DE3017699A1 - Sonnenkraftwerk mit einem auf einem turm angeordnetem solarerhitzer - Google Patents
Sonnenkraftwerk mit einem auf einem turm angeordnetem solarerhitzerInfo
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Description
KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
80 P 9 3 3 0 DE
Sonnenkraftwerk mit einem auf einem Turm angeordneten
SoLarerh i tzer
Die Erfindung betrifft ein Sonnenkraftwerk mit einem
auf einem Turm angeordneten und über ein Spiegelfeld
bestrahlten SoLarerhitzer, der in einen eine Dampfturbine
enthaltenden Wasser-Dampfkreislauf eingeschaltet
ist, wobei vor den Solarerhitzer ein Vorwärmer für das
Arbeitsmittel geschaltet ist.
Ein derartiges Sonnenkraftwerk ist in der DE-AS
26 54 125 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird bei vollem Sonnenschein zur Dampferzeugung ein auf einem
Turm angeordneter und über ein Spiegelfeld bestrahlter Solarerhitzer verwendet. In den Morgen- und Abendstunden
kann dem Solarerhitzer ein Wärmetauscher vorgeschaltet
werden, der zur Vorwärmung des eingespeisten Wassers
dient. Hierbei erfolgt die Verdampfung im Solarerhitzer
und gegebenenfalls wird dem Solarerhitzer ein weiterer
Wärmetauscher zur überhitzung des Dampfes nachgeschaltet.
Eine ähnliche Anordnung ist aus der österreichischen
Zeitschrift für Elektrizitätswirtschaft 29. Jahrgang,
Oktober 1976, Heft 10 auf Seite 408 beschrieben. Hier ist einem über Spiegel mit Sonnenenergie bestrahlten Solarerhitzer
ein Ölkessel vorgeschaltet, der wahlweise in Reihe oder parallel zum Solarerhitzer betrieben werden
kann. Abhängig von dem Angebot an Solarenergie kann der den Solarerhitzer verlassende Dampf in eine Hochdruckoder
Niederdrucktrubine eingespeist werden.
C 2 Shi / 05.05. 1980
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Diese bekannten Sonnenenergieanlagen mit einem auf einem
Turm angeordneten Solarerhitzer, der über ein Spiegelfeld
mit konzentrierten Sonnenstrahlen bestrahlt wird,
besitzen einerseits den Vorteil, daß nahezu beliebig hohe Temperaturen mit den Sonnenstrahlen erzeugt werden
können, sind aber andererseits recht aufwendig hinsichtlich der Kosten für den Solarerhitzer und für die einzelnen,
dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen nachzuführenden
Spiegel. Außerdem können in Sonnenkraftwerken die hohen, durch gebündelte Sonnenstrahlen erzielbaren
Temperaturen für den zu speisenden Kreisprozeß nicht ausgenutzt werden, da wegen der begrenzten Standfestigkeit
von Wärmetauscherrohren sowohl bei Gasturbinen- als auch
bei DampfturbInenanLagen die Temperaturen am Ausgang
des Solarerhitzers 9000C nicht wesentlich überschreiten
dürfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sonnenkraftwerk zu schaffen, bei dem nahezu die gesamte über
das Spiegelfeld dem Solarerhitzer zugeführte Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt werden kann und bei
dem sich der Wirkungsgrad durch Erhöhung der Austrittstemperatur des aus dem Solarerhitzer austretenden Dampfes
wesentlich verbessern läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
als Vorwärmer zusätzliche, außerhalb des Spiegelfeldes befindliche Sonnenkollektoren vorgesehen sind und daß
der Druck im Wasser-Dampf.kre islauf so eingestellt ist, daß der Dampfdruck im Solarerhitzer etwa gleich dem
Luftdruck der Atmosphäre ist.
Die prinzipielle Anordnung für einen für die vorliegende Erfindung benutzbaren Solarerhitzer ist in Figur 1 dargestellt.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen unterschiedliche WärmeschaItbiLder für einen oder zwei Wasser-Dampfkreisläufe
nach der Erfindung.
