DE2757631C2 - Anlage zum Erhitzen des Arbeitsmediums einer durch Sonnenenergie betriebenen Wärmekraftanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Erhitzen des Arbeitsmediums einer durch Sonnenenergie betriebenen Wärmekraftanlage gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Anlage ist aus der US-PS 3152 442 bekannt. Dabei wird das Arbeitsmedium, ζ. B. in Form von »Freon« (einem Fluorkohlenwasserstoff), durch den Wärmeträger, z. B. Wasser, erhitzt und sodann in einem Parabolspiegel-Sonnenkollektor verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium wird nach Passieren einer Turbine durch einen mehrstufigen Kondensator hindurchgeleitet, in dessen erster Stufe es Wärme an den Wärmeträger abgibt. In weiteren Stufen wird es mittels Kühlwasser gekühlt und nach Verdichtung schließlich zum Kondensieren gebracht, bevor es, zunächst durch die Umgebungsluft und sodann durch den Wärmeträger, erneut aufgeheizt wird. Der Wärmeträger wird einem von mehreren ggf. auf unterschiedlichen Temperaturniveaus gehaltenen Speicherbehältern entnommen, zwischen denen eine erste Erwärmung durch einen Sonnenkollektor erfolgen kann. Der entnommene Wärmeträger passiert je nach der Sonneneinstrahlung einen weiteren Sonnenkollektor oder auch eine sonstige Heizeinrichtung, um auf seine Endtemperatur zu gelangen. Mit dieser tritt er in einen zugleich als Wärmespeicher ausgebildeten Wärmetauscher ein, durch den das Arbeitsmedium in der geschilderten Weise erhitzt wird, bevor es zwecks Verdampfung in den Parabolspiegelkollektor eintritt.

Eine derartige Anlage kann ihrer Natur gemäß nicht

ίο mit hoher Endtemperatur betrieben werden. So beträgt die Dampf temperatur des Arbeitsmediums beim Verlassen des Sonnenkollektors beispielsweise nur etwa 206⁰C Dementsprechend ist der thermische Wirkungsgrad schlecht Des weiteren ist man für den Betrieb, ungeachtet der im Primärumlauf liegenden sonstigen Heizeinrichtung, auf augenblickliche Sonneneinstrahlung angewiesen, da nur damit eine Verdampfung des Arbeitsmediums erreicht wird. Aufgrund dessen sind die Betriebszeiten der Anlage beschränkt auf Zeiten in denen Lastspitzen zumeist nicht zu erwarten sind. Ein Betrieb des nachts, bei verhangenem Himmel oder auch nur beim Vorbeiziehen einer Wolke scheidet aus. Andererseits besteht aber nicht die Möglichkeit, alle den Kollektoren zuführbare Strahlungsenergie nutzbringend zu verwerten.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit Wärmespeicherung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie zwecks Erzielung eines hohen thermischen Wirkungsgrades mit hoher Endtemperatur des Arbeitsmediums betrieben werden kann (beispielsweise 500—600⁰C), dabei aber ohne entsprechend hohen Konstruktionsaufwand hohe Abstrahlungsverluste wie auch einen starken Verschleiß vermeidet, daß sie es gestattet, im wesentlichen die gesamte den Sonnenkollektoren zuführbare Strahlungsenergie zu verwerten, und daß sie im Rahmen ihrer Wärmespeicherkapazität jederzeit betriebsbereit ist.

Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnende Maßnahme des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Unterteilung des den Wärmeträger führenden Primärum'aufs in mehrere voneinander getrennte und in unterschiedlichen Temperaturbereichen betriebene Kreise gestattet es, die im höheren Temperaturbereich arbeitenden Sonnenkollektoren, Wärmetauscher und Wärmespeicher entsprechend kleiner zu machen. Entsprechend verringern sich die Abstrahlungsverluste und der Einsatz der den hohen Temperaturen standhaltenden Materialien. Beispielsweise wird der im hohen bzw. höchsten Temperaturbereich betriebene

Primärkreis nur zur Überhitzung des Arbeitsmediums dienen. Dabei aber wird das Arbeitsmedium durch diesen Kreis jedenfalls auf seine Endtemperatur (Betriebstemperatur) gebracht, die derjenigen moderner Dampfkraftwerke entspricht, ohne daß es dazu einer augenblicklichen Sonneneinstrahlung bedarf. Die dafür erforderliche Wärme wird dem Speicher entnommen, der mit der gesamten zu den Sonnenkollektoren gelangenden Überschußwärme aufgeladen werden kann.

