DE19651645C2 - Verfahren zur Nutzung von Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk und Gas- und Dampf-Kraftwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk, welches zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit einen Gasturbinenkreis und einen Dampfturbinenkreis umfaßt, bei welchem im Gasturbinenkreis ein verdichtetes und erhitztes gas­ förmiges Wärmeträgermedium einer Gasturbine zugeführt wird und Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, welcher in dem Dampfturbinenkreis einer Dampfturbine zugeführt wird, wobei das Wärme­ trägermedium im Gasturbinenkreis zur Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung durch eine Solarkollektoranlage geführt wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Gas- und Dampf-Kraftwerk zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit, welche insbesondere zur Erzeu­ gung elektrischen Stroms genutzt wird, welches eine Solarkollektoranlage zur Bereitstellung thermischer Energie und einen Gasturbinenkreis und einen Dampfturbinenkreis umfaßt, wobei im Gasturbinenkreis eine Brennkammer angeordnet ist und ein verdichtetes und erhitztes gasförmiges Wärmeträger­ medium einer Gasturbine zugeführt wird und wobei Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, welcher im Dampfturbinen kreis einer Dampfturbine zugeführt wird, und die Solarkollektoranlage, durch welche das gasförmige Wärmeträgermedium zur Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung geführt ist, im Gasturbinenkreis angeordnet ist.

Aus der DE 28 33 890 A1 ist ein Solarkraftwerk mit einem Gasturbinenkreislauf bekannt, bei welchem eine Brennkammer doppelwandig ausgeführt ist und eine Ventilanordnung zur Abschaltung eines Solarerhitzers Außenraum und Innenraum der Brennkammer miteinander verbindet.

Aus der DE 43 31 784 A1 ist ein Rillenkollektor für Solar­ strahlung ohne Bezug auf ein Gas- und Dampf-Kraftwerk bekannt.

Aus dem Artikel "Gas Turbines with Heat Exchanger and Water Injection in the Compressed Air" von N. Gasparovic und J. G. Hellemans in COMBUSTION, Band 4, Dezember 1972, Seiten 32-39 ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher Wasser dadurch in einen Gasturbinenkreislauf eingebracht wird, daß dieses in verdichtete Luft zwischen einem Verdichter und Wärmetauscher einer Gasturbinenanlage eingespritzt wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung wie oben genannt sind aus der US 5,417,052 bekannt.

Bei der aus der Druckschrift "Solar Powered Combined Cycle Plant" von K. Künstle, A. Lezuo und K. Reiter (Power-GEN Europe '94, Köln, 17.-19. Mai 1994) bekannten Vorrichtung zur Nutzung der Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk wirkt die Solarkollektoranlage als Dampferzeuger und die Dampfturbine wird dadurch mit zusätzlichem Dämpf versorgt, welcher mittels Solarstrahlung erzeugt wird.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß durch eine parallele Erzeugung von Dampf in zwei getrennten Dampferzeugern hohe Anforderungen an die Gesamtregelung des Kraftwerks gestellt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nutzung von Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk zu schaffen, welches einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit bei optimaler Nutzung der solaren Energie aufweist.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Solarkollektoranlage Rinnenkollektoren aufweist, daß die Rinnenkollektoren parallel angeordnet sind und daß das Wärmeträger­ medium zur Durchströmung einer Mehrzahl von Rinnenkollektoren aufgeteilt wird.

