu kommt, dass die Sonnenstrahlung nicht so zuverlässig zur Verfügung steht, wie heiße Rauchgase zur Überhitzung des Dampfs erzeugt werden können.
Eine effektive und effiziente Nutzung des erzeugten Dampfs lässt sich einfach realisieren, wenn eine Verbindung zur Verbindung der wenigstens einen Dampfleitung des Receivers und der wenigstens einen Dampfleitung des Überhitzers mit der Dampfturbine vorgesehen ist. Auf diese Weise kann der im Receiver erzeugte Dampf und der im Überhitzer überhitzte Dampf gemeinsam entspannt werden, etwa um dadurch zur Stromerzeugung einen Generator anzutreiben.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der erzeugte und/oder überhitzte Dampf in einer Dampfturbine, vorzugsweise zur Stromerzeugung in einem Generator, entspannt So kann einfach und effizient Strom erzeugt und der Dampf entsprechend genutzt werden.
Einen besonders effektive Wärmeintegration lässt sich erreichen, wenn nicht nur die Sonnenenergie genutzt, sondern zudem ein Brennstoff in einer Brennkammer zur Erzeugung von Rauchgas verbrannt wird, das Wasser durch einen Wärmetausch in einem Verdampfer eines Dampferzeugers verdampft. Der so gewonnene Dampf und der über den Receiver gewonnene Dampf können dann in einem Überhitzer gemeinsam überhitzt werden. Dies erfolgt der Einfachheit halber durch einen Wärmetausch mit dem bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas. Dieser Prozess ist einfacher steuerbar als die Überhitzung des Dampfs auf dem Turm des Solarturmkraftwerks, was zudem die Anordnung eines großen und schweren Überhitzers auf dem Turm des Überhitzers erforderlich machen würde, auch wenn dies prinzipiell möglich und in einigen Fällen sogar bevorzugt sein kann. Der gemeinsam überhitzte Dampf wird dann der Einfachheit halber gemeinsam in einer Dampfturbine genutzt, wobei der Dampf entspannt und zum Antreiben eines Strom erzeugenden Generators genutzt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Brennstoff in einer Brennkammer verbrannt werden, um so ein Rauchgas zu erzeugen, das durch einen entsprechenden Wärmetausch in einem Dampferzeuger Wasser verdampft und/oder Dampf überhitzt. Der aus dem Dampferzeuger abgezogene Dampf kann dann zusammen mit dem im Receiver erzeugten Dampf in einer Dampfturbine, vorzugsweise zur Stromerzeugung in einem Generator, entspannt werden. Auch hier werden eine effektive Wärmeintegration und eine Reduzierung der erforderlichen Anlagenteile erreicht.
Um die Nutzung des Dampfs in einer bevorzugten, zuverlässigen und effizienten Weise zu ermöglichen, kann der dem Modulverteiler des wenigstens einen Receivermoduls und/oder der den Modulverteilern der wenigstens einen Receivermodulgruppe zugeführte Wassermengenstrom anhand der Dampftemperatur und/oder des Dampfdrucks im Modulsammler und/oder der Dampfleitung des wenigstens einen Receivermoduls und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe geregelt werden. Mit anderen Worten kann vorgegeben werden, mit welchen Eigenschaften der Dampf bereitgestellt werden soll, und sodann ein Dampf mit diesen Eigenschaften erzeugt werden. Dies kann der Angleichung der Eigenschaften von Dampfströmen aus unterschiedlichen Quellen und/oder zur effizienteren Nutzung des Dampfs beitragen.
Zur Regelung bzw. Steuerung der Eigenschaften des erzeugten Dampfs, wobei insbesondere die Menge des Dampfs, die Temperatur und der Druck von Bedeutung sind, bietet es sich an, wenn der zugeführte Wassermengenstrom über wenigstens eine dem wenigstens einen Receivermodul und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe zugeordnete Pumpe geregelt oder wenigstens eingestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der zugeführte Wassermengenstrom aber auch über wenigstens ein dem wenigstens einen Receivermodul und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe zugeordnetes Regelventil geregelt werden.