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In Figur 1 treffen Sonnenstrahlen 1 auf ein am Boden angeordnetes
Spiegelfeld, das aus einzelnen, den Sonnenstrahlen 1 nach führbaren Spiegeln 2 besteht. Von diesen Spiegeln
werden die Sonnenstrahlen reflektiert und gelangen durch am Boden eines Solarerhitzers 3 angeordnete Einstrahlungsöffnungen
4 in den Innenraum des Solarerhitzers. In dem Solarerhitzer befinden sich Einbauten 5, die vorzugsweise
aus keramischem Material bestehen und so angeordnet sind, da3 sie einerseits durch die Sonnenstrahlen
auf hohe Temperaturen aufgeheizt werden und daß sich andererseits eine Dampfströmung an den Oberflächen der Einbauten
entlang einstellt. Der Dampf tritt dabei durch einen Eintrittsstutzen 6 in den Innenraum des Solarerhitzers
3 ein und verläßt diesen mit wesentlich höherer Temperatür abhängig von der Sonneneinstrahlung durch einen Austrittsstutzen
7.
Figur 2 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel für den Wärmeschaltplan des Im erfindungsgemäßen Sonnenkraftwerk ange-
wendeten Wasser-Dampfkreislaufes. Um zu erreichen, daß in
den Eintrittsstutzen 6 des Solarerhitzers 3 in jedem Falle
Dampf eintritt, ist zwischen eine übliche Speisewasserpumpe
8 und den Solarerhitzer ein Sonnenkollektor 9 geschaltet.
Der Sonnenkollektor 9 besteht im einfachsten Fall aus einem Rohr, in dem Speisewasser vorgewärmt und
verdampft wird und bei dem die Sonneneinstrahlung durch
halbrunde Spiegelflächen vertärkt werden kann. Die Rohre
der Sonnenkollektoren können am Boden verlegt werden und
sind geeignet, Temperaturen von etwas über 100 C zu erzeugen.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist dem Sonnenkollektor
9, der hier stellvertretend für viele Kollektoren eingezeichnet
ist, der Sekundärkreis eines Abhitzewärmetauschers
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nachgeschaltet. Sowohl der Sonnenkollektor 9 als auch der
Sekundärkreis 11 des Abhitzewärmetauschers 10 sind vor
dem Solarerhitzer 3 angeordnet.
Bei Sonneneinstrahlung wird beispielsweise das von der
Speisewasserpumpe 8 geförderte Speisewasser im Sonnenkollektor 9 bei athmosphärIschem Druck von ca. 1 bar verdampft,
so daß Dampf mit einer Temperatur von 110 und einem Druck von 1 bar den Sonnenkollektor 9 verläßt und in
den Sekundärkreis 11 des Abhitzewärmetauschers 10 eintritt,
Hier wird der Dämpf auf ca. 540 C überhitzt und tritt mit dieser Temperatur in den Solarerhitzer 3 ein. In dem Solarerhitzer
erfolgt eine weitere Aufheizung des Dampfes, so daß der den Solarerhitzer 3 über eine Leitung 12 verlassende
Frischdampf eine Temperatur von etwa 1100 C bei einem Druck von 1 bar besitzt. An die Leitung 12 ist eine
Dampfturbine 13 angeschlossen, die speziell für hohe Temperaturen ausgelegt ist. Zur Kühlung der ersten Schaufel
reihen wird über eine UmführungsIeitung 14 kühlerer
Dampf aus dem Sekundärkreis des Abhitzewärmetauschers 10
abgezweigt und mit einem Druck von 1 bar und einer Temperatur von 300°C in den Kühleinlaß der Dampfturbine 13
eingespeist.
Wie bei Niederdruckturbinen üblich, wird in der Dampfturbine
13 der Dampf auf ca. 0,1 bar entspannt und verläßt die Dampfturbine 13 mit einer Temperatur von ca. 600 C. .
Die von der Dampfturbine 13 geleistete Arbeit wird über einen angekoppelten elektrischen Generator 15 in elektrlsche
Energie umgewandelt. Die Abdampf Ieitung 16 der
Dampfturbine 13 ist an den Primärkreis des Abhitzewärmetauschers
10 angeschlossen, so daß der die Dampfturbine
mit einer Temperatur von etwa 600 C verlassene Dampf zur Überhitzung des den Sonnenkollektor 9 verlassenden Dampfes
verwendet wird. In dem Abhitzewärmetauscher 10 wird der
Dampf bei einem unverändertem Druck von 0,1 bar auf ca.