Durch das erfindungsgemäße Konzept braucht nur ein einziger mit der Gasturbine verbundener Dampferzeuger vorgesehen werden. Da eine Gasturbine einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit auf­ weist als eine Dampfturbine, wobei der Wirkungsgrad bei einer Gasturbine beispielsweise in der Größenordnung von ca. 50% liegen kann, läßt sich die Solarenergie im Gasturbinenkreis besser nutzen als im Dampfturbinenkreis. Da Dampfturbinen einen Wirkungsgrad von größenordnungsmäßig nur 30% bis 35% aufweisen, kann Solarenergie in eine Vorrichtung, bei der Wasser mittels Solarstrahlung direkt verdampft und der Dampf dann der Dampfturbine zugeführt wird, nicht optimal genutzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gestaltet sich außerdem die Regelung einfach, da die wesentliche Steuergröße die Tem­ peratur des Wärmeträgermediums beim Austritt aus der Solar­ kollektoranlage ist und eine entsprechende Zuführung von weiterer thermischer Energie zum solar erhitzten Wärmeträger­ medium, um eine optimale Wirkungsgradnutzung der Gasturbine zu erreichen, aufgrund der ohnehin notwendigen und leicht steuerbaren Brennkammer in Abhängigkeit von dieser Austritts­ temperatur einfach gesteuert werden kann. Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung muß dagegen der mittels Abgasen der Gasturbine erzeugte Dampf und der durch die Solarkollektoranlage erzeugte Dampf so geregelt werden, daß die Dampfturbine den erforderlichen Massestrom an Dampf erhält, wozu ein kompliziertes Regelungskonzept erforderlich ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist sichergestellt, daß bei der Strömung des Wärmeträgermediums durch die Solar­ kollektoranlage es sich um eine Einphasenströmung handelt. Diese bewirkt insbesondere einen guten Wärmeübergang in Führungsrohren der Solarkollektoranlage auf das Wärmeträger­ medium. Die Strömungsverhältnisse sind weniger komplex als bei einer Zweiphasenströmung. Bei der aus dem Stand der Tech­ nik bekannten Vorrichtung dagegen muß der Solarkollektor­ anlage Wasser zugeführt werden, welches dort verdampft, so daß in der Solarkollektoranlage eine komplexe Zweiphasen­ strömung aus flüssigem Wasser und verdampftem Wasser vor­ liegt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiter vorteilhaft, daß bei konstanter Leistungsabgabe die Komponenten der Anlage im Gasturbinenkreis und im Dampfturbinenkreis gleich stark ausgelastet werden, so daß keine Teillastverluste auftreten. Dies gilt unabhängig davon, welche Anteile an thermischer Energie dem in die Gasturbine einströmenden Wärmeträgermedium mittels Solarstrahlung und mittels Wärmezufuhr in der Brenn­ kammer zugeführt werden. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung, bei der die Zuführung thermischer Energie mittels Solarstrahlung und die Zuführung thermischer Energie in einer Brennkammer parallel erfolgt, da zwei unab­ hängige Quellen zur Erzeugung von Dampf vorgesehen sind, läuft dagegen immer, wenn die Gesamtleistung des Kraftwerks bei allen Einstrahlbedingungen konstant bleiben soll, ent­ weder die Gasturbine oder die Dampfturbine in einem Teillast­ bereich. Dies führt zu Einbußen beim Wirkungsgrad, insbeson­ dere wenn die Gasturbine im Teillastbetrieb läuft.

Der Dampfturbinenkreis eines Gas- und Dampf-Kraftwerks stellt einen kostenbestimmenden Faktor der Anlage dar. Durch die Anordnung der Solarkollektoranlage in dem Gasturbinenkreis lassen sich bei Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades die Kosten verringern, da im Gegensatz zu einem Gas- und Dampf- Kraftwerk mit Direktverdampfung die Komponenten des Dampf­ turbinenkreises nicht größer dimensioniert werden müssen als für ein konventionelles (die Solarenergie nicht nutzendes) Kraftwerk der gleichen Leistungsklasse.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treten keine Probleme mit zusätzlicher Abwärme auf. Üblicherweise werden Solarkollek­ toranlagen in Gebieten mit hoher Umgebungstemperatur einge­ setzt. Bei Dampf-Kraftwerken bzw. beim Dampfkreis eines Gas- und Dampf-Kraftwerks führt dies zu Problemen bezüglich der Abgabe von Wärme in einem Kondensator. Durch Erhöhung der Dampfmenge, wie sie bei der aus dem Stand der Technik be­ kannten Vorrichtung durch die Direktverdampfung von Wasser in einer Solarkollektoranlage vorgesehen ist, ist eine größere Wärmemenge in dem Kondensator abzuführen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen die Dampfmenge gegenüber einem konventionellen, die Solarenergie nicht direkt nutzenden Dampfturbinenkreis, nicht erhöht.

Durch Führung des Wärmeträgermediums im Gasturbinenkreis zur Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung durch eine Solarkollektoranlage kann das Wärmeträgermedium eine große Menge an thermischer Energie auf­ nehmen.

Erfindungsgemäß weist die Solarkollektoranlage Rinnenkollektoren auf. Damit kann auf eine erprobte Technologie zurückgegriffen werden. Insbesondere weisen Rinnenkollektoren, beispielsweise gegenüber Turm-Receivern, niedrige flächenspezifische Energiedichten auf, so daß geringere Materialanforderungen vorhanden sind, die eine kostengünstige Nutzung der Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk erlauben.

Wenn die Rinnenkollektoren parallel angeordnet sind, wobei das Wärme­ trägermedium zur Durchströmung einer Mehrzahl von Rinnenkollektoren auf­ teilbar ist, sind Wartungs- und Reparaturarbeiten an Teilabschnitten des Solarfelds möglich, ohne daß damit die gesamte Solarkollektoranlage abge­ schaltet werden muß. Auch ist dadurch eine Aufteilung des Volumenstroms an Wärmeträger­ medium durch die Solarkollektoranlage erreichbar, so daß ins­ besondere durch einzelne Rinnenkollektoren Volumenströme in einem weiteren Wertebereich ermöglicht sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Wärmeträgermedium nach der Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung in eine Brennkammer zur Aufnahme weiterer thermischer Energie geführt wird. Dadurch kann das Wärmeträgermedium in einem ersten Schritt thermische Energie mittels Solarstrahlung auf­ nehmen und in einem zweiten Schritt eine solche Menge an thermischer Energie zugeführt werden, daß das der Gasturbine zugeführt Wärmeträgermedium eine solche Temperatur aufweist, bei der die Gasturbine mit optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Vorteilhafterweise wird das Wärmeträgermedium vor der Auf­ nahme thermischer Energie verdichtet, so daß der Druck und die Temperatur des Wärmeträgermediums erhöht wird.

