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Die vorliegende Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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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/Dampf. 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. Eingefrorene Absorberrohre sind nur mit großem Aufwand auftaubar und durch die beim Phasenwechsel auftretende Volumenänderung 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. Die eingesetzten Salzschmelzen werden 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 energieaufwendig und somit kostspielig und führt zu einem verschlechterten Wirkungsgrad.
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Um den Energieaufwand und somit die Kosten für zusätzliches Beheizen so gering wie möglich zu halten, wurden solarthermische Kraftwerke geschaffen, bei denen am Abend die heißen Solarsalze aus den Absorberrohren in isolierte Speichertanks abgeleitet werden und am Morgen erneut in der Solarfeld gepumpt werden.
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Beim Füllprozess am Morgen müssen die Zuführ- und Rückleitungen zum Solarfeld sowie die Header und die Absorberrohre vorgewärmt werden, so dass es beim Einpumpen der Salzschmelze in die Rohre nicht zu einer Pfropfenbildung kommen kann. Die Zu- und Rückführleitungen zum Solarfeld sind mit einer Heizung ausgestattet, so dass diese vorgewärmt werden können. Die Absorberrohre können zum Beispiel solar vorgewärmt werden. Da bei hohen Temperaturen die Korrosionsanfälligkeit der Rohrleitungen stark ansteigt, werden üblicher Weise die Austrittsheaderleitungen und die Rückleitungen aus hochwertigem Edelstahl ausgeführt, was zu hohen Investitionskosten führt. Ferner werden insbesondere die Rückleitungen mit Ausgleichsbögen versehen, um thermische Ausdehnungen der Rohrleitungen zu kompensieren. Das gesamte Rohrleitungssystem der mit Salzschmelze betriebenen Kraftwerke ist in sich geschlossen, so dass kein Flüssigsalz trotz erhöhtem Pumpendruck das System verlassen kann.
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Da die Rückführleitungen druckbelastet sind, sind diese dickwandig ausgeführt, was zu einer weiteren Erhöhung des Materialaufwandes führt. Die Ausgleichsbögen, die zu einer Erhöhung der Rohrlänge um etwa 30 % führen, behindern darüber hinaus das Ablaufverhalten der Salzschmelze und führen zu einer Erhöhung des Druck- und Wärmeverlustes.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein mit Salzschmelze betriebenes solarthermisches Kraftwerk zu schaffen, bei dem die aufgrund der zuvor genannten Rohrleitungsführung verursachten Investitionskosten und Betriebskosten reduziert sind.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Bei dem erfindungsgemäßen solarthermischen 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 eine Rückführleitung die Salzschmelze von den Solarstrahlungsreceivern zu dem Speichertank leitet, ist vorgesehen, dass die Rückführleitung als drucklose Leitung mit einem Gefälle in Richtung des mindestens einen Speichertanks ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten: Die Rührführleitung besitzt eine Verbindung zur Umgebung, so dass ein Druckausgleich erfolgen kann. Da die Rückführleitung als drucklose Leitung ausgebildet ist, kann diese als dünnwandige Leitung ausgestaltet werden. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass auf eine Zusatzheizung der Rückführleitung weitestgehend verzichtet werden kann, da bei dem Befüllen des solarthermischen Kraftwerks am Morgen die dünnwandige Rückführleitung der heißen Salzschmelze nur minimal Wärme entziehen kann und somit es nur zu einer dünnschichtigen Gefrierung ohne Pfropfenbildung kommt. Durch das Gefälle der Rückführleitung wird darüber hinaus die Salzschmelze Schwerkraft bedingt rückgeführt. Druckverluste, wie sie bei herkömmlichen Austrittsheader- und Rückleitungen entstehen, können bei der drucklosen erfindungsgemäßen Rückführleitung nicht entstehen. Somit kann der Energieverbrauch der Pumpe für die Salzschmelze ebenfalls reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße Rückführleitung kann sowohl die Austrittsheaderleitung, die die aus den Absorberrohren fließende Salzschmelze sammelt als auch die Rückleitung von Austrittsheaderleitung zu dem Speichertank bilden.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Rückführleitung eine Rinnen- oder Kanalform aufweist. Mit anderen Worten: Die Leitung selbst ist nach oben offen, wodurch die drucklose Ausgestaltung in vorteilhafter Weise erreicht werden kann. Beispielsweise kann die Rückführleitung als dünnwandige Edelstahlrinne ausgebildet sein. Die Rinnen- oder Kanalform hat darüber hinaus den Vorteil, dass der Materialaufwand gegenüber einer Rohrleitung durch die nach oben offene Ausgestaltung weiter reduziert ist.
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Vorzugsweise weist die Rückführleitung ein Gefälle von mindestens 0,2 % auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rückführleitung aus mehreren Leitungsabschnitten besteht, wobei aneinander grenzende Enden zweier Leitungsabschnitte sich überlappend angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass eine thermische Ausdehnung der Rückführleitung in vorteilhafter Weise ausgeglichen werden können, indem die aneinander grenzenden Leitungsabschnitte bei thermischer Dehnung sich auf einfacher Art und Weise übereinander schieben können.
