DE4418951A1 - Solarenergieanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarenergieanlage, insbe­ sondere ein Solarturmkraftwerk, mit einer mit konzen­ trierter Sonnenstrahlung erwärmbaren und dabei von einem vorzugsweise aus atmosphärischer Luft bestehenden Wär­ meträgerfluid durchströmbaren, vorzugsweise aus einem metallischen Mattenmaterial gebildeten Absorberstruktur einem von der Absorberstruktur zu einem Wärmeverbraucher führenden Strömungskanal und einem die Durchflußmenge des Wärmeträgerfluids in Abhängigkeit von dessen Tempe­ ratur beeinflussenden Durchflußstellglied.

Es ist eine Solarenergieanlage dieser Art bekannt (EP 0 124 769), bei welcher zur Anpassung an den über den Querschnitt der Absorberstruktur nicht konstanten Verlauf der Strahlungsdichte unterschiedliche Drossel­ mittel so angeordnet sind, daß die Absorberstruktur in Bereichen höherer Strahlungsdichte von höheren Luftströ­ men durchsetzt wird als in Bereichen geringerer Strah­ lungsdichte. Dazu sind neben einer unterschiedlichen Dichteverteilung des Absorbermaterials verstellbare Drosselorgane als Durchflußstellmittel vorgesehen, die im Strahlungsschatten in durch in Richtung der Luftströ­ mung verlaufende Wände unterteilten Teilkanälen des Strömungskanals angeordnet sind. Die Drosselorgane wer­ den von jeweils einzeln zugeordneten Steuereinheiten verstellt, wozu die in den Teilkanälen gemessenen Luft­ temperaturen jeweils als Istwert und die im zentralen Teilkanal gemessene Lufttemperatur als gemeinsamer Soll­ wert dienen. Damit soll auf der Abströmseite der Absor­ berstruktur über den Kanalquerschnitt eine möglichst gleichmäßige Endtemperatur erreicht werden. Bei dieser Vorgehensweise wird jedoch als nachteilig empfunden, daß die dem Wärmeverbraucher zugeführte Luft in Abhän­ gigkeit von Schwankungen der Sonneneinstrahlung Tempera­ turschwankungen unterworfen ist, die insbesondere bei der Ausnutzung thermodynamischer Kreisprozesse uner­ wünscht sind. Darüberhinaus hat es sich als besonders nachteilig erwiesen, daß die temperaturgesteuerte Ver­ stellung der Drosselorgane bei einer hohen Zunahme der Strahlungsintensität der Sonne, wie sie beispielsweise nach Wolkendurchzug auftritt, mit erheblicher Zeitver­ zögerung reagiert. Dies kann zur Überhitzung einzelner Absorberbereiche oder gar zur Zerstörung der gesamten Absorberstruktur führen.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Anlage der eingangs genannten Art dahinge­ hend zu verbessern, daß eine Beschädigung der Absorber­ struktur verhindert und das Betriebsverhalten der Anlage verbessert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß Tempera­ turmessungen im Wärmeträgerfluid zur Erfassung von kri­ tischen Betriebszuständen mit zeitlicher Verzögerung behaftet sind, und daß statt dessen die Auswirkungen von Strahlungsschwankungen bereits vor dem Auftreten von Temperaturänderungen kompensiert oder abgeschwächt wer­ den sollten. Gemäß der Erfindung wird dies durch eine Schutzeinrichtung ermöglicht, die nach Maßgabe einer sprunghaften Intensitätszunahme der Sonneneinstrahlung den Durchsatz des Wärmeträgerfluids durch die Absorber­ struktur erhöht. Damit wird eine Überhitzung der Absor­ berstruktur zuverlässig verhindert. Zusätzlich wird bei Temperaturregelung des Wärmeträgerstroms die Regelgüte verbessert.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Schutzeinrichtung einen auf eine sprunghafte Intensitätsänderung der Sonneneinstrahlung nahezu ver­ zögerungsfrei ansprechenden Strahlungssensor auf. Da­ durch ist es möglich, bereits vor einer Aufheizung der Absorberstruktur, die aufgrund deren Wärmekapazität zeitverzögert erfolgt, Informationen über die in der Absorberstruktur zu erwartende Wärmeentwicklung zur Einleitung eventueller Gegenmaßnahmen zu nutzen. Bei Einsatz eines im sichtbaren oder ultravioletten Wellen­ längenbereich des Sonnenspektrums empfindlichen Strah­ lungssensors werden verzögerungsarme Messungen ohne Störungen durch Wärmestrahlung ermöglicht.