Hierbei ist es grundsätzlich bevorzugt, wenn eine Regeleinrichtung vorgesehen wird, die den wenigstens einen zugeführten Wassermengenstrom regelt und die dem wenigstens einen Receivermodul und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe zugeordnet ist.
Um die Erzeugung des Dampfs in einer bevorzugten, zuverlässigen und effizienten Weise zu ermöglichen, kann der wenigstens einem Modulrohr, insbesondere wenigstens einer Gruppe von Modulrohren oder jedem Modulrohr, des wenigstens einen Modulverteilers des wenigstens einen Receivermoduls zugeführte Wassermengenstrom anhand der Dampftemperatur am Austritt des wenigstens einen Modulrohrs, im Modulsammler und/oder der Dampfleitung des wenigstens einen Receivermoduls und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe geregelt werden. Zudem ist es der Einfachheit halber und zur genaueren Regelung des zugeführten Wassermengenstroms zweckmäßig, den zugeführten Wassermengenstrom über wenigstens ein dem wenigstens einen Modulrohr, insbesondere wenigstens einer Gruppe von Modulrohren oder jedem Modulrohr, des wenigstens einen Modulverteilers (14) des wenigstens einen Receivermoduls (13) zugeordnetes Regelventil zu regeln.
Auch hierbei ist es grundsätzlich bevorzugt, wenn eine Regeleinrichtung vorgesehen wird, die den wenigstens einen zugeführten Wassermengenstrom regelt und die dem wenigstens einen Modulrohr bzw. dem jeweiligen Regelventil zugeordnet ist.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 ein erstes erfindungsgemäßes Kraftwerk in einer schematischen Darstellung,
2 ein Receivermodul des Receivers des Kraftwerks aus der 1 in einer perspektivischen Darstellung,
3 ein Detail des Receivermoduls aus der 2 betreffend einen Modulverteiler und Modulrohre in einer Schnittdarstellung,
4 das Receivermodul des Receivers des Kraftwerks aus der 1 in einer schematischen Darstellung
5 den Receiver des Kraftwerks aus der 1 in einer perspektivischen Darstellung,
6 ein zweites erfindungsgemäßes Kraftwerk in einer schematischen Darstellung und
7 ein drittes erfindungsgemäßes Kraftwerk in einer schematischen Darstellung.

In der 1 ist ein als Solarturmkraft ausgebildetes Kraftwerk 1 mit einer Reihe von Spiegeln 2 dargestellt, die die auf die Spiegel 2 auftreffende Sonnenstrahlung 3 auf den auf einem Turm 4 angeordneten Receiver 5 des Kraftwerks 1 konzentrieren. Der Receiver 5 absorbiert die Wärme der auf den Receiver 5 konzentrierten Sonnenstrahlung 3 und wird von Wasser 6 durchströmt, das über eine Zuführleitung 7 dem Receiver 5 zugeführt und beim Durchtritt durch den Receiver 5 infolge des Wärmetauschs mit dem durch die absorbierte Sonnenstrahlung 3 aufgeheizten Receiver 5 verdampft wird. Bevorzugt wird der so entstehende Dampf 8 beim weiteren Durchtritt durch den Receiver 5 überhitzt. Die Temperatur des Dampfs 8 liegt dann deutlich oberhalb der Kondensationstemperatur des Dampfs 8 auf dem entsprechenden Druckniveau. Der überhitzte Dampf 8 wird sodann über eine Dampfleitung 9 an eine Dampfturbine 10 weitergeleitet, in der der Dampf 8 entspannt wird, um dabei einen mit der Welle 11 der Dampfturbine 10 gekoppelten Generator 12 anzutreiben. Der Generator 12 erzeugt dabei auf an sich bekannte Weise Strom, der in ebenfalls bekannter Weise in ein Stromnetz eingespeist werden kann.