In einer besonders günstigen Variante einer Ausführungsform wird vor der Aufnahme thermischer Energie mittels Solar­ strahlung durch das gasförmige Wärmeträgermedium in ein ver­ dichtetes Wärmeträgergas Wasser eingespritzt. Das ein­ gespritzte Wasser verdampft dabei und durch die Verdampfung kühlt sich das Wärmeträgermedium, das durch das Wärmeträger­ gas und das verdampfte Wasser gebildet ist, ab. Bei der Strö­ mung dieses Wärmeträgermediums handelt es sich dabei um eine Einphasenströmung, da das verdampfte Wasser gasförmig vor­ liegt.

Dieses abgekühlte Wärmeträgermedium kann dann eine größere Menge an thermischer Energie in der Solarkollektoranlage auf­ nehmen. Dadurch läßt sich insbesondere der solare Anteil an der thermischen Energiezufuhr zu dem Wärmeträgermedium, welches die Gasturbine betreibt, erhöhen, wenn die Solar­ kollektoranlage Rinnenkollektoren aufweist, da die Tempe­ raturen, bei denen Rinnenkollektoren eingesetzt werden können, nach oben beschränkt sind.

Der überhitzte Wasserdampf erhöht dabei auch den Wärmeüber­ gang von Führungsrohren der Rinnenkollektoren der Solar­ kollektoranlage auf das Wärmeträgermedium. Der Massestrom des eingespritzten Wassers liegt dabei bei 5% bis 25% und vor­ zugsweise bei 10% bis 15% des Massestroms des verdichteten Wärmeträgergases.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird die Einspritzung von Wasser in das Wärmeträgergas in Abhängigkeit von einer Umgebungstempe­ ratur gesteuert. Durch die Einspritzung von Wasser wird der Massestrom des der Gasturbine zugeführten Wärmeträgermediums erhöht. Bei Steigen der Umgebungstemperatur nimmt ein spezi­ fisches Volumen des durch einen Verdichter verdichteten Wärmeträgergases zu. Da bei einer Gasturbine der Volumenstrom im wesentlichen konstant bleibt, nimmt daher der Massestrom an Wärmeträgermedium durch steigende Umgebungstemperatur ab. Dadurch kann sich der Wirkungsgrad der Gasturbine ver­ schlechtern, da diese nicht mehr mit einem optimalen Masse­ strom betrieben wird. Durch das Einspritzen von Wasser und damit Erhöhung des der Turbine zugeführten Massestroms kann dieser Effekt kompensiert werden und die Leistung des er­ findungsgemäßen Gas- und Dampf-Kraftwerks auch bei Schwan­ kungen der Umgebungstemperatur konstant gehalten werden. Dazu wird günstigerweise die Einspritzung von Wasser in Abhängig­ keit von der Umgebungstemperatur so gesteuert, daß der der Gasturbine zugeführte Massestrom im wesentlichen konstant ist.

Bisher wurde keine Aussagen gemacht, wie die Brennkammer im Gasturbinenkreis betrieben wird. Vorteilhafterweise wird ein Betrieb der Brennkammer so gesteuert, daß in der Brennkammer aufgeheiztes und von der Brennkammer der Gasturbine zuge­ führtes Wärmeträgermedium eine Solltemperatur aufweist. Die Solltemperatur ist dabei durch die Ausführungsform der Gasturbine spezifiziert. Durch eine Regelung der Solltempe­ ratur läßt sich die Gasturbine mit optimalem Wirkungsgrad betreiben.

Zur Steuerung der Brennkammer und zur Regelung der Solltem­ peratur wird die Temperatur des mittels Solarstrahlung erhitzten Wärmeträgermediums durch einen ersten Temperatur­ fühler ermittelt. Ein zweiter Temperaturfühler ermittelt die Temperatur des der Gasturbine zugeführten Wärmeträgermediums zur Überwachung der Solltemperatur.

Eine Heizleistung der Brennkammer wird über die Temperatur des mittels Solarstrahlung erhitzten Wärmeträgermediums so gesteuert, daß dem Wärmeträgermedium diejenige thermische Energie zugeführt wird, welche es auf die Solltemperatur auf­ heizt, welche mittels des zweiten Temperaturfühlers überwacht wird. Dadurch wird einerseits erreicht, daß ein hoher Anteil an thermischer Energie, der größenordnungsmäßig 30% betragen kann, in dem der Gasturbine zugeführten Wärmeträgermedium mittels Solarstrahlung erzeugt wird. Andererseits ist erreicht, daß die Gasturbine mit einer zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades optimalen Solltemperatur betrieben wird. Die Regelung dieser Solltemperatur gestaltet sich auf ein­ fache Weise, da im wesentlichen nur die Temperatur des aus der Solarkollektoranlage in die Brennkammer strömenden Wärme­ trägermediums ermittelt werden muß, um die Gasturbine optimal zu betreiben.