Vorteilhafterweise ist ein schneller und zuverlässig arbeitender Strahlungssensor als fotoelektrisches Bau­ element, insbesondere als Fototransistor, Fotodiode, Fotowiderstand oder Fotovoltaikzelle ausgebildet.

Wenn der Strahlungssensor im Einstrahlungsbereich der vorzugsweise über ein Heliostatenfeld auf die Absor­ berstruktur fokussierten Sonnenstrahlung angeordnet ist, kann die tatsächlich eingestrahlte Leistung direkt bestimmt werden. Der Sensor kann bei ausreichender Küh­ lung unmittelbar vor der Absorberstruktur oder gegebe­ nenfalls ohne Kühlung im Einstrahlungsrandbereich ange­ ordnet sein.

Eine indirekte Bestimmung der Einstrahlung wird vor­ teilhafterweise durch einen mit der von der Absorber­ struktur reflektierten und/oder gestreuten Sonnenstrah­ lung beaufschlagten Strahlungssensor ermöglicht. Alter­ nativ dazu kann ein vorzugsweise im Spiegelfeld bzw. an einem Heliostaten installierter, gegebenenfalls der Sonne nachgeführter Strahlungssensor auch mit der Di­ rekt- oder Globalstrahlung der Sonne beaufschlagt wer­ den.

Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung eines durch die Schutzeinrichtung nutzbaren Signals ergibt sich durch einen Strahlungssensor, welcher als Pyrometer ausgebil­ det und über eine Fokussieroptik mit der von der Absor­ berstruktur ausgesandten temperaturspezifischen Aus­ strahlung beaufschlagbar ist.

Um eine veränderlichen Bedingungen angepaßte Beeinflus­ sung des Wärmeträgermittelstroms zu ermöglichen, weist die Schutzeinrichtung eine das Meßsignal des Strahlungs­ sensors verarbeitende, das Durchflußstellglied verstellende Steuereinheit auf.

Um insbesondere bei nicht bekannter Gesetzmäßigkeit zwischen Sensorsignal und eingestrahlter Leistung den­ noch eine ausreichend schnelle Erhöhung des Wärmeträ­ gerfluidstroms zu gewährleisten, erzeugt die Steuerein­ heit vorteilhafterweise nach Maßgabe einer sprunghaf­ ten, einen Schwellenwert übersteigenden Zunahme des Meßsignals ein auf einen gegebenenfalls empirisch er­ mittelten vorgegebenen Sprungwert gesetztes Ausgangs­ signal zur Ansteuerung des Durchflußstellglieds. Eine Verbesserung des Regelverhaltens der Anlage kann sich dadurch ergeben, daß das Ausgangssignal proportional zur Änderung des Meßsignals erzeugt wird, welches gege­ benenfalls zeitlich vorzugsweise nach einer e-Funktion abklingt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sieht die Erfindung einen die Temperatur des Wärmeträgerfluids stromab von der Absorberstruktur mittels eines vorzugs­ weise als Thermoelement ausgebildeten Temperaturfühlers als Regelgröße erfassenden, ausgangsseitig auf das Durch­ flußstellglied einwirkenden Temperaturregler vor. Durch eine von Schwankungen der Strahlungsintensität weitge­ hend unbeeinflußte Wärmeträgertemperatur lassen sich nachgeordnete Energieumwandlungsprozesse häufig mit hö­ herem Wirkungsgrad nutzen.

Zur Vereinfachung der Geräteanordnung und im Sinne ei­ ner übersichtlichen Betriebsweise ist es zu bevorzugen, wenn das Ausgangssignal der Schutzeinrichtung als Stör­ größensignal auf den Eingang oder Ausgang des Tempe­ raturreglers aufschaltbar ist. Insbesondere ist dadurch ein zur Regelung des Wärmeträgerstromes ohnehin benö­ tigtes Stellglied von dem Temperaturregler und der Schutzeinrichtung gemeinsam nutzbar.