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15O°C abgekühlt und gelangt vom Abhitzewärmetauscher 10
über eine Leitung 17 in den bei Wasser-Dampfkreisläufen
üblichen Kondensator 18. Der Kondensator 18 besitzt von Kühlwasser durchflossene Leitungen 19, die zur Wärmeabfuhr
entweder an einen Fluß oder an einen Kühlturm anschließbar sind. Das im Kondensator anfallende Wasser gelangt
- gegebenenfalls nach Aufbereitung oder Reinigung wieder
zur Speisewasserpumpe 8, wo es mit einem Druck von ca. 0,1 bar und einer Temperatur von 45 C ankommt, und wieder
auf den oberen Systemdruck von 1 bar verdichtet wird.
Die beschriebene Schaltung besitzt zwei entscheidende Vorteile
gegenüber den genannten, bekannten Sonnenkraftwerksanlagen. Erstens kann durch den geringen Druck des Wassers
durch relativ preisgünstige Sonnenkollektoren bei niederer
Temperatur von ca. 1000C dem Speisewasser die Verdampfungswärme zugeführt werden. Zweitens ist es möglich, durch die
bei dem vorgesehenen Druck nicht notwendige Abdichtung des Dampfes im Solarerhitzer 3 gegenüber der Athmosphäre in
dem Solarerhitzer keramische und damit besonders temperaturunempfindliche
Materialien vorzusehen. Damit ist die zu erzielende obere Grenztemperatur nur von der Belastbarkeit
der Dampfturbine 13 abhängig«
Höhere Wirkungsgrade für den Kreisprozeß lassen sich erzielen,
wenn man eine Schaltung entsprechend Figur 3 vorsieht. Hier wird die hohe AustrIttsentalpie des die Dampfturbine
13 verlassenden Dampfes in einem sekundären, mit üblichem Druck- und Temperaturniveau arbeitenden Dampfprozeß
ausgenutzt. Dazu Ist der Sekundärkreis 11 des der
Dampfturbine 13 nachgeschalteten Abhitzewärmetauschers 10
einer zweiten Dampfturbine 20 vorgeschaltet, deren Abdampf
in einem Kondensator 21 kondensiert wird und über eine Speisepumpe 22 das Kondensat wieder in den SekunkSrkreis
11 des Abhitzewärmetauschers einspeist* Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die UmführungsIeitung 14 an einen Punkt
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des Solarerhitzers 3 angeschlossen, an dem zwecks Kühlung Dampf mäßiger Temperatur um 300°C vorhanden ist. Wie die
Dampfturbine 13 ist auch die Dampfturbine 20 mit einem
Generator 23 zur Erzeugung elektrisciyer Energie verbundden,
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 kann der Wirkungsgrad
der Gesa.mtanlage nochmals erhöht werden. Hierbei Ist der
Sekundärkre.is 11 des Abhitzewärmetauschers 10 wiederum
einer Dampfturbine 20 vorgeschaltet und erhält Spelsewasser
aus einer Speisepumpe: ;22. Anstelle des Kondensators
21 ist jedoch ein Wärmetauscher 24 vorgesehen, dessen Sekundärkreis 25 dem Solarerh!tzer 3 unmittelbar vorgeschaltet
Ist. Hierbei muß die Dampfturbine 20 als Gegendruckturbine arbeiten, damit im Sekundärkreis 25 des
Wärmetauschers 24 eine Vorüberhltzung des im Sonnenkollektor
9 erzeugten Dampfes stattfinden kann.
Außerdem unterscheidet sich dl© Anlage nach Figur 4 von
derjenigen nach Figur 2 dadurch, daß der Im Abhitzewärmetauscher
10 abgekühlte Dampf nicht unmittelbar in den Kondensator 18 el ng.es pe-l'st wird, sondern zur wetteren Enthitzung
einen Wärmetauscher 26 durchläuft, dessen Sekundärkreis zwischen den Sekundärkreis' 25 des Wärmetauschers
24 und den Sonnenkollektor 9 geschaltet ist. Damit wird
der im Sonnenkollektor 9 erzeugte Dampf zunächst im Wärmetauscher
26 und dann im.Wärmetauscher 24 überhitzt, bis er auf seine endgültige Frischdampftemperatur im Solarerhitzer
3 gebracht wird. Selbstverständlich können die Wärmetauscher 24 und 26 auch ein© Zusatzfeuerung enthalten,
um auch in sonnenarmen Zeiten sicherzustellen, daß
das von der Speisepumpe 8 geförderte Wasser nur dampfförmig in den Solarerhitzer 3 eintritt.