In einer günstigen Variante einer Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, daß das Wärme­ trägermedium, welches zur Erhitzung mittels Solarstrahlung in einem oder mehreren Führungsrohren geführt wird, unter einem Druck im Bereich zwischen etwa 15 bar bis etwa 35 bar steht. Führungsrohre, die für solch einen Druckbereich ausgelegt sind, lassen sich kostengünstig herstellen.

Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß als Wärmeträgergas Luft verwendet wird.

In einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist ein Bypass vorge­ sehen, mittels dem das Wärmeträgermedium unter Umgehung der Solar­ kollektoranlage in die Brennkammer geführt werden kann. Dadurch kann das Wärmeträgermedium bei größeren Wartungs- oder Reparaturarbeiten sowie bei ungünstigen Wetterbedingungen direkt in die Brennkammer geführt werden, so daß insbesondere keine Druckverluste durch eine lange Rohr­ führung auftreten.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Gas- und Dampf-Kraftwerk zu schaffen, welches einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit bei optimaler Nutzung der solaren Energie aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Gas- und Dampf-Kraftwerk gemäß den Merk­ malen nach dem Oberbegriff von Anspruch 15 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Solarkollektoranlage Rinnenkollektoren aufweist und daß die Rinnenkollektoren parallel angeordnet sind, so daß das Wärmeträgermedium in der Solarkollektoranlage auf eine Mehrzahl von Rinnenkollektoren aufteilbar ist.

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diskutierten Vorteile auf.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegen­ stand der Ansprüche 16 bis 28, deren Vorteile bereits im Zusammenhang mit dem bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Ansprüchen 2 bis 14 erläutert wurden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gas- und Dampf-Kraftwerks in schematischer Darstellung.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gas- und Dampf-Kraft­ werks, welches in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt einen Gasturbinenkreis 12 und ein Dampfturbinenkreis 14.

Der Gasturbinenkreis 12 umfaßt eine Gasturbine 16, welche einen Verdichter 18 zur Verdichtung eines Wärmeträgergases, insbesondere Luft, antreibt. Bei der Gasturbine 16 kann es sich beispielsweise um eine Einwellen-Gasturbine handeln, bei der die Turbine gleichzeitig den Verdichter antreibt.

In den Verdichter 18 mündet eine Leitung 20, mittels der dem Verdichter 18 Wärmeträgergas zuführbar ist. Von einer Aus­ gangsseite des Verdichters 18 führt eine weitere Leitung 22 in eine Vorrichtung 24 zum Einspritzen von Wasser, mittels der Wasser in den in der Leitung 22 geführten Strom von Wärmeträgergas eingespritzt werden kann, wodurch als gas­ förmiges Wärmeträgermedium ein Gemisch aus überhitztem Wasserdampf und Wärmeträgergas gebildet wird.

Die Vorrichtung 24 zum Einspritzen von Wasser weist einen Wasseranschluß 26 auf, der mit einem Wasserreservoir (in der Figur nicht gezeigt) verbunden ist. Von einer Ausgangsseite der Vorrichtung 24 zum Einspritzen von Wasser führt eine weitere Leitung 28 in einen Eingang eines Dreiwegeventils 30.

Von einem ersten Ausgang des Dreiwegeventils 30 führt eine weitere Leitung 32 zu einem Verteiler 34.

Durch diesen Verteiler 34 ist der Strom des gasförmigen Wärmeträgermediums auf mehrere Leitungen 36, welche insbeson­ dere parallel angeordnet sind, aufteilbar. Mittels dieser Leitungen 36 wird das gasförmige Wärmeträgermedium durch eine Solarkollektoranlage, welche in Figur als Ganzes mit 38 bezeichnet ist, geführt.

Die Solarkollektoranlage 38 umfaßt eine Vielzahl von Rinnen­ kollektoren 40, bei denen es sich insbesondere um Parabol- Rinnenkollektoren handelt. Die einzelnen Rinnenkollektoren sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet, so daß das die solare Strahlungsenergie sammelnde Solarfeld eine große Fläche aufweist.

Erfindungsgemäß ist es dabei insbesondere vorgesehen, daß Rinnenkollektoren eingesetzt werden, wie sie in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e. V. mit dem Akten­ zeichen 19608 138.6-15 beschrieben sind. Auf den Inhalt dieser Patentanmeldung wird hiermit ausdrücklich Bezug ge­ nommen.

Bei diesen Rinnenkollektoren, welche einen sich in Längs­ richtung erstreckenden Rinnenspiegel umfassen, welcher die Strahlung in einen Fokusbereich reflektiert, und einen sich in Längsrichtung durch den Fokusbereich des Rinnenspiegels hindurch erstreckenden Absorberstrang, welcher ein Führungs­ rohr für das Wärmeträgermedium und ein das Führungsrohr um­ gebendes Absorberrohr aufweist, so daß zwischen Führungsrohr und Absorberrohr ein Ringraum gebildet ist, strömt im Ring­ raum ein Ringspaltmedium, welches das Führungsrohr thermisch an das Absorberrohr koppelt.

