DE19821659A1 - Aufwindkraftwerk - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk, das flächenspezifisch betrachtet eine hohe Energiemenge erzeugt und auch nachts mit hoher Leistung in betrieb bleibt. In Trockengebieten mit hoher Sonnenscheinintensität (Wüsten) ist diese Kraftwerk besonders interessant, da kein Kühlwasserverbrauch entsteht und hohe Temperaturschwankungen gut verwertet werden können. DOLLAR A Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Aufwindkraftwerk mit einem unter dem Kollektordach (19) angeordneten Oberflächenkühler (9) mit Zu- und Rücklauf ausgestattet ist, der mit Warmwasser gespeist wird, das von einer außerhalb des Aufwindkraftwerkes gelegenen Wärme abgegebenen Einrichtung erwärmt wurde. DOLLAR A Als Wärmequelle wird vorzugsweise ein anderes solarthermisches Kraftwerk vorgesehen. Die Abwärme dieses anderen solarthermischen Kraftwerks, die vorwiegend am Kondensator (4) anfällt, erwärmt das aus einem Kaltwasserbecken (7) herangepumpte Wasser, um dieses in einem Warmwasserbecken (8) zu speichern. In den kühleren Nachtstunden fließt das erwärmte Wasser durch den unter dem Kollektordach (10) des Aufwindkraftwerkes angeordneten Oberflächenkühler (9) in das Kaltwasserbecken (7) zurück.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufwindkraftwerk, das zusätzlich zu der Kollektorwärme auch die Wärme einer außerhalb dieses Kraftwerkes gelegenen Wärme abgebenden Einrichtung verwertet. Als Wärme abgebende Einrichtung ist vorzugsweise ein anderes solarthermisches Kraftwerk das neben Elektroenergie auch große Mengen Niedrigwärme abgibt vorzusehen. Die Erfindung macht die Verwertung dieser Abwärme im Aufwindkraftwerk, sowie den Wärmetransport und gegebenenfalls die Wärmespeicherung möglich, so daß die Abwärmeverwertung nachts erfolgen kann, wenn das Aufwindkraftwerk selbst nur mit geringer Leistung arbeiten würde. Solche Kraftwerksanlagen arbeiten ohne Wasserverbrauch, sie können daher in Trockengebieten betrieben werden.

Zur thermischen Stromerzeugung aus Sonnenenergie haben sich bisher folgende Großkraftwerke als geeignet erwiesen. Solarturm-, Solarrinnen- und Dish-Farm- Kraftwerke, die zusammen als solarthermische Dampfkraftwerke bezeichnet werden, Aufwindkraftwerke, Solarteichkraftwerke und Heißluftmaschinen, die durch Dish-Stirling- Systeme realisiert werden.

In Trockengebieten mit hoher Sonnenscheinintensität haben Aufwindkraftwerke den Vorteil, daß sie keine Kühlung brauchen. Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, Warmluft mit geringer Übertemperatur zur Außenluft in großen Mengen verarbeiten zu können und daher durch die Wärmespeicherung im Kollektorboden auch einen gewissen Teil Nachtstrom zu erzeugen. Nachteilig ist der durch diese Wärmespeicherung verursachte verzögerte Leistungsanstieg in den Morgenstunden und die geringe flächenbezogene Energieausbeute von Aufwindkraftwerken überhaupt. Mit 1000 m Kaminhöhe wird nur ca. 1% der auf den Kollektor einstrahlenden Sonnenenergie verstromt.

Andererseits ist bei der Nutzung solarthermischer Dampfkraftwerke in Trockengebieten die Kühlung problematisch. Solche Kraftwerke benötigen eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kalten Wärmebehälter (Heißdampftemperatur - Kühlwassertemperatur). Weiterhin muß in Trockengebieten mit einem geschlossenen Kühlwasserkreislauf gearbeitet werden, denn für abfließendes Warmwasser bzw. Verdunstung steht kein Ersatz zur Verfügung.