Die erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden Sonnenkollektoren sind gewöhnlich solche, die auf einem Turm angeordnet sind und über drehbare Spiegel angestrahlt werden. Damit lassen sich Temperaturen erzielen, wie sie selbst für einen Gasturbinenbetrieb geeignet sind. Dennoch können selbst für den Primärumlauf zum wesentlichen Teil preisgünstige Kohlenstoffstähle zur Anwendung kommen. Ein besonderer Vorzug der Erfindung besteht darin, daß der

Kollektorteil mit dem Spiegelsystem und der Kraftwerksteü unabhängig voneinander geregelt werden können.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung. So bewirkt die Maßnahme des Anspruchs 2, daß durch Abzweigung nur verhältnismäßig kleiner Teilströme des Wärmeträgers der Temperaturunterschied zwischen Eintritt und Austritt und damit Wärmespannungen und eine entsprechende Ermüdung des Kollektormaterials auch ohne Einsatz besonders hochwertiger Materialien geringgehalten werden können. Diejenige des Anspruchs 3 ermöglicht es, ausgehend davon, daß die hier in Betracht kommenden Wärmeträger gewöhnlich Salzschmelzen sein werden, für den niedrigeren Temperaturbereich weniger teuere und/oder korrosive Wärmeträger zu verwenden als für den höheren Temperaturbereich, unabhängig davon, daß auch bereits ein und derselbe Wärmeträger bei niedrigerer Temperatur weniger korrosiv sein wird. Anspruch * schließlich beschreibt ein Betriebsverfahren mit Hilfe der Speicher, mit dem die Temperaturunterschiede an den einzelnen Kollektoren zeitlich wie auch örtlich gering gehalten werden können, ohne jedoch die Temperaturdifferenz zwischen Speicherein- und -austritt in unwirtschaftlieher Weise beschränken zu müssen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert Dabei sind die bei derartigen Anlagen selbstverständlichen Elemente wie Pumpen, Nebenleitungen, Steuer- und Regelorgane der Übersichtlichkeit halber weggelassen.

Die gezeigte Anlage besitzt einen Primärumlauf mit zwei prinzipiell gleichen Kreisen, A und B, für Hochtemperatur bzw. Extrahochtemperatur. Die einander entsprechenden Bauteile beider Kreise tragen die gleichen Bezugszahlen, die jedoch zur Unterscheidung mit einem bzw. zwei Beistrichen versehen sind.

Ein Kollektor Γ bzw. 1" ist in einem Kreislauf 2', 3', 4' bzw. 2", 3", 4" eingeschaltet An diesen Kreislauf sind an verschiedenen Stellen Leitungen 5' und 6' bzw. 5" und 6" angeschlossen. Von diesen Leitungen führen kurze Zweigleitungen T und 8' bzw. 7" und 8" zum Eintrittsbzw. Austrittsende eines Wärmetauschers 9' bzw. 9". Ferner sind an diesen Kreislauf Leitungen 10' und 11' « bzw. 10" und 11" sowie ein zwischen diese Leitungen eingeschalteter Wärmespeicher 12' bzw. 12" angeschlossen. Schließlich ist der Wärmetauscher 9' des Kreises A sekundlrseitig über eine Leitung 13 mit dem Wärmetauscher 9" des Kreises B verbunden.

Die betreffende Anlage wird in folgender Weise betrieben:

In den beiden Kreisen wird laufend ein Wärmeträger umgewälzt, vorzugsweise in Gestalt verschiedener Salzschmelzen. Beide Kreisläufe werden in unterschiedliehen Temperaturbereichen betrieben, um in den Wärmetauschern 9' und 9" eine zweistufige Erhitzung des Arbeitsmediums au erreichen.

Bei normalem Betrieb unter Sonneneinstrahlung wird von den in den Kollektoren Γ und 1" und den Leitungen 2', 3' und 4' bzw'* 2", 3" und 4" umgewälzten Wärmeträgern jeweils eine Teilmenge über die Leitungen 5' und T bfew. 5" und 7" dem Wärmetauscher 9' bzw. 9" zugeführt, wovon eine entsprechende Menge des Wärmetn'igers nach Wärmeabgabe über die Leitungen 8' und 6' bzw. 8" und 6" in die Leitung 4' bzw.

4" zurückfließt Dabei vermische α sich die Wärmeträgermengen aus den Leitungen 3' und 6' bzw. 3" und 6", worauf sich wieder die vorgesehene Eintrittstemperatur des Wärmeträgers für den jeweiligen Kollektor 1' bzw. 1" ergibt

Bei Anfall überschüssiger Wärme aufgrund der Sonneneinstrahlung wird außerdem ein Teilstrom des jeweiligen Wärmeträgers mit der Austrittstemperatur des Kollektors aus der Leitung 5' bzw. 5" über die Leitung 10' bzw. 10" dem Wärmespeicher 12' bzw. 12" zugeführt Dafür gelangt ein entsprechender Teilstrom des kalten Wärmeträgers aus dem Wärmespeicher über die Leitungen 11' und 6' bzw. 11" und 6" in die Leitung 4' bzw. 4" zurück. Je länger dieser Zustand andauert desto mehr heißer Wärmeträger wird in den Wärmespeichern eingelagert

Reicht die Sonnenenergie nicht aus, den Wärmetauschern 9' und 9" für den Kraftwerksbetrieb genügend Wärme zuzuführen, so wird die hierfür benötigte Restwärme den Wärmespeichern 12' und 12" entnommen, indem entsprechende Teilströme heißen Wärmeträgers über die Leitungen 10' und T bzw. 10" und 7" in die Wärmetauscher eingeleitet werden. Entsprechende Teilströme des in den Wärmetauschern abgekühlten Wärmeträgers gelangen über die Leitungen 8' und 15' bzw. 8" und 11" in die Wärmespeicher zurück.