Vorteilhafterweise ist das Durchflußstellglied als dem Wärmeverbraucher vor- oder nachgeschaltetes Gebläse und/oder vorzugsweise als Drosselklappe ausgebildetes Drosselorgan ausgebildet. Dabei kann das Gebläse und das Drosselorgan in Serienschaltung angeordnet sein. Dadurch läßt sich der Wärmeträgerstrom über einen wei­ ten Bereich feinfühlig beeinflussen, indem die Drehzahl des Gebläses bei hohem und die Stellung der Drossel­ klappe bei niederem Durchsatz verstellt wird.

Die Absorberstruktur weist in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von jeweils als Drahtgestrickmatte mit hexagonaler Kontur ausgebildete, in Wabenbau­ weise auf einer gasdurchlässigen Tragkonstruktion angeordnete und diese flächig bedeckende Absorber­ segmente auf.

Zur Nutzung der Restwärme bei nicht vollständig abge­ kühltem Wärmeträgerfluid kann der beispielsweise als Dampferzeuger ausgebildete Wärmeverbraucher über einen Rückluftkanal mit der Einströmseite der Absorberstruk­ tur verbunden werden. Eine weitere Verbesserung des Betriebsergebnisses der Anlage ergibt sich durch einen zu dem Wärmeverbraucher parallel geschalteten, in einen den Strömungskanal mit dem Rückluftkanal verbindenen Bypasskanal eingeschalteten Wärmespeicher.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Solarturmkraftwerk mit einem Ausschnitt eines Spiegelfeldes in schaubildlicher Darstel­ lung;

Fig. 2a und 2b einen Strahlungsempfänger des Solar­ turmkraftwerks in vertikalem Längsschnitt und in Draufsicht auf seine Empfangsseite;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Solarenergieanlage mit temperatur- und strahlungsabhängig regu­ liertem Wärmeträgermittelfluß;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer alternativen Ausfüh­ rungsform einer Solarenergieanlage mit Speicher und rückgeführter Wärmeträgerströmung;

Fig. 5 einen Signalflußplan der Temperaturregelung und Überhitzungs-Schutzeinrichtung der Anlage nach Fig. 3 oder 4;

Fig. 6 ein die Korrelation zwischen der Luftleistung eines Solarkraftwerks und dem Ausgangssignal eines Strahlungssensors der Schutzeinrichtung wiederspiegelndes Meßdiagramm.

Die in der Zeichnung dargestellte Solarenergieanlage besteht im wesentlichen aus einem eine Absorberstruktur 10 für Sonnenstrahlung enthaltenden Strahlungsempfänger 12, einem über einen Strömungskanal 14 mit dem Strah­ lungsempfänger 12 verbundenen Wärmeverbraucher 16, einem die Temperatur des Wärmeträgerfluids regelnden Temperaturregler 18 sowie einer auf eine sprungförmige Intensitätszunahme der Sonneneinstrahlung ansprechenden Schutzeinrichtung 20. Der Temperaturregler 18 beein­ flußt den durch die Absorberstruktur 10 hindurch zum Wärmeverbraucher 16 geführten Wärmeträgerfluidstrom derart, daß das unter Kühlung der Absorberstruktur 10 erhitzte Wärmeträgerfluid den Strahlungsempfänger 12 mit einer konstanten Austrittstemperatur verläßt. Die Schutzeinrichtung 20 bewirkt, daß eine beispielsweise nach Wolkendurchzug mit hoher Zuwachsrate in der Absor­ berstruktur 10 erzeugte Wärmemenge durch vorgreifliche Erhöhung des Wärmeträgerfluiddurchsatzes so rechtzeitig abtransportiert wird, daß eine Überhitzung der Absor­ berstruktur 10 verhindert wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Solarenergieanlage nach dem Solarturmkonzept ist der Strahlungsempfänger 12 auf einem Turm 22 im Fokusbereich eines in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellten Spiegelfeldes 24 angeord­ net. Das als Nordfeld orientierte Spiegelfeld 24 weist eine Vielzahl von drehbeweglich angeordneten Spiegeln 26 auf, die als Heliostaten einzeln der Sonne so nach­ geführt werden, daß die auf das Spiegelfeld 24 einfal­ lende Sonnenstrahlung 28 ständig in gebündelter Form 29 auf die ebene Empfangs fläche des Strahlungsempfängers 12 reflektiert wird. Alternativ dazu kann das Spiegel­ feld als zur Turmachse konzentrisches Rundumfeld ange­ ordnet und der Strahlungsempfänger mit einer beispiels­ weise zylindrischen Rundum-Empfangsfläche ausgestattet sein (nicht dargestellt). In beiden Fällen findet die primäre Energieumwandlung von Sonnenstrahlung in Wärme im Strahlungsempfänger 12 statt, und die Absorberstruk­ tur 10 des Strahlungsempfängers 12 wird mittels hindurch­ geleiteter Luft als Wärmeträgerfluid unter Abfuhr von Nutzwärme abgekühlt.