Der auf dem Turm 4 des in 1 dargestellten Kraftwerks 1 vorgesehene Receiver 5 weist eine Reihe von einzelnen Receivermodulen 13 auf, von denen eines im Detail in der 2 dargestellt ist. Das Receivermodul 13 umfasst einen Modulverteiler 14, der mit einer Zuführleitung 7 für Wasser 6 verbunden ist. Über die Zuführleitung 7 gelangt das Wasser 6 in den Modulverteiler 14, der das Wasser 6 auf die Modulrohre 15 des Receivermoduls 13 verteilt. Die Modulrohre 15 gehen alle vom Modulverteiler 14 ab und führen nach oben zu einem Modulsammler 16 hin. Das Wasser 6 wird also parallel durch die Modulrohre 15 vom Modulverteiler 14 zum Modulsammler 16 geleitet. Dabei verlaufen die Modulrohre 15 wenigstens abschnittsweise zwischen dem Modulverteiler 14 und dem Modulsammler 16 parallel zueinander und in einer gemeinsamen Ebene. In diesem Bereich bilden die Modulrohre 15 gemeinsam eine wenigstens im Wesentlichen geschlossene Fläche, auf die die von den Spiegeln 2 konzentrierte Sonnenstrahlung 3 auf das Receivermodul 13 trifft. Wie die Modulrohre 15 geführt sind, wird im Detail in der 3 dargestellt.
Um das Receivermodul 13 einfach fertigen und die Modulrohre 15 einfach, dicht und zuverlässig mit dem Modulverteiler 14 verbinden zu können, sind die Anschlüsse der Modulrohre 15 an den Modulverteiler 14 beim dargestellten und insoweit bevorzugten Receivermodul 13 nicht entlang einer einzigen Linie vorgesehen. Vielmehr sind beim dargestellten und insoweit bevorzugten Receivermodul 13 die Modulrohre 15 zu drei Gruppen von Rohren 17,18,19 zusammengefasst, wobei jede Gruppe von Rohren 17,18,19 entlang einer anderen Linie 20,21,22 mit dem Modulverteiler 14 verbunden ist. Die drei Linien 20,21,22 sind zudem wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Die Verbindung der Modulrohre 15 mit dem Modulsammler 16 ist in gleicher Weise wie die in der 3 dargestellte Verbindung zwischen den Modulrohren 15 und dem Modulverteiler 14 ausgestaltet, weshalb auf eine separate Detaildarstellung der Verbindung der Modulrohre 15 mit dem Modulsammler 16 verzichtet werden kann. Grundsätzlich können je nach den Besonderheiten des jeweiligen Anwendungsfalls die Modulrohre auch zu mehr oder weniger Gruppen von Rohren zusammengefasst sein, und zwar insbesondere zu zwei oder zu drei Gruppen von Rohren.
Die von den Spiegeln 2 konzentrierte und auf das Receivermodul 13 treffende Sonnenstrahlung 3, wird von den Modulrohren 15 absorbiert, wozu die Modulrohre 15 vorzugsweise schwarz ausgebildet sind. Dabei wird die thermische Energie der Sonnenstrahlung 3 über einen Wärmetausch an das im Inneren der Modulrohre 15 geführte Wasser 6 bzw. den innerhalb der Modulrohre geführten Dampf 8 abgegeben. Der bedarfsweise überhitzte Dampf 8 wird dann in dem Modulsammler 16 gesammelt. Dabei wird die zugeführte Wassermenge so gewählt, dass das zugeführte Wasser 6 vollständig in den Modulrohren 15 verdampft. Es gelangt also ausschließlich Dampf 8 in den Modulsammler 16, der dann an die angeschlossene Dampfleitung 9 abgegeben wird.