Alternativ oder ergänzend dazu kann es erfindungsgemäß vorge­ sehen sein, daß Rinnenkollektoren, wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 31 784 A1, auf die hiermit aus­ drücklich Bezug genommen wird, zum Einsatz kommen. Bei diesen Rinnenkollektoren ist das Führungsrohr über eine Heatpipe mit dem Absorberrohr thermisch gekoppelt.

Durch den Verteiler 34 wird der Strom des gasförmigen Wärme­ trägermediums auf die einzelnen Rinnenkollektoren 40 aufge­ teilt, wobei das innerhalb eines einzelnen Rinnenkollektors 40 strömende Wärmeträgermedium in Führungsrohren 42 geführt wird.

Das durch die einzelnen Rinnenkollektoren 40 geführte und dort erhitzte Wärmeträgermedium wird in einer Sammelleitung 44 gesammelt und mittels einer weiteren Leitung 46 einem ersten Eingang eines weiteren Dreiwegeventils 48 zugeführt. Der zweite Eingang dieses Dreiwegeventils 48 ist mit einem zweiten Ausgang des ersten Dreiwegeventils 30 verbunden über eine Leitung 50. Ein Ausgang des Dreiwegeventils 48 führt mittels einer Leitung 52 in eine Brennkammer 54.

Durch die Dreiwegeventile 30 und 48 und die Leitung 50 ist ein Bypass 56 gebildet, mittels dem gasförmiges Wärmeträger­ medium oder, wenn keine Wassereinspritzung vorgenommen wird, Wärmeträgergas direkt aus der Leitung 28 in die Brennkammer 54 unter Umgehung der Solarkollektoranlage 38 führbar ist.

Die Brennkammer 54 wird durch fossile Brennstoffe insbeson­ dere Erdgas, Erdöl oder Kohle betrieben. Dazu ist eine Brenn­ stoffzuführung 58 zur Brennkammer 54 vorgesehen.

Von einem Ausgang der Brennkammer 54 führt eine Leitung 60 das in der Brennkammer 54 weiter erhitzte gasförmige Wärme­ trägermedium zur Gasturbine 16.

In der Leitung 52 ist ein Temperaturfühler 62 angeordnet, welcher die Temperatur des in die Brennkammer 54 einströmen­ den gasförmigen Wärmeträgermediums ermittelt. Durch den Temperaturfühler 62 läßt sich dadurch insbesondere die Tempe­ ratur ermitteln, auf welche das Wärmeträgermedium beim Durch­ laufen der Solarkollektoranlage 38 aufgeheizt wurde.

In der Leitung 60 ist ein zweiter Temperaturfühler 64 ange­ ordnet, der die Temperatur des in der Brennkammer 54 aufge­ heizten und der Gasturbine 16 zuströmenden Wärmeträgermediums ermittelt.

Die Brennkammer 54 weist eine Steuerungs- und Regelungsein­ heit 61 auf, welche den Betrieb der Brennkammer und insbeson­ dere die Brennstoffzufuhr mittels der Brennstoffzuführung 58 steuert. Die Steuerungs- und Regelungseinheit 61 ist mit dem ersten Temperaturfühler 62 und dem zweiten Temperaturfühler 64 verbunden, so daß sie deren Signale registrieren und ver­ arbeiten kann.

In der Gasturbine 16 wird die thermische Energie des in sie strömenden gasförmigen Wärmeträgermediums in mechanische Arbeit umgewandelt. Die mechanische Arbeit wird durch die Rotation einer Antriebswelle 66 der Gasturbine 16 abgegeben.

Die Antriebswelle kann in Verbindung mit einem Generator 68 zur Umwandlung der mechanischen Arbeit in elektrische Energie stehen. Vorzugsweise wird durch einen Teil der mechanischen Arbeit der Gasturbine 16 auch der Verdichter 18 zur Ver­ dichtung des Wärmeträgermediums angetrieben.

Abgase der Gasturbine 16 werden von dieser mittels einer Ab­ gasleitung 70 einem Abhitzekessel 72, welcher in dem Dampf­ turbinenkreis 14 angeordnet ist, zugeführt. Der Abhitzekessel 72 wirkt als Wärmetauscher zwischen den Abgasen der Gas­ turbine 16 und Wasser in dem Dampfturbinenkreis 14, um Dampf zu erzeugen, welcher einer Dampfturbine 74 zugeführt wird.

Dazu wird mittels einer Leitung 76 flüssiges Wasser in den Abhitzekessel 72 geführt. Die Gasströmung in dem Abhitze­ kessel ist so geführt, daß sie ein Verdampfen des Wassers bewirkt. Mittels eines Austritts 78 wird das Wärmeträger­ medium, welches zur Dampferzeugung beigetragen hat, aus dem Abhitzekessel 72 abgeführt. Dieses Austrittsgas wird bei­ spielsweise durch einen Schornstein (in der Figur nicht ge­ zeigt) abgeführt. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Rest­ wärme, welche die restliche fühlbare und die latente Wärme umfaßt, dieses Austrittsgases in einer Restwärmetauschvor­ richtung genutzt wird.