Die Rückkühlung des Kühlwassers kann direkt oder mit Zwischenspeicherung erfolgen. Die direkte Kühlung hat den Vorteil, daß die zur Kühlung nötige Maschinenleistung (Pumpe, Ventilation) mit steigender Kraftwerksleistung ansteigt und deshalb direkt dem Kraftwerk entnommen werden kann. Nachteilig ist, daß die hohe Kühllufttemperatur bei intensiver Sonneneinstrahlung hohe Ventilationsleistung erfordert und daß der thermische Wirkungsgrad sinkt. Dadurch sinkt der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerkes beträchtlich. Bei Kühlung mit Zwischenspeicherung erfolgt die Rückkühlung des Kühlwassers nachts, indem das Kühlwasser von dem warmen Becken durch den Kühler in das kalte Becken transportiert wird. Die Kühlluft ist dann wesentlich kälter. Tagsüber nimmt das Kühlwasser die Kondensationswärme auf. Der thermische Wirkungsgrad steigt auf Werte, die vom Kraftwerk mit offener Naßkühlung bekannt sind und es ist weniger Ventilationsleistung erforderlich. Diese wird aber zu einer Zeit, nämlich nachts, verlangt, zu dem Solarenergie nicht direkt erzeugt werden kann. Es müßte Fremdenergie zugeführt, auf Brennstoffbetrieb umgestellt oder aufwendige Energiespeicherung eingebaut werden.

Heißluftmaschinen werden gegenwärtig durch Dish-Stirling-Systeme realisiert. Bei den bisher erstellten Kleinanlagen begnügt man sich mit Luftkühlung auf der Schattenseite des Spiegels.

Bei größeren Anlagen mit optimiertem Wirkungsgrad sind ähnliche Kühlprobleme zu erwarten, wie bei den solarthermischen Dampfkraftwerken.

Die bisher realisierten Solarteichkraftwerke arbeiten alle mit Verdunstungskühlung an der Teichoberfläche. Dabei entsteht Wasserverlust, der sie für Trockengebiete ungeeignet macht. Der Wirkungsgrad liegt mit 1 . . .2% noch sehr niedrig, so daß die Solarteiche ähnlich groß sein müssen, wie die Kollektordächer von Aufwindkraftwerken. Durch die große Wärmekapazität der Solarteiche tritt die Spitzenlastfähigkeit von Solarteichkraftwerken hervor.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Trockengebiete mit hoher Sonnenscheinintensität für die Energieerzeugung im großen Maßstab nutzbar zu machen. Dabei soll die auf die Grundfläche bezogene Leistungsdichte sehr hoch sein und die Stromgestehungskosten niedriger als bei den derzeitigen solarthermischen Kraftwerken, wenn diese ohne offene Naßkühlung betrieben werden müssen. Außerdem soll der hohe Grad der Bodenversiegelung, wie diese durch die Kollektordächer in Parks von Aufwindkraftwerken realisiert wird, eingeschränkt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Aufwindkraftwerk mit einem unter dem Kollektordach angeordneten Wasserröhrensystem mit Zu- und Rücklauf, das als Oberflächenkühler wirksam werden kann, ausgestattet wird. Dabei werden Zu- und Rücklauf mit einer Wärme abgebenden und in das Wasser eintragenden Einrichtung verbunden. Vorzugsweise tritt an die Stelle der Wärme abgebenden Einrichtung ein anderes solarthermisches Kraftwerk, das die eingefangene Sonnenwärme nur teilweise verstromen kann und größere Mengen Niedrigwärme abgibt. Da sich der Oberflächenkühler bei Sonneneinstrahlung auf das Kollektordach mit erwärmt, kann er seiner eigentlichen Kühlaufgabe nur nachts gerecht werden. Außerdem erhält der Aufwindkamin bei intensiver Sonneneinstrahlung genügend Auftrieb durch die Kollektorwärme. Daher muß das außerhalb des Aufwindkraftwerkes gelegene solarthermische Kraftwerk mit Einrichtungen ausgestattet sein, die die Abgabe von Warmwasser an den Oberflächenkühler in der Nacht ermöglichen.