Zum Einstellen und/oder Regeln der zugeführten Wassermenge kann, wie dies insbesondere in der 4 dargestellt ist, wenigstens eine Pumpe 23 und/oder wenigstens ein Regelventil 24 vorgesehen sein. Bevorzugt ist hierzu eine Regeleinrichtung 25 vorgesehen, die die Pumpe 23 und/oder das Regelventil 24 in entsprechender Weise ansteuert. Um die Ansteuerung der Pumpe 23 und/oder des Regelventils 24 an den Betrieb des Receivers 5 anpassen zu können, kann die Temperatur und/oder der Druck des Dampfs 8 im Modulsammler 16 oder in der Dampfleitung 9 über wenigstens einen geeigneten Sensor 26 gemessen werden. Dann kann die Regeleinrichtung 25 die Wasserzufuhr so einstellen, dass sich die gewünschte Temperatur und/oder der gewünschte Druck des Dampfs 8 im Modulsammler 16 bzw. in der Dampfleitung 9 einstellt.
Der in der 5 im Detail dargestellte und insoweit bevorzugte Receiver 5 umfasst eine Reihe von Receivermodulen 13, die kreisförmig angeordnet sind, um umlaufend Sonnenstrahlung 3 absorbieren zu können. Die einzelnen Receivermodule 13 sind alle parallel zueinander angeordnet und werden zudem auch parallel zueinander betrieben, wobei die Modulverteiler 14 und die Modulsammler 16 vorzugsweise jeweils untereinander mit derselben Zuführleitung 7 bzw. mit derselben Dampfleitung 9 verbunden sind. Es wird auf diese Weise eine wenigstens im Wesentlichen geschlossene umlaufende Absorptionsfläche für darauf über die Spiegel 2 konzentrierte Sonnenstrahlung 3 bereitgestellt. Mithin können auch die Spiegel 2 umlaufend zum Turm 4 des Kraftwerks 1 bzw. kreisförmig zur Längsachse des Receivers 5 angeordnet werden, um Sonnenstrahlung 3 einzufangen. Dies kann jedoch dazu führen, dass die Sonnenstrahlung 3 unterschiedlich stark auf die einzelnen Receivermodule 13 konzentriert wird, was dann durch eine gezielte Regelung der Receivermodule 13 ausgeglichen werden kann. Die Regelungseinrichtung 25 sorgt dabei dafür, dass einem Receivermodul 13 umso mehr Wasser 6 zugeführt wird, je größer die von dem Receivermodul 13 absorbierte Sonnenenergie ist. So wird erreicht, dass in den Modulsammlern 16 der verschiedenen Receivermodule 5 Dampf 8 mit wenigstens ähnlichem Druck und wenigstens ähnlicher Temperatur erzeugt und gesammelt der Dampfleitung 9 übergeben wird.
In der 6 ist ein alternatives Kraftwerk 30 dargestellt, das als Kombination eines Solarturmkraftwerks und eines konventionellen Kraftwerks ausgebildet ist. Der Teil des Kraftwerks 31, der als das Solarturmkraftwerk angesehen werden kann, ist analog zu dem in der 1 dargestellten Kraftwerk 1 ausgebildet, weshalb auch gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen tragen. Der Teil des Kraftwerks 32, der als konventionelles Kraftwerk angesehen werden kann, umfasst einen Speicherbehälter 33 zum Zwischenspeichern eines Brennstoffs 34 und eine Brennkammer 35 zum Verfeuern des Brennstoffs unter Bildung von Rauchgas 36. Das Rauchgas 36 strömt dann durch einen Dampferzeuger 37, der einen Überhitzer 38, einen Verdampfer 39 und eine Speisewasservorwärmung 40 umfasst, die vom Rauchgas 36 der Reihe nach durchströmt werden. Das Wasser 6 bzw. der Dampf 8 strömen im Gegenstrom dazu durch den Dampferzeuger 37. Der Dampf verlässt den Dampferzeuger 37 ebenso wie den Receiver 5 im überhitzten Zustand. Die beiden überhitzten Dampfströme aus dem Receiver 5 einerseits und dem Dampferzeuger 37 andererseits werden zusammengeführt und dann gemeinsam in eine Dampfturbine 10 geleitet, in der der Dampf 8 entspannt wird und einen Generator 12 zur Stromerzeugung antreibt. Der die Dampfturbine 10 verlassende Dampf wird kondensiert und wieder dem Receiver 5 und dem Dampferzeuger 37 zugeleitet. Das Verhältnis, in dem das Kondensat von der Dampfturbine 10 zum Receiver 5 und zum Dampferzeuger 37 geleitet wird, kann fest vorgegeben oder durch die Regeleinrichtung 25 geregelt werden. Nach Verlassen des Dampferzeugers 37 wird das abgekühlte Rauchgas 36 weiter zu einem Kamin 41 geleitet. Bedarfsweise kann das Rauchgas 36 noch vor dem Erreichen des Kamins 41 in einer bekannten Art und Weise, die daher nicht dargestellt ist, gereinigt werden, um das Rauchgas 36 vor dem Abgeben an die Umgebung über den Kamin 41 von Störstoffen zu entfrachten.