Der in Fig. 2 dargestellte Strahlungsempfänger 12 weist ein auf Tragstützen 30 gelagertes Empfängergehäuse 32 auf, welches eine sich konisch verengende Einlaßkammer 34, eine die Einlaßkammer 34 ringkanalförmig umgebende Rückluft-Verteilerkammer 36 und eine sich an die Ein­ laßkammer 34 koaxial anschließende, in den Strömungska­ nal 14 mündende zylindrische Heißluftkammer 38 umfaßt. Die Einlaßkammer 34 ist an ihrer gesamten vorderen Stirnseite über eine Einlaßöffnung 40 zur Atmosphäre hin geöffnet und über umfangsseitige verteilt ausgebil­ dete Öffnungen 42 rundum mit der Rückluft-Verteilerkam­ mer 36 verbunden. Diese ist ihrerseits über einen Ein­ laßstutzen 44 an einen Rückluftkanal 48 anschließbar. Durch den Rückluftkanal wird ein Teil der im Wärmever­ braucher 16 nicht vollständig abgekühlten Luft als Rückluftstrom 45 zurückführt und zusammen mit der aus der Atmosphäre durch die Einlaßöffnung 40 des Empfän­ gergehäuses 32 einströmenden Luft 47 nach dem Durch­ strömen der Absorberstruktur 10 als Empfängerluftstrom 49 in den Strömungskanal 14 eingeleitet.

Die Absorberstruktur 10 besteht aus einer Vielzahl von hexagonalen Segmenten 50, die in Wabenbauweise auf ei­ ner die Trennfläche zwischen Einlaßkammer 34 und Heiß­ luftkammer 38 überspannenden gitterartigen Tragkon­ struktion 52 befestigt sind. Die einzelnen Segmente 50 weisen jeweils ein aus einem flachgedrückten und spira­ lig aufgewickelten Drahtgestrickstrumpf gebildetes Ab­ sorberelement 54 auf, das auf einer gasdurchlässigen Trägerplatte 56 befestigt, beispielsweise aufgelötet ist. Im Einbauzustand ragen die mit ihrer Trägerplatte 56 an der Tragkonstruktion 52 befestigten Absorberseg­ mente 54 in die Einlaßkammer 34, so daß sie über deren stirnseitige Öffnung 40 mit Sonnenstrahlung beauf­ schlagbar sind. Dabei ermöglicht es die in vorstehend beschriebener Art aus weitmaschig gestricktem, dünnem Metalldraht aufgebaute Absorberstruktur 10, daß die einfallende Sonnenstrahlung 29 "volumetrisch", d. h., im gesamten Tiefenbereich der Absorberelemente 54 absor­ biert wird. Zugleich besitzt die Absorberstruktur 10 eine große innere Oberfläche, die einen effizienten Wärmeübergang von dem durch die absorbierte Sonnen­ strahlung aufgeheizten Absorbermaterial auf die durch­ strömende Luft ermöglicht.