Nach Anspruch 2 ist als Wärme abgebende Einrichtung ein Solarrinnen- oder Solarturmkraftwerk vorgesehen. Diese Kraftwerke haben selbst nur geringes Wärmespeichervermögen. Deshalb wird bei diesen Kraftwerken ein Kalt- und ein Warmwasserbecken für das Kühlwasser angeordnet. Am Tage wird aus dem Kaltwasserbecken das Kühlwasser für das Solarrinnen- bzw. Solarturmkraftwerk entnommen, es erwärmt sich im Kondensator und wird im Warmwasserbecken gespeichert. Nachts fließt das Warmwasser durch den Oberflächenkühler des Aufwindkraftwerkes, wo es sich nahezu auf die Temperatur der Außenluft abkühlt, in das Kaltwasserbecken zurück. Dabei erwärmt sich die Luft unter dem Kollektordach und der Kaminauftrieb bleibt nachts erhalten, so daß das Aufwindkraftwerk mit hoher Nachtleistung in Betrieb bleibt. Außerdem gewährleistet der Kaminauftrieb die Ventilation am Oberflächenkühler.

Aufwindkraftwerke mit einem Oberflächenkühler nach Anspruch 1 erzeugen, durch die hohe Nachtleistung bedingt, erheblich mehr Energie, als Aufwindkraftwerke ohne Oberflächenkühler. Weiterhin steigt in dem als Wärme abgebende Einrichtung genutzten solarthermischen Kraftwerk der thermische Wirkungsgrad, da in der Nacht gekühltes Kühlwasser zur Verfügung steht und es wird die Ventilationsleistung für die Kühlung eingespart.

Nach Anspruch 3 werden als Wärme abgebende Einrichtung Heißluftmaschinen vorgesehen. Bei Maschinen mit geschlossenem Luftkreislauf fällt die Wärme bei der Rückkühlung der Luft an. Durch Anwendung von Wasserkühlung wird die Wärme in das Kühlwasser eingetragen. Maschinen mit offenen Luftkreislauf geben ihre Abwärme mit der Abluft ab. Diese Warme kann mit Wärmetauschern in das Wasser eingetragen werden. Da Heißluftmaschinen keine Wärme speichern können, müssen Kühlwasserzulauf und Kühlwasserrücklauf mit Speicherbecken ausgestattet werden.

Besonders günstige Eigenschaften werden erlangt, wenn als Wärme abgebende Einrichtung Solarteiche oder Solarteichkraftwerke nach Anspruch 4 vorgesehen werden. Solarteiche verfügen selbst über eine erhebliche Wärmespeicherung, so daß Speicherbecken für das Kühlwasser nicht unbedingt erforderlich sind. Die nächtliche Wärmeabgabe des Teiches wird durch geeignete Schichtung des Salzgehaltes im Teichwasser minimiert. Um Verdunstungsverluste von Teichwasser zu vermeiden, ist der Teich durchsichtig abzudecken. Die Verdunstungskühlung der Teichoberfläche kann entfallen, weil die Abwärmeabführung zum Aufwindkraftwerk erfolgt und nicht an die Teichoberfläche.

Die einfachste Nutzungsart beruht darauf, daß immer dann, wenn das Aufwindkraftwerk nicht selbst mit seiner Höchstleistung arbeitet, dessen Leistung durch Zufuhr von warmen Teichwasser in den Oberflächenkühler gesteigert werden kann. Der Rücklauf mündet wieder in den Solarteich. Der Zeitraum für die Leistungssteigerung ist frei wählbar, die Höhe der Leistungssteigerung aber durch den Aufwind-Maschinensatz begrenzt.

Ein noch stärker auf die Nachtstunden orientiertes Leistungsangebot ergibt sich, wenn ein Solarteichkraftwerk ohne Kühlwasserspeicherbecken als Wärme abgebende Einrichtung betrieben wird. Am Tage kann die Abwärme des Solarteichkraftwerkes nicht ausreichend abgeführt werden, deshalb kann es nicht arbeiten. Nachts kann das Aufwindkraftwerk die Abwärme übernehmen, so daß beide Kraftwerke mit hoher Leistung arbeiten können.

Sind aber Speicherbecken für das Kühlwasser vorhanden, so kann das Solarteichkraftwerk wahlfrei arbeiten, also sowohl Grund-, Mittel,- als auch Spitzenlaststrom erzeugen.

Für die Verarbeitung von eingetragener Wärme sind Aufwindkraftwerke mit hohen Kaminen und relativ kleinen Kollektoren zu bevorzugen, da die Effektivität der Wärmeverwertung mit der Kaminhöhe steigt und die Transportwege des Wassers als Wärmeträger nicht unnötig verlängert werden sollen.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Aufwindkraftwerkes, in das die Abwärme eines Solarrinnenkraftwerkes eingetragen wird.