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Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass der in Gefällerichtung erste Leitungsabschnitt zur Bildung der Überlappung über dem nachfolgenden Leitungsabschnitt liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch die Leitungsabschnitte der Rückführleitung fließende Salzschmelze stets in die nachfolgenden Leitungsabschnitte gelangt. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Leitungsabschnitte über Lager gelagert sind, wobei die im Bereich aneinander grenzende Enden zweier Leitungsabschnitte das Lager eines der Leitungsabschnitte, vorzugsweise das Lager des in Gefällerichtung ersten Leitungsabschnitts, als Loslager und das Lager des anderen der Leitungsabschnitte als Festlager ausgebildet ist. Auf diese Weise sind die aufgrund thermischer Dehnung entstehenden relativen Bewegungen der Leitungsabschnitte in vorteilhafter Weise aufgleichbar. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist zur Vermeidung weiterer Ausgleichmittel vorzugsweise jeder Leitungsabschnitt zumindest durch ein Festlager und ein Loslager gelagert.
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Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rückführleitung aus sich überlappenden Leitungsabschnitten hat den besonderen Vorteil, dass weitere Ausgleichmittel, wie beispielsweise Ausgleichbögen, entfallen können. Dadurch kann die Rückführleitung deutlich kürzer ausgeführt werden, als bei dem Stand der Technik, wodurch die Materialinstallationskosten sowie die Wärmeverluste gering gehalten werden können. Durch die erfindungsgemäße Rückführleitung wird darüber hinaus ein leichtes Ablaufen der Salzschmelze bei dem abendlichen Entleeren ermöglicht.
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Die Leitungsabschnitte können beispielsweise eine Länge zwischen 50 und 100 Metern aufweisen. Eine derartige Länge hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Rückführleitung durch eine Isolierung umgeben ist.
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Die Isolierung kann beispielsweise eine Hochtemperaturisoliermatte aufweisen, die an der Rückführleitung anliegt. Eine derartige Isoliermatte ist für die Isolierung der während des Betriebs hohe Temperatur aufweisenden Rückführleitung besonders vorteilhaft.
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Ferner kann die Isolierung zusätzlich oder alternativ eine Schaumglasschicht aufweisen, die die Rückführleitung oder die Hochtemperaturmatte umgibt.
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Bei einer Ausgestaltung der Rückführleitung in eine Rinnen- oder Kanalform kann vorgesehen sein, dass die Isolierung einen Deckel bildet, dadurch wird der Zugriff auf die heiße Salzschmelze verhindert und gleichzeitig Wärmeverluste reduziert. Der Deckel kann beispielsweise aus einer Schaumglasschicht bestehen, die an die Apertur der Rinne angepasst ist.
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Die Isolierung kann auch eine die Rückführleitung umgebende Steinwollschicht aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Isolierung von einer Schutzschicht, vorzugsweise einem Aluminiumblech, umgeben ist. Die Schutzschicht schützt die Isolierung vor Umwelteinflüssen.
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Die Isolierung bei dem solarthermischen Kraftwerk besteht vorzugsweise zunächst aus einer Hochtemperaturisoliermatte, die von einer Schaumglasschicht, die auch den Deckel für die rinnenförmige Rückführleitung bildet umgeben ist. Um die Schaumglasschicht ist eine Steinwollisolierung angeordnet. Die Steinwollisolierung ist wiederum durch eine Schutzschicht in Form eines Aluminiumblechs umgeben. Eine derartige Isolierung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Der mindestens eine Speichertank für die Salzschmelze kann beispielsweise unterirdisch angeordnet sein. Dadurch wird die für die Bildung eines Gefälles notwendige Höhe zumindest einige der Reflektorvorrichtungen reduziert. Auch ist es möglich, dass mehrere Speichertanks vorgesehen sind, wobei die Rückführleitung in einen ersten als Sammeltank ausgebildeten Speichertank mündet und die Salzschmelze über eine Fördervorrichtung in mindestens einen zweiten Speichertank gefördert wird. Der erste Speichertank ist dabei vorzugsweise wesentlich kleiner als der zweite Speichertank. Der erste Speichertank kann unterirdisch angeordnet sein. Der zweite Speichertank kann überirdisch angeordnet sein. Die Fördervorrichtung kann beispielsweise eine Pumpe sein.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Rückführleitung mit Isolierung und
- 3 eine schematische Detaildarstellung zweier sich überlappender Leitungsabschnitte der erfindungsgemäßen Rückführleitung.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes solarthermisches Kraftwerk 1 schematisch dargestellt. Das solarthermische Kraftwerk 1 weist mehrere Solarstrahlungsreceiver 3 mit jeweils einer Reflektorvorrichtung 5 und einem Absorberrohr 7 auf. An das Absorberrohr 7 angeschlossen sind jeweils Austrittsrohre 9. Das solarthermische Kraftwerk ist mit einer Salzschmelze 6 als Wärmeträgermedium betrieben. Im Betrieb fließt die Salzschmelze durch die Solarstrahlungsreceiver 3 und wird mittels der von den Reflektorvorrichtungen 5 auf die Absorberrohre 7 reflektierten Solarstrahlung erhitzt. Die Salzschmelze fließt durch die Austrittsrohre 9 in eine Rückführleitung 11. Die Rückführleitung 11 ist als drucklose Leitung mit einem Gefälle in Richtung eines Speichertanks 12 für die Salzschmelze angeordnet. Der Speichertank 12 ist vorzugsweise unterirdisch angeordnet. Grundsätzlich können auch mehrere Speichertanks vorgesehen sein, wobei ein erster, kleinerer Speichertank, in dem die Rückführleitung 11 mündet, unterirdisch vorgesehen ist und ein zweiter, größerer Speichertank überirdisch angeordnet ist. Die Salzschmelze wird aus dem Sammeltank über eine Pumpe in den zweiten Speichertank gepumpt.