Grundsätzlich kann die Absorberstruktur 10 als gas­ durchlässige Matte auch aus anderem metallischem Struk­ turmaterial wie Gewebe, Vlies und dergleichen herge­ stellt werden.

Der in der Absorberstruktur 10 aufgeheizte Empfänger­ luftstrom 49 kann dem Wärmeverbraucher 16 zu Prozeß­ zwecken zugeführt werden. Dabei ist es zur Ausnutzung thermodynamischer Kreisprozesse häufig günstig, wenn die vom Strahlungsempfänger 12 abgeleitete Luft eine konstante Temperatur aufweist. Um dies auch bei zeit­ lich variierender Sonneneinstrahlung 28, 29 zu gewähr­ leisten, ist wie in Fig. 3 gezeigt ein Temperaturregler 18 vorgesehen, der die Luftaustrittstemperatur T_a des Empfängerluftstroms 49 mittels eines stromab von der Absorberstruktur 10 angeordneten Temperaturfühlers 58 als Regelgröße erfaßt. Zur Berücksichtigung von Tempe­ raturgradienten kann die Luftaustrittstemperatur T_a auch aus den Meßsignalen mehrerer an der Abströmseite der Absorberstruktur 10 verteilt angeordneter Tempera­ turfühler 58 ermittelt werden. Als Temperaturfühler 58 werden bevorzugt hitzebeständige, dünndrahtige Thermo­ elemente verwendet. Der als PID-Regler ausgebildete Temperaturregler 18 ist ferner über einen Sollwertgeber 60 bzw. einen zentralen Prozeßleitrechner auf einen Temperatursollwert T_s einstellbar. Abhängig von der Regeldifferenz T_s-T_a betätigt der Regler ein den Luft­ strom erzeugendes Gebläse 62 sowie eine mit diesem in Serie geschaltete Drosselklappe 64 und paßt damit den Luftmengenstrom den veränderten Einstrahlungsbedingun­ gen an. Das Gebläse 62 wird zur Regulierung höherer Luftströme verwendet, während die Drosselklappe 64 zur Verstellung niedriger Luftströme, die mit dem zwischen 100 und ca. 15% seines Drehzahlbereichs regelbaren Gebläse 64 nicht einstellbar sind, zum Einsatz kommt.

Neben dem Temperaturregler 18 wirkt die Schutzeinrich­ tung 20 auf die den Luftstrom bestimmenden Stellglieder 62, 64 ein. Die Schutzeinrichtung 20 spricht auf das Meßsignal eines verzögerungsarmen, im sichtbaren oder ultravioletten Wellenlängenbereich des Sonnenspektrums empfindlichen Strahlungssensors 66 an. Der Strahlungs­ sensor 66 kann dazu als Fotozelle, Fototransistor, Fo­ todiode oder Fotowiderstand ausgebildet sein. Für die Anordnung des Strahlungssensors 66 in der Solarenergie­ anlage bieten sich verschiedene Möglichkeiten an. Der Strahlungssensor 66 kann zur direkten Bestimmung der in den Empfänger 12 einfallenden Strahlungsintensität im Einstrahlungsbereich des Heliostatenfeldes 24 auf dem Turm 22 angeordnet werden. Im Fokusrandbereich außer­ halb des Empfängergehäuses 12 ist dabei die Strahlungs­ intensität so gering, daß auf eine Kühlung des Sensors 66 verzichtet werden kann. Allerdings können dann Meß­ signalschwankungen aufgrund von Fokussierungsbewegungen einzelner Spiegel 26 auftreten. Bei ausreichender Küh­ lung ist es dagegen möglich, den Sensor 66 im zentralen Fokusbereich vor der Absorberstruktur 10 anzubringen, wodurch ein mit der tatsächlichen Einstrahlung besser korreliertes Meßsignal erhältlich ist.