Fig. 2 zeigt den Grundriß einer solchen Anordnung.

In Fig. 1 sind Solarrinnen 1 mit Direktverdampfung in den Absorberrohren dargestellt. Der Dampf entspannt sich in der Dampfturbine 2, die den Generator 15 treibt. Ein Teil der Abdampfwärme wird im Vorheizer 3 an das Speisewasser übertragen. Die restliche Abdampf- und Kondensationswärme wird im Kondensator 4 an das Kühlwasser übertragen, wobei der Dampf selbst kondensiert. Die Kesselspeisepumpe 5 pumpt das Kondensat über den Vorheizer zu den Absorberrohren zurück.

Die Kühlwasserpumpe 6 pumpt das Kühlwasser aus dem Kaltwasser-Speicherbecken 7 durch den Kondensator. Dabei erwärmt sich das Kühlwasser und es gelangt in das Warmwasser-Speicherbecken 8. Dort wird es tagsüber gespeichert. Nachts wird das Ventil 13 geöffnet damit das warme Speicherwasser durch den unter dem Kollektordach 10 angeordneten Oberflächenkühler 9 in das tiefer gelegene Kaltwasser-Speicherbecken 7 zurückfließt. Dabei entsteht Warmluft unter dem Kollektordach, die auch nachts den Auftrieb im Kamin 11 aufrecht erhält und die Aufwindturbine 12 mit hoher Leistung antreibt, so daß der Generator 14 große Mengen Nachtstrom liefert.

In Fig. 2 ist der Grundriß einer ausgeführten Kraftwerksanlage auf 4 km × 4 km Gesamtfläche dargestellt. Kollektorradius und Kaminhöhe betragen ca. je 1000 m. Durch die kompakte Anordnung der Kraftwerke werden kurze Rohre für den Transport des Speicherwassers realisiert. Solarrinnenfelder, Speicherbecken und Kollektordach sind maßstabstreu dargestellt. Die Speicherbecken sind ca. 5 m tief. Im Maschinenhaus 16 sind Dampfturbine, Generator, Kondensator, Vorheizer und Pumpen untergebracht. Die elektrische Pikleistung liegt bei 30 MW aufwindseitig und bei 4 × 150 MW solarrinnenseitig.

Claims (4)

1. Aufwindkraftwerk, bestehend aus einem Kamin (11) dessen Fuß von einem schirmförmigen Kollektordach (10) umgeben ist und der die Luftströmung vom scheibenförmigen Ringraum unter dem Kollektordach zum Kamin freigibt, sowie mindestens einer in dieser Luftströmung angeordneten Windturbine (12), dadurch gekennzeichnet, daß ein unter dem Kollektordach angeordnetes Wasserröhrensystem (9), das als Oberflächenkühler wirksam werden kann, mit mindestens je einem Zu- und Rücklauf für das Wasser als Wärmeträger ausgestattet ist, wobei Zu- und Rücklauf mit einer Wärme abgebenden und in das Wasser eintragenden Einrichtung verbunden sind.

2. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärme abgebende Einrichtung ein Parabolrinnen-, Solarturm- oder Dish-Farm-Kraftwerk vorgesehen ist, wobei zum Wärmeeintrag die am Kondensator eines solchen solarthermischen Dampfkraftwerkes anfallende Abwärme genutzt wird und im Zu- und Rücklauf für das Kühlwasser Zwischenspeicherbecken angeordnet sind.

3. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärme abgebende Einrichtung solarthermische Heißluftmaschinen mit offenem oder geschlossenem Luftkreislauf vorgesehen sind, wobei Wasserkühler die Abluftwärme bzw. die Rückkühlwärme der Heißluft in das Wasser eintragen und im Zu- und Rücklauf für das Kühlwasser Zwischenspeicherbecken angeordnet sind.

4. Aufwindkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärme abgebende Einrichtung Solarteiche und/oder Solarteichkraftwerke vorgesehen sind, wobei zum Wärmeeintrag die fühlbare Wärme des Teichwassers bzw. die am Kondensator eines Solarteichkraftwerkes anfallende Abwärme genutzt wird.