Fällt praktisch keine Sonnenenergie an, so wird die in den Wärmetauschern 9' und 9" benötigte Wärme ganz aus dem Wärmevorrat der Wärmespeicher 12' und 12" gedeckt. Außerdem wird dann ein Teilstrom des betreffenden heißen Wärmeträgers über die Leitungen 10' und 5' bzw. 10" und 5" und die anschließenden Leitungen 3' und 4' bzw. 3" und 4" den Kollektoren Γ und 1" zugeführt Dadurch werden die Kollektoren auch während dieser Zeit auf der vorgesehenen Betriebstemperatur gehalten, indem die durch Abstrahlung eintretenden Wärmeverluste ausgeglichen werden. Ein entsprechender Teilstrom wird dafür dem Kreislauf 1', 2', 3', 4' bzw. 1", 2", 3", 4" entnommen.

Da die Temperatur dieses Teüstromes wegen der verhältnismäßig geringen Wärmeverluste des genannten Kreislaufes nur geringfügig unter der Temperatur des vom jeweiligen Wärmespeicher zugeführten Stromes liegen wird, wird ersterer über eine Hilfsleitung 14' bzw. 14" zusätzlich noch dem Wärmetauscher 9' bzw. 9" zugeführt. Gegenüber einer Parallelschaltung des Kollektors zu dem jeweiligen Wärmetauscher hat dies den Vorteil, daß der Kollektor in seiner Gesamtheit praktisch auf der hohen Temperatur des Speicheraustritts gehalten wird.

Dem Wärmetauscher 9' des Kreises A wird über eine Leitung 15 das Arbeitsmedium, z. B. Wasser, zugeführt, das in diesem Wärmetauscher vorgewärmt und ggf. verdampft wird. Über die Leitung 13 gelangt das Arbeitsmedium sodann in den Wärmetauscher 9" des Kreises B, um dort weitere Wärme aufzunehmen, d. h. beispielsweise überhitzt zu werden. Mit diesem Endzustand tritt das Arbeitsmedium über eine Leitung 16 in eine nicht dargestellte Wärmekraftmaschine ein. Anstelle von Wasser kann als Arbeitsmedium auch Luft oder ein anderes Gas, wie z. B. Helium, Verwendung finden.

Es versteht sich, daß die vorausgehend beschriebenen Wärmetauscher 9' und 9" wie auch die Wärmespeicher 12' and 12" in der Praxis aus jeweils mehreren entsprechenden Aggregaten bestehen können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: 27 57 63ί

1. Anlage zum Erhitzen des Arbeitsmediums einer durch Sonnenenergie betriebenen Wärmekraftanlage, mit einen Wärmeträger aufweisendem Primärumlauf und das Arbeitsmedium führendem Sekundärumlauf, wobei der Primärumlauf Sonnenkollektoren zur Aufnahme von Sonnenenergie, Wärmespeicher zur Speicherung der aufgenommenen Sonnenenergie und Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen Wärmeträger und Arbeitsmedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärumlauf in mehrere voneinander getrennte und in unterschiedlichen Temperaturbereichen betriebene Kreise (A; B) mit jeweils mindestens einem Sonnenkollektor (I'; 1"), einem Wärmetauscher (9'; 9") und einem Wärmespeicher (12'; 12") unterteilt ist, deren Wärmetauscher in bezug auf das Arbeitsmedium hintereinandergeschaltet sind und das Arbeitsmedium stufenweise bis auf seine Betriebstemperatur erhitzen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Primärkreis (A; B) eine den Wärmetauscher (9'; 9") und den Wärmespeicher (12'; 12") umgehende Leitung (3'; 3") vorgesehen ist, deren Durchflußmenge steuerbar ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Primärkreis (A; B) einen anderen Wärmeträger, vorzugsweise in Gestalt einer Salzschmelze mit für den betreffenden Temperaturbereich spezifischen Eigenschaften, enthält.

4. Verfahren zum Betreiben der Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringer oder fehlender Sonneneinstrahlung die Temperatur der Sonnenkollektoren (Γ; 1") durch Hindurchleiten von Teilströmen des Wärmeträgers aus dem jeweiligen Wärmespeicher (12'; 12") auf einem vorgesehenen Niveau gehalten wird, wobei die Teilströme nach Austritt aus dem Kollektor vorzugsweise dem primärseitigen Eintritt des jeweiligen Wärmetauschers (9'; 9") zugeführt werden.