Weiterhin kann der Sensor 66 im Heliostatenfeld 24 an­ geordnet und zweckmäßig über eine Abbildungsoptik mit der von dem Strahlungsempfänger 12 zurückreflektierten Sonnenstrahlung beaufschlagt werden. Versuche haben gezeigt, daß bei einer solchen Anordnung eine ausrei­ chend signifikante Korrelation zwischen dem Meßsignal I_s des Strahlungssensors 66 und der über die stationäre Luftleistung P_L der Solarenergieanlage bestimmbaren eingestrahlten Leistung besteht. Die in Fig. 6 gezeig­ ten Versuchsergebnisse lassen eine eindeutige Werteent­ sprechung zwischen der bei konstanter Luftaustrittstem­ peratur T_a = 700°C erzielten Luftleistung P_L und dem in willkürlichen Einheiten aufgetragenen Sensorsignal I_s erkennen. Aufgrund der vorwiegenden Empfindlichkeit des verwendeten Sensors 66 im sichtbaren Spektralbereich wurden dessen Meßsignale durch die Temperaturstrahlung der Absorberstruktur 10 nicht verfälscht.

Die Einstrahlung 29 in die Absorberstruktur 10 kann auch indirekt über einen oder mehrere im Heliostaten­ feld 24 angeordnete, mit der Direkt- oder Globalstrah­ lung der Sonne beaufschlagte Strahlungssensoren 66 be­ stimmt werden. Die Messung der im Sonnenwinkel einfal­ lenden Direktstrahlung erfolgt durch einen mit seiner Meßfläche normal zur Sonnenrichtung orientierten und daher nachzuführenden Strahlungssensor 66. Bei der Mes­ sung der Globalstrahlung wird zusätzlich der Diffusan­ teil der Sonnenstrahlung mit erfaßt. Hierbei kann auf die aufwendigere Nachführung verzichtet werden, wenn lediglich hohe Intensitätsschwankungen detektiert wer­ den sollen. Prinzipiell können die mit den gegebenen­ falls verteilt angeordneten Sensoren 66 gemessenen Be­ strahlungsstärken mit Orientierungsdaten der Heliosta­ ten 26 und der Sonne kombiniert werden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Temperatur der Absorberstruktur 10 über einen als Pyrometer ausgebil­ deten Strahlungssensor 66 zu bestimmen, welcher über eine Fokussieroptik mit der von der Absorberstruktur 10 ausgesandten temperaturspezifischen Ausstrahlung beauf­ schlagbar ist.

Denkbar ist auch, anstelle von Strahlungssensoren 66 thermisch leitend mit der Absorberstruktur 10 verbunde­ ne Temperatursensoren zu verwenden, die dann allerdings in ihrem thermischen Verhalten und in ihren optischen Eigenschaften dem Absorbermaterial ähneln sollten.

Die Schutzeinrichtung 20 verarbeitet das von dem Sensor 66 erfaßte Signal in einer nicht eigens dargestellten Steuereinheit und leitet daraus ein Steuersignal ab, das an Mischstellen 68, 70 auf das Ausgangssignal des Temperaturreglers 18 unter Bildung eines an die Durch­ flußstellglieder 62, 64 übertragenen Stellsignals aufge­ schaltet wird. Die Funktion der Schutzeinrichtung 20 im einzelnen wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 5 erläutert.

Bei der Ausführung der Solarenergieanlage gemäß Fig. 4 ist der Wärmeverbraucher 16 als Dampferzeuger ausgebil­ det, welcher über einen Sekundärkreislauf 72 mit Wasser gespeist wird, das in Form von Dampf an eine Turbine abgeführt wird. Die in dem Dampferzeuger 16 nicht voll­ ständig abgekühlte Luft wird über den Rückluftkanal 48 zur Rückluftverteilerkammer 36 des Strahlungsempfängers 12 zurückgeleitet. Zusätzlich zum Dampferzeuger 16 ist ein Wärmespeicher 74 im Luftkreislauf angeordnet. Der Wärmespeicher 74 ist in einen Bypasskanal 76 eingeschal­ tet und darüber mit einer Abzweigstelle 78 des Strömungs­ kanals 14 und einer Abzweigstelle 80 des Rückluftkanals 48 verbunden. Weiterhin sind im Rückluftkanal 48 in Rückströmrichtung vor der Abzweigstelle 80 ein Verbrau­ cherstromgebläse 82 und eine Verbraucherstrom-Drossel­ klappe 84 in Serienschaltung angeordnet. Diese werden als Stellglieder 82, 84 durch eine lastsensierende (Sen­ sor 86) Leistungssteuereinheit 88 angesteuert.