Der in dem Abhitzekessel 72 erzeugte Dampf wird mittels einer Leitung 80 der Dampfturbine 74 zugeführt, in der thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Die Dampf­ turbine 74 ist über eine Welle 82 beispielsweise mit einem Generator 84 zur Erzeugung von elektrischem Strom verbunden.

Von der Dampfturbine 74 führt eine Leitung 86 zu einem Ent­ gaser 88. Der Entgaser 88 dient dazu, Dampf zu entfernen, so daß dem Abhitzekessel 72 nur flüssiges Wasser zuströmt. Der Entgaser 88 ist mittels einer Leitung 90 mit einer Eingangs­ seite einer Pumpe 92 verbunden, deren Ausgangsseite mit der Leitung 76, welche in den Abhitzekessel 72 führt, verbunden ist. Die Pumpe 92 sorgt für die Aufrechterhaltung des Strömungskreislaufes im Dampfturbinenkreis 14.

Die Dampfturbine ist über eine Leitung 94 mit einem Konden­ sator 96 verbunden. In diesem kondensiert Dampf zu Wasser. Die dabei entstehende Wärme wird mittels einer Leitung 98 durch ein Wärmetauschmedium abgeführt. Von einer Ausgangs­ seite des Kondensators führt eine Leitung 100 in eine Ein­ gangsseite einer Kondensatpumpe 102 und von einer Ausgangs­ seite der Kondensatpumpe 102 führt eine Leitung 104 zum Ent­ gaser 88. Die Kondensatpumpe 102 sorgt dafür, daß im Konden­ sator 96 kondensiertes Wasser in den Dampfturbinenkreis 14 zurückgeführt wird. Durch eine Einführung dieses konden­ sierten Wassers als Kühlmedium in den Entgaser 88 wird der Entgasungsvorgang unterstützt.

Das erfindungsgemäße Gas- und Dampf-Kraftwerk arbeitet wie folgt:
In dem Verdichter 18 wird ein Wärmeträgergas, insbesondere Luft, verdichtet. Mittels der Vorrichtung 24 zum Einspritzen von Wasser wird in dieses verdichtete Medium Wasser einge­ spritzt, wobei der Massestrom des eingespritzten Wasser vor­ zugsweise zwischen ca. 10% bis 15% des Massestroms des ver­ dichteten Wärmeträgergases liegt. Dadurch entsteht ein gas­ förmiges Gemisch aus Luft und überhitztem Wasserdampf, welches beispielsweise einer Temperatur von etwa 240°C auf­ weist. Dieses gasförmige Gemisch dient als Wärmeträgermedium und wird mittels der Leitungen 28 und 32 der Solarkollektor­ anlage 38 zugeführt.

Über den Verteiler 34 wird der Massestrom dieses Gemisches auf Rinnenkollektoren 40 aufgeteilt und nimmt beim Durch­ strömen der Führungsrohre 42 der jeweiligen Rinnenkollektoren 40 durch Solarstrahlung thermische Energie auf. Der Druck, mit welchem dieses gasförmige Wärmeträgermedium durch die Führungsrohre 42 der Solarkollektoranlage 38 strömt, liegt dabei vorzugsweise in einem Größenordnungsbereich von etwa 20 bar.

Mittels der Solarstrahlung kann das gasförmige Wärmeträger­ medium, d. h. das Gemisch aus Luft und überhitztem Wasser­ dampf, eine Temperatur von etwa 500°C bis 550°C erreichen.

Das Einspritzen von Wasser mittels der Vorrichtung 24 zum Einspritzen von Wasser in das Wärmeträgergas dient zur Abküh­ lung des der Solarkollektoranlage 38 zugeführten Wärmeträger­ mediums. Dadurch kann dieses beim Durchströmen der Solar­ kollektoranlage 38 eine größere Menge an thermischer Energie aufnehmen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Solar­ kollektoranlage Rinnenkollektoren aufweist, da die Tempe­ ratur, bei denen Rinnenkollektoren eingesetzt werden können, nach oben beschränkt ist. Insgesamt ist durch die Zuführung von Wasser in das Wärmeträgergas zur Bildung eines gasför­ migen Wärmeträgermediums, das ein Gemisch aus Luft und über­ hitztem Wasserdampf ist, ein solarer Anteil der thermischen Energie des der Brennkammer 54 zugeführten Wärmeträgermediums erhöhbar. Der solare Anteil kann dabei in der Größenordnung von 30% liegen.

Weiterhin verbessert der überhitzte Wasserdampf in dem gas­ förmigen Wärmeträgermedium den Wärmeübergang zwischen Fluid und Rohrwänden der Führungsrohre 42 in den Rinnenkollektoren 40 und die Wärmeabstrahlung durch Rohrwände der Führungsrohre 42 wird durch das Gemisch verringert.