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Die Rückführleitung ist als drucklose Leitung mit mehreren Leitungsabschnitten 13 ausgeführt. Die Rückführleitung 11 ist über Halterungen 15 abgestützt. Die Rückführleitung bildet sowohl die sogenannten Austrittsheaderleitungen, aus denen die Salzschmelze 6 der Austrittsrohre 9 fließt, so dass die Salzschmelze 6 gesammelt wird, als auch die weitere Rückleitung zu dem Speichertank 12.
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Die erfindungsgemäße Rückführleitung 11 weist vorzugsweise eine Rinnenform auf und ist von einer Isolierung 17 umgeben, wie in 2 gezeigt ist. Die Rückführleitung 11 besteht beispielsweise aus einer Edelstahlrinne 11a, die an ihrer Unterseite mit einer Hochtemperaturisoliermatte 19 versehen ist. Um die Hochtemperaturisoliermatte 19 ist eine Schaumglasschicht 21 angeordnet. Die Schaumglasschicht 21(bildet) ferner einen Deckel 21a, der die nach oben offene Apertur der Edelstahlrinne 11a abdeckt. Um die Schaumglasschicht 21 und den Deckel 21a ist eine Steinwollschicht 23 angeordnet. Die Steinwollschicht 23 ist wiederum durch eine Schutzschicht 25 beispielsweise ein Aluminiumblech, umgeben. Eine derartige Isolierung 17 reduziert in vorteilhafter Weise die Wärmeverluste und verhindert ferner Umwelteinflüsse auf die in der Edelstahlrinne 11a fließende Salzschmelze 6.
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In 3 sind zwei aneinander grenzende Leitungsabschnitte 13 der erfindungsgemäßen Rückführleitung 11 schematisch dargestellt. Es ist ein in Gefällerichtung oberer Leitungsabschnitt 13a und ein in Gefällerichtung untere Leitungsabschnitt 13b gezeigt. Die aneinander grenzenden Enden der Leitungsabschnitte 13a,13b sind überlappend zueinander angeordnet. Dabei liegt der in Gefällerichtung oberer Leitungsabschnitt 13a oberhalb des in Gefällerichtung unteren Leitungsabschnitt 13b, so dass Salzschmelze 6 in vorteilhafter Weise in den unteren Leitungsabschnitt 13b fließen kann. Durch die überlappende Anordnung ist eine thermische Dehnung in vorteilhafter Weise ausgleichbar. Hierzu weist der obere Leitungsabschnitt 13a im Bereich der aneinander grenzenden Enden der beiden Leitungsabschnitte 13a,13b ein Loslager 27 auf, das beispielsweise durch die Halterung 15 gebildet sein kann. Der untere Leitungsabschnitt 13b weist im Bereich der aneinander grenzenden Enden ein Festlager 29 auf, das ebenfalls durch eine Halterung 15 gebildet sein kann. Durch eine derartige Anordnung ist eine thermische Ausdehnung des oberen Leitungsabschnitts 13a möglich. Für eine thermische Ausdehnung des unteren Leitungsabschnitts 13b weist dieses vorzugsweise an dem nicht dargestellten Ende ebenfalls ein Loslager auf. Durch eine derartige Konstruktion sind die thermischen Ausdehnungen der Leitungsabschnitte 13 in vorteilhafter Weise ausgleichbar, wobei die Länge der erfindungsgemäßen Rückführleitung 11 im Vergleich zum Stand der Technik kurz gehalten werden kann.
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Die Leitungsabschnitte 13 können beispielsweise eine Länge zwischen 50 und 80 Meter aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion der Rückführleitung 11 ermöglicht darüber hinaus, eine dünnwandige Ausführung beispielsweise in Form der Edelstahlrinne 11a. Dadurch kann auf Zusatzheizungen verzichtet werden, da die dünnwandige Edelstahlrinne bei einem morgendlichen Befüllen des solarthermischen Kraftwerks mit Salzschmelze nur einen geringen Wärmeentzug der Salzschmelze hervorrufen würde, so dass es nicht zu einer Pfropfenbildung kommt. Die erfindungsgemäße Rückführleitung ermöglicht somit neben der Verringerung des Materialaufwands und somit der Investitionskosten auch eine Verringerung des Energieaufwandes bei dem Befüllen des solarthermischen Kraftwerks, da die erfindungsgemäßen Rückführleitungen 11 nicht beheizt werden müssen.