In der 7 ist ein alternatives Kraftwerk dargestellt, das dem in der 6 dargestellten Kraftwerk stark ähnelt, weshalb vorliegend auch nur auf die Abwandlung des Kraftwerks gemäß 7 eingegangen wird. Im Receiver 5 wird solarthermisch Wasser 6 verdampft und sodann mit dem im Verdampfer 39 des Dampferzeugers 37 mittels des Rauchgases 36 erzeugten Dampfs 8 zusammengeführt. Der Dampf 8 wird sodann gemeinsam einem Überhitzer 38 zugeführt, in dem der Dampf 8 durch einen Wärmetausch mit dem Rauchgas 36 überhitzt wird. Der überhitzte Dampf 8 wird dann, wie bereits beschrieben, gemeinsam in einer Dampfturbine 10 entspannt, wobei die Welle 11 der Dampfturbine 10 einen Generator 12 antreibt, der auf diese Weise Strom erzeugt und den Strom in ein Stromnetz einspeist.
Bezugszeichenliste

1: Kraftwerk
2: Spiegel
3: Sonnenstrahlung
4: Turm
5: Receiver
6: Wasser
7: Zuführleitung
8: Dampf
9: Dampfleitung
10: Dampfturbine
11: Welle
12: Generator
13: Receivermodul
14: Modulverteiler
15: Modulrohre
16: Modulsammler
17,18,19: Gruppen von Rohren
20,21,22: Linien
23: Pumpe
24: Regelventil
25: Regeleinrichtung
26: Sensor
30: Kraftwerk
31,32: Teile des Kraftwerks
33: Speicherbehälter
34: Brennstoff
35: Brennkammer
36: Rauchgas
37: Dampferzeuger
38: Überhitzer
39: Verdampfer
40: Speisewasservorwärmung
41: Kamin

Claims

Receiver (5) für ein Solarturmkraftwerk (1,30), mit wenigstens einem Receivermodul (13) zur Absorption von Sonnenenergie der über Spiegel (2) auf das Receivermodul (13) konzentrierten Sonnenstrahlung (3), mit einer Zuführleitung (7) zur Zuführung von im Receivermodul (13) zu verdampfendem Wasser (6) und mit einer Dampfleitung (9) zum Abführen von im Receivermodul (13) verdampftem Wasser (6), wobei das Receivermodul (13) einen mit der Zuführleitung (7) verbundenen Modulverteiler (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Receivermodul (13) einen mit der Dampfleitung (9) verbundenen und oberhalb des Modulverteilers (14) angeordneten Modulsammler (16) und eine Vielzahl von den Modulverteiler (14) und den Modulsammler (16) miteinander verbindender Modulrohre (15) umfasst und dass das Receivermodul (5) als Zwangsdurchlaufdampferzeuger ausgebildet ist.
Receiver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulrohre (15) wenigstens im Wesentlichen parallel zueinander und/oder wenigstens im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und dass, vorzugsweise, die Modulrohre (15) eine wenigstens im Wesentlichen geschlossene Absorberfläche zur Absorption von Sonnenenergie der über Spiegel (2) auf das Receivermodul (13) konzentrierten Sonnenstrahlung (3) bilden.