Ein Empfängerstromgebläse 90 und eine Empfängerstrom- Drosselklappe 92 sind in Rückströmrichtung nach der Abzweigstelle 80 in der Rückluftleitung in Serienschal­ tung angeordnet und in der vorstehend beschriebenen Weise mit dem Temperaturregler 18 und der Schutzeinrich­ tung 20 gekoppelt.

In der beschriebenen Anordnung lassen sich in Abhängig­ keit von den beiden durch die Gebläse 82, 90 erzeugten und durch die Klappenstellungen der Drosselklappen 84, 92 beeinflußten Luftströmen verschiedene Betriebsarten realisieren, die es trotz schwankender Sonneneinstrah­ lung ermöglichen, daß der Dampferzeuger 16 mit einer konstanten Luftleistung beaufschlagt wird. Bei erhöhter Sonneneinstrahlung wird der von dem Empfängerstromge­ bläse 90 durch die Absorberstruktur 10 geblasene Empfän­ gerluftstrom gegenüber dem von dem Verbraucherstromge­ bläse 82 erzeugten Verbraucherluftstrom erhöht. Das Verbraucherstromgebläse 90 "saugt" dann nur einen Teil des Empfängerluftstroms an der Abzweigstelle 78 des Strömungskanals 14 durch den Dampferzeuger 16 hindurch ab. Der restliche Teilstrom zweigt in den Bypasskanal 76 ab und wird unter Aufladung des Wärmespeichers 74 zur Abzweigstelle 80 im Rückführkanal 48 geführt, wo er sich mit dem Verbraucherluftstrom wieder zum Empfänger­ luftstrom addiert.

Umgekehrt wird bei niedriger Sonneneinstrahlung der Empfängerluftstrom im Vergleich zum Verbraucherluft­ strom erniedrigt, so daß ein Teil des Verbraucherluft­ stroms an der Abzweigstelle 80 im Rückführkanal 14 in den Bypasskanal 76 abgeleitet und von dort unter Entla­ dung des Wärmespeichers 74 zum Dampferzeuger 16 zurück­ geführt wird.

Die Verbraucherstrom-Drosselklappe 84 wird dann voll­ ständig abgesperrt, wenn der Wärmespeicher 74 geladen werden soll, ohne daß Dampf erzeugt wird. Bei gleichen Empfänger- und Verbraucherluftströmen bleibt der Wärme­ speicher 74 unbeeinflußt.

Grundsätzlich ist es jedoch möglich, die Anlage ohne Wärmespeicher 74 zu betreiben oder die Luftleistung mit einer fossilen Zusatzheizung, die beispielsweise an­ stelle des Wärmespeichers 74 in den Luftkreislauf ein­ gebaut werden könnte, konstant zu halten.

Die Funktion des Temperaturreglers 18 und der Schutzein­ richtung 20 wird nun anhand Fig. 5 erläutert. Die am Ausgang der Regelstrecke 93 (d. h., dem Teil der Anlage entlang dem Strömungspfad von den Stellgliedern 90, 92 zum Temperaturfühler 58) abgeleitete Regelgröße, die Luftaustrittstemperatur Tag ist im wesentlichen wie folgt bestimmt:

In Gleichung (1) bezeichnen T_e die Lufteintrittstempe­ ratur des in die Absorberstruktur 10 einströmenden, aus atmosphärischer und Rückführluft gebildeten Luftstroms, _S die in der Zeiteinheit in der Absorberstruktur 10 absorbierte Wärmemenge (die Strahlungsleistung der eingefangenen Sonnenstrahlung 29), _L den Luftmassen­ strom, η den Wirkungsgrad des Strahlungsempfängers 12 und C_L die spezifische Wärmekapazität der Luft. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, daß bei schwankender Strahlungsleistung _S der Luftmassenstrom entsprechend zu variieren ist, um eine Konstanterhaltung der Regel­ größe zu gewährleisten.