8 Patentansprüche
4 Figuren
4 Figuren
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Claims (8)
- PatentansirücheSonnenkraftwerk mit einem auf einem Turm angeordneten und über ein SpiegeLfeLd bestrahLten SoLarerhitzer, der in einen eine Dampfturbine enthaltenden Wasser-Dampfkreis-Lauf eingeschaLtet ist, wobei vor den SoLarerhifzer ein Vorwärmer für das Arbe i tsmi t teL geschaltet ist, da- U* ί ■■<*}. durch gekennzeichnet, daß als Vorwärmer zusätzLiche, außerhaLb des Spiegelfeldes befind- " . ν ' · Liehe SonnenkoLLektoren (9) vorgesehen sind und daß der Druck im Wasser-Dampf kre i s Lauf so ei ngesteL Lt ist, daß 4; i-jy der Dampfdruck im SoLarerhitzer (3) etwa gLeich dem Luftdruck der Atmosphäre ist.
- 2. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 1, d a d .u r c h gekennze ichnet , daß Vorwärmer, Sonnenkol-Lektoren (9) sowie eventueLL weitere, dem SoLarerhitzer (3) vorgeschaltete Wärmetauscher so ausgelegt sind, daß das Speisewasser vor Eintritt in den Solarerhitzer (3) verdampft und überhitzt ist.
- 3. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Solarerhitzer (3) *®' eine Dampfturbine (13) und der Dampfturbine ein Abhitze- i4 S Vf i· wärmetauscher (10) nachgeschaLtet ist und daß der Sekundärkreis (11) des Abhitzewärmetauschers (10) dem Solarerhitzer (9) zur Überhitzung des in den SonnenkolLektoren(9) erzeugten Dampfes vorgeschaltet ist.
- 4. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennze i chnet , daß dem Solarerhitzer (9) eine Dampfturbine (13) und der Dampfturbine ein Abhitze- H 1 /.·· wärmetauscher (10) nachgeschaLtet ist und daß der Abhitzewärmetauscher (10) sekundärseitig als Verdampfer in einen ebenfalls eine Dampfturbine (20) enthaLtenden, mit Überdruck am Turbineneintritt arbeitenden Wasser-Dampf kr-ei s-130046/0 387ORIGINALLauf eingeschaLfet ist.
- 5. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfturbine (20) in dem mit Überdurck arbeitenden und an den Sekundärkreis
(11) des Abhitzewärmetauschers (10) angeschLossenen Wasser-Dampf krei s Lauf · aLs Gegendruckturbine ausgebiLdet ist und daß zur Kondensation des der Gegendruckturbine entnommenenDampfes ein dem SoLarerhitzer (3) vorgeschaLteter Wärmetauscher (24) zur Verdampfung des dem SoLarerhitzer(3) zugeführten ArbeitsmitteLs dient. - 6. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 5, dadurch
gekennze i chnet , daß der primärseίtige Ausgang des Abhitzewärmetauschers (10) ebenfalLs über einen dem SoLarerhitzer (3) vorgeschaLteten Wärmetauscher (26) zur Vorwärmung an einen Kondensator (18) geschaLtet ist. - 7. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß der SoLarerhitzer (3) am Boden befindLiche, waagerechte EinstrahLungsöffnungen(4) besitzt und daß der in den SoLarerhitzer (3) einströmende Dampf in den SoLarerhitzerraum einströmt, so
daß die EinstrahLungsöffnungen (4) zum DruckausgLeichzwischen dem Raum des SoLarerhItzers (3) und der äußeren Atmosphäre dienen. - 8. Sonnenkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem SoLarerhίtzer(3) Einbauten (5) aus keramischen MateriaL vorgesehen
sind.1 30046/0387
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