Das in den Rinnenkollektoren 40 der Solarkollektoranlage 38 erhitzte Wärmeträgermedium wird in der Sammelleitung 44 ge­ sammelt und der Brennkammer 54 zur Zuführung weiterer ther­ mischer Energie zugeführt. In der Brennkammer 54 wird das Wärmeträgermedium auf eine Temperatur aufgeheizt, bei welcher die Gasturbine 16 einen optimalen Wirkungsgrad erreicht. Diese Aufheizung wird durch die Steuerungs- und Regelungsein­ heit 61 gesteuert, wobei durch den ersten Temperaturfühler 62 die Temperatur des in der Solarkollektoranlage 38 aufge­ heizten gasförmigen Wärmeträgermediums ermittelt wird und die Zuführung von Brennstoff derart gesteuert wird, daß dem Wärmeträgermedium eine solche Wärmemenge zugeführt wird, daß es die für den optimalen Betrieb der Gasturbine 16 erforder­ liche Temperatur erreicht. Diese Temperatur wird mittels des zweiten Temperaturfühlers 64 überwacht.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der Massestrom des mittels der Vorrichtung 24 zum Einspritzen von Wasser einge­ spritzten Wassers in den Gasturbinenkreis 10 in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur geregelt wird. Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur führt zu einem Anstieg des spezi­ fischen Volumens der mittels der Leitung 20 angesaugten Luft. Da der durch den mittels der Gasturbine 16 angetriebenen Ver­ dichter 18 erzeugte Volumenstrom im wesentlichen konstant ist, führt eine Erhöhung der Umgebungstemperatur zu einem Rückgang des Massestroms durch die Gasturbine 16 und damit auch zu einem Rückgang des Massestroms durch den Abhitze­ kessel 72. Dies kann zu einer Absenkung des Wirkungsgrades eines Gas- und Dampf-Kraftwerks führen, da insbesondere die Gasturbine mit einem nicht optimalen Massestrom betrieben wird. Durch die Einspritzung von Wasser mittels der Vorrich­ tung 24 wird beim erfindungsgemäßen Gas- und Dampf-Kraftwerk der der Gasturbine 16 zugeführte Massestrom erhöht, so daß eine Absenkung der Nennleistung des Gas- und Dampf-Kraft­ werkes 10 mittels Kompensation der Absenkung des Massestroms durch ansteigende Umgebungstemperatur kompensierbar ist.

Durch den Bypass 56 kann das gasförmige Wärmeträgermedium bzw. das Wärmeträgergas unter Umgehung der Solarkollektor­ anlage 38 von dem Verdichter 18 direkt der Brennkammer 54 zugeführt werden. Dies ist vorteilhaft, wenn größere Wartungs- oder Reparaturarbeiten an der Solarkollektoranlage 38 geführt werden müssen oder wenn schlechte Wetterbedin­ gungen vorliegen. Dadurch läßt sich das erfindungsgemäße Gas- und Dampf-Kraftwerk auch als konventionelles Gas- und Dampf- Kraftwerk nutzen.

Abgase der Gasturbine 16 werden dazu verwendet, in dem Dampf­ turbinenkreis 14 Dampf zu erzeugen. Die thermische Energie des Dampfes wird in der Dampfturbine 74 in mechanische Arbeit umgewandelt. Das erfindungsgemäße Konzept zur Nutzung der Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk sieht vor, die Solarenergie in dem Gasturbinenkreis 10 zu nutzen. Der Aufbau und der Betrieb des Dampfturbinenkreises 14 erfolgt daher gemäß aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren, bei denen der Dampfkreis geschlossen ist.

Claims (28)