Receiver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführleitung (7) des wenigstens einen Receivermoduls (13) eine Pumpe (23) und/oder ein Regelventil (24) zur Einstellung des dem Modulverteiler (14) zugeführten Wassermengenstroms zugeordnet ist und dass, vorzugsweise, eine Regeleinrichtung (25) zur Regelung des dem wenigstens einen Receivermoduls (13) zugeführten Wassermengenstroms über die wenigstens eine Pumpe (23) und/oder das wenigstens eine Regelventil (24) anhand der Dampftemperatur im Modulsammler (16) und/oder der Dampfleitung (9) vorgesehen ist.
Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Modulrohr (15), insbesondere wenigstens einer Gruppe von Modulrohren (15) oder jedem Modulrohr (15), des wenigstens einen Receivermoduls (13) wenigstens ein Regelventil zur Einstellung des dem wenigstens einen Modulrohr (15) zugeführten Wassermengenstroms zugeordnet ist und dass, vorzugsweise, eine Regeleinrichtung zur Regelung des dem wenigstens einen Modulrohr (15) zugeführten Wassermengenstroms über das wenigstens eine Regelventil anhand der Dampftemperatur am Austritt des wenigstens einen Modulrohrs (15), im Modulsammler (16) und/oder der Dampfleitung (9) vorgesehen ist.
Receiver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Receivermodule (13) zu einer Receivermodulgruppe und/oder zu einem, vorzugsweise kreisförmig um eine zentrale und vertikale Längsachse laufenden, Receiver (5) zusammengefasst sind und dass, vorzugsweise, wenigstens eine Regeleinrichtung zur Regelung der den verschiedenen Receivermodulen (13) und/oder Receivermodulgruppen zugeführten Wassermengenströmen über die wenigstens eine Pumpe (23) und/oder das wenigstens eine Regelventil (24) anhand der Dampftemperaturen in den Modulsammlern (16) und/oder Dampfleitungen (9) der verschiedenen Receivermodulen (13) und/oder Receivermodulgruppen vorgesehen ist.
Kraftwerk (1,30) mit einem einen Receiver (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 tragenden Turm (4), mit einer Mehrzahl von Spiegeln (2) zur Konzentration von Sonnenstrahlung (3) auf den Modulrohren (15) des Receivers (5) und mit einer mit der Dampfleitung (9) verbundenen Dampfturbine (10) zum Entspannen des im Receiver (5) erzeugten Dampfs (8), vorzugsweise zur Stromerzeugung in einem Generator (12).
Kraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Brennkammer (35) zum Verbrennen von Brennstoff (34) unter Bildung von Rauchgas (36) und ein Dampferzeuger (37) zum Erzeugen von Dampf (8) durch Wärmetausch mit dem Rauchgas (36) vorgesehen sind und dass der im Receiver (5) und im Dampferzeuger (37) erzeugte Dampf (8) nacheinander und/oder gemeinsam in der Dampfturbine (10) entspannt wird.
Kraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger (37) einen Überhitzer (38) zum Erzeugen von überhitztem Dampf (8) durch Wärmetausch mit dem Rauchgas (36) aufweist und dass die wenigstens eine Dampfleitung (9) den Receiver (5) zum gemeinsamen Überhitzen des im Dampferzeuger (37) und im Receiver (5) erzeugten Dampfs (8) mit dem Überhitzer (38) verbunden ist.