1. Verfahren zur Nutzung von Solarenergie in einem Gas- und Dampf-Kraftwerk, welches zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Arbeit einen Gasturbinenkreis und einen Dampfturbinenkreis umfaßt, bei welchem im Gas­ turbinenkreis ein verdichtetes und erhitztes gasförmiges Wärmeträgermedium einer Gasturbine zugeführt wird, und Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, welcher in dem Dampfturbinenkreis einer Dampfturbine zugeführt wird, wobei das Wärmeträgermedium im Gasturbinenkreis zur Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung durch eine Solarkollektoranlage geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarkollektoranlage Rinnenkollektoren aufweist, daß die Rinnenkollektoren parallel angeordnet sind und daß das Wärmeträgermedium zur Durchströmung einer Mehrzahl von Rinnenkollektoren aufgeteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium nach der Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung in eine Brennkammer zur Aufnahme weiterer thermischer Energie geführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium vor der Aufnahme thermischer Energie verdichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung durch das gasförmige Wärmeträgermedium in ein verdichtetes Wärmeträgergas Wasser eingespritzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Massestrom des eingespritzten Wassers bei 5% bis 25% und vorzugsweise bei 10% bis 15% des Massestroms des verdichteten Wärmeträgergases liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung von Wasser in das Wärmeträgergas in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzung von Wasser in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur so gesteuert wird, daß der der Gasturbine zugeführte Massestrom an Wärmeträgermedium im wesentlichen konstant ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betrieb der Brennkammer so gesteuert wird, daß in der Brennkammer aufgeheiztes und von der Brennkammer der Gasturbine zugeführtes Wärmeträgermedium eine Solltemperatur aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des mittels Solarstrahlung erhitzten Wärmeträgermediums durch einen ersten Temperaturfühler ermittelt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des der Gasturbine zugeführten Wärmeträgermediums mittels eines zweiten Temperaturfühlers ermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizleistung der Brennkammer über die Temperatur des mittels Solarstrahlung erhitzten Wärmeträgermediums so gesteuert wird, daß dem Wärmeträgermedium diejenige thermische Energie zugeführt wird, welche es auf die mittels des zweiten Temperatur­ fühlers überwachte Solltemperatur aufheizt.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium, welches zur Erhitzung mittels Solarstrahlung in einem oder mehreren Führungsrohren geführt wird, unter einem Druck im Bereich zwischen etwa 15 bar bis 35 bar geführt wird.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgergas Luft verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass vorgesehen ist, mittels dem das Wärmeträgermedium unter Umgehung der Solarkollektoranlage in die Brennkammer geführt werden kann.

15. Gas- und Dampf-Kraftwerk zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit, welche insbesondere zur Erzeugung elektrischen Stroms genutzt wird, welches eine Solarkollektoranlage zur Bereitstellung thermischer Energie und einen Gasturbinenkreis und einen Dampfturbinenkreis umfaßt, wobei im Gasturbinenkreis eine Brennkammer angeordnet ist und ein verdichtetes und erhitztes gasförmiges Wärmeträgermedium einer Gasturbine zugeführt wird und wobei Abgase der Gasturbine zur Erzeugung von Dampf verwendet werden, welcher im Dampfturbinenkreis einer Dampfturbine zugeführt wird, und die Solarkollektoranlage, durch welche das gasförmige Wärmeträgermedium zur Aufnahme thermischer Energie mittels Solarstrahlung geführt ist, im Gasturbinenkreis angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarkollektoranlage Rinnenkollektoren aufweist und daß die Rinnenkollektoren parallel angeordnet sind, so daß das Wärmeträgermedium in der Solarkollektoranlage auf eine Mehrzahl von Rinnenkollektoren aufteilbar ist.

16. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarkollektoranlage (38) bezogen auf die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums vor der Brennkammer (54) angeordnet ist.

17. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (52) zwischen der Solarkollektoranlage (38) und der Brennkammer (54) einen ersten Temperaturfühler (62) aufweist, mittels welchem die Temperatur des in der Solarkollektoranlage (38) erhitzten Wärmeträgermediums ermittelbar ist.

18. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (60) zwischen der Brennkammer (54) und der Gasturbine (16) einen zweiten Temperaturfühler (64) aufweist, mittels welchem die Temperatur des der Gasturbine (16) zugeführten Wärmeträgermediums ermittelbar ist.

19. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungs- und Regelungseinheit (61) vorgesehen ist, welche einen Betrieb der Brennkammer (54) steuert.

20. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuergröße der Steuerungs- und Regelungseinheit (61) die durch den ersten Temperaturfühler (62) ermittelte Temperatur des Wärmeträgermediums ist.

21. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelgröße der Steuerungs- und Regelungseinheit (61) die Temperatur des der Gasturbine (16) zugeführten Wärmeträgermediums ist.

22. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Regelungseinheit (61) die Zuführung von thermischer Energie zum Wärmeträgermedium in der Brennkammer (54) in Abhängigkeit der vom ersten Temperaturfühler (62) ermittelten Temperatur so steuert, daß das der Gasturbine (16) zugeführte Wärmeträgermedium eine mittels des zweiten Temperaturfühlers (64) ermittelte Solltemperatur aufweist.

23. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasturbinenkreis (12) eine Vorrichtung (24) zum Einspritzen von Wasser angeordnet ist, mittels welcher Wasser in ein Wärmeträgergas, welches der Solarkollektoranlage zuströmt, einspritzbar ist.

24. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (24) zur Wassereinspritzung bezogen auf die Strömungsrichtung des Wärmeträgergases nach einem Verdichter (18) angeordnet ist.

25. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Massestrom des eingespritzten Wassers 5% bis 25% und vorzugsweise 10% bis 15% des Massestroms des verdichteten Wärmeträgergases beträgt.

26. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass (56) vorgesehen ist, mittels dem Wärmeträgermedium vom Verdichter (18) unter Umgehung der Solarkollektoranlage (38) der Brennkammer (54) zuführbar ist.

27. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträgergas Luft verwendet ist.

28. Gas- und Dampf-Kraftwerk nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium in einem oder mehreren Führungsrohren unter einem Druck im Bereich von etwa 15 bar bis 35 bar durch die Solar­ kollektoranlage geführt wird.