Kraftwerk nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zur Verbindung der wenigstens einen Dampfleitung (9) des Receivers (5) und wenigstens einer Dampfleitung des Überhitzers (38) mit der Dampfturbine (10) zum gemeinsamen Entspannen des im Receiver (5) erzeugten Dampfs (8) und des im Überhitzer (38) überhitzten Dampfs (8) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb wenigstens eines Receivers (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, vorzugsweise zum Betrieb eines Kraftwerks (1,30) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, - bei dem wenigstens ein Receivermodul (13) die Sonnenenergie von der über Spiegel (2) auf die Modulrohre (15) des Receivermoduls (13) konzentrierten Sonnenstrahlung (3) absorbiert, - bei dem der Modulverteiler (14) des wenigstens einen Receivermoduls (13) über die Zuführleitung (7) zwangsweise mit einem Wassermengenstrom beaufschlagt wird, - bei dem der dem Modulverteiler (14) zugeführte Wassermengenstrom auf die Modulrohre (15) des Receivermoduls (13) verteilt und beim Durchströmen der Modulrohre (15) in Richtung des Modulsammlers (16) vollständig verdampft und/oder überhitzt wird und - bei dem der erzeugte und/oder überhitzte Dampf (8) über den Modulsammler (16) und die Dampfleitung (9) abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der erzeugte und/oder überhitzte Dampf (8) in einer Dampfturbine (10), vorzugsweise zur Stromerzeugung in einem Generator (12), entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 11, - bei dem ein Brennstoff (34) in einer Brennkammer (35) verbrannt wird, - bei dem Wasser (6) durch Wärmetausch mit dem bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas (36) in einem Verdampfer (39) eines Dampferzeugers (37) verdampft wird, - bei dem der Dampf (8) des Dampferzeugers (37) und der Dampf (8) des Receivers (5) durch Wärmetausch mit dem bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas (36) gemeinsam in einem Überhitzer (38) überhitzt wird und - bei dem der überhitzte Dampf (8) in einer Dampfturbine(10), vorzugsweise zur Stromerzeugung in einem Generator (12), entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 1, - bei dem ein Brennstoff (34) in einer Brennkammer (35) verbrannt wird, - bei dem durch Wärmetausch mit dem bei der Verbrennung gebildeten Rauchgas (36) in einem Dampferzeuger (37) Wasser (6) verdampft und/oder Dampf (8) überhitzt wird, - bei dem der Dampf (8) des Dampferzeugers (37) und der Dampf (8) des Receivers (5) gemeinsam in einer Dampfturbine (10), vorzugsweise zur Stromerzeugung in einem Generator (12), entspannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, - bei dem der dem Modulverteiler (14) des wenigstens einen Receivermoduls (13) und/oder der den Modulverteilern (14) der wenigstens einen Receivermodulgruppe zugeführte Wassermengenstrom anhand der Dampftemperatur im Modulsammler (16) und/oder der Dampfleitung (9) des wenigstens einen Receivermoduls (13) und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe geregelt wird und - bei dem, vorzugsweise, der zugeführte Wassermengenstrom über wenigstens eine dem wenigstens einen Receivermodul (13) und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe zugeordnete Pumpe (23) und/oder der zugeführte Wassermengenstrom über wenigstens ein dem wenigstens einen Receivermodul (13) und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe zugeordnetes Regelventil (24) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, - bei dem wenigstens einem Modulrohr (15), insbesondere wenigstens einer Gruppe von Modulrohren (15) oder jedem Modulrohr (15), des wenigstens einen Modulverteilers (14) des wenigstens einen Receivermoduls (13) zugeführte Wassermengenstrom anhand der Dampftemperatur am Austritt des wenigstens einen Modulrohrs (15), im Modulsammler (16) und/oder der Dampfleitung (9) des wenigstens einen Receivermoduls (13) und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe geregelt wird und - bei dem, vorzugsweise, der zugeführte Wassermengenstrom über wenigstens ein dem wenigstens einen Modulrohr (15), insbesondere wenigstens einer Gruppe von Modulrohren (15) oder jedem Modulrohr (15), des wenigstens einen Modulverteilers (14) des wenigstens einen Receivermoduls (13) zugeordnetes Regelventil geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der zugeführte Wassermengenstrom über wenigstens eine dem wenigstens einen Receivermodul (13) und/oder der wenigstens einen Receivermodulgruppe und/oder dem wenigstens einem Modulrohr (15), insbesondere wenigstens einer Gruppe von Modulrohren (15) oder jedem Modulrohr (15), zugeordnete Regeleinrichtung (25) geregelt wird.