Die Regelgröße T_a wird dem Vergleicher 94 zugeführt, wo der subtraktive Vergleich mit der Solltemperatur T_s stattfindet, die von außen dem Vergleicher 94 eingege­ ben wird. Die so gebildete Regeldifferenz e = T_s-T_a wird im Temperaturregler verstärkt, differenziert sowie integriert und als Reglerausgangsgröße Y_R dem Durchfluß­ mengenstellglied am Eingang der Regelstrecke 93 zur Einstellung des gewünschten Massenstromes zugeführt.

Die Ausregel- bzw. Einschwingzeit des so geschlossenen Regelkreises wird durch die aufgrund ihrer Wärmekapazi­ tät als Speicher wirkende Absorberstruktur 10 zwangs­ läufig verschlechtert. Hinzu kommen die durch Wärme­ übertragungsvorgänge beeinflußten Streckenzeitkonstan­ ten der Lufttemperaturmessung, die wesentlich von der Durchströmgeschwindigkeit der Luft in der Absorber­ struktur 10 und der Anströmgeschwindigkeit an den Tem­ peraturfühler 58 abhängen. Daraus folgt, daß vor allem bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten die Regelgüte verschlechtert und damit die Überschwingweite bei Ein­ wirkung von Störungen mit Sprungcharakter vergrößert wird.

Ein gefährlicher Betriebszustand tritt daher beispiels­ weise bei Wolkendurchzug auf. Bei durch Wolken verdeck­ ter Sonne bzw. niedriger Einstrahlung reduziert der Temperaturregler 18 den Luftmassenstrom bis zu ver­ schwindendem Durchsatz, und ein hoher, sprungartiger Leistungsanstieg _S bei wieder abziehenden Wolken führt aufgrund der verschlechterten Regelgüte zum Überschwingen der Temperaturregelung oder gar - vor allem bei vorher unterbrochener Luftdurchströmung - zur Überhitzung und Beschädigung der Absorberstruktur 10.

Die Überhitzung wird dadurch bedingt, daß die Absorber­ struktur 10 zur Erzielung eines hohen Wärmeübertra­ gungs-Wirkungsgrades bei normaler Einstrahlung nahe einer oberen kritischen Temperatur betrieben wird, de­ ren Erreichen eine Strukturzerstörung zur Folge hat. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei normaler Sonnen­ einstrahlung ohne Luftkühlung innerhalb der Absorber­ struktur 10 in wenigen Sekunden die kritische Tempera­ tur erreicht wird. Selbst im unterkritischen Bereich ist jedoch ein Überschwingen des Reglers unerwünscht.

Durch die Schutzeinrichtung 20 wird der Einfluß der Hauptstörgröße - der Aufwärtstransienten der solaren Einstrahlung - weitgehend aufgehoben. Allein die von den Windverhältnissen am Strahlungsempfängereintritt beeinflußte Änderung der Lufteintrittstemperatur T_e wird von der Schutzeinrichtung als Störgröße nicht kom­ pensiert und muß vom Temperaturregler 18 ausgeregelt werden. Der auf die sprunghafte Intensitätszunahme der Sonneneinstrahlung nahezu verzögerungsfrei ansprechende Strahlungssensor 66 erlaubt es der Steuereinheit der Schutzeinrichtung 20, sofort die Änderung der Sonnen­ strahlung _S zu erfassen und vorgreiflich einer Regel­ abweichung auf die den Luftmassenstrom bestimmenden Stellglieder korrigierend einzuwirken. Damit wird eine Überhitzung der Absorberstruktur 10 verhindert. Zu­ gleich wird die Regeldifferenz e auf einen kleinen Be­ reich begrenzt und die Regelgüte verbessert.

Das Ausgangssignal der Steuereinheit 20 wird als Stör­ größensignal y_S an der Mischstelle 96 auf das Regler­ ausganssignal y_R aufgeschaltet und als Stellsignal y unter Berücksichtigung der Gebläsedynamik und des nichtlinearen Gebläsedrehzahl -Volumenstrom-Kennfeldes an die Stellglieder 62, 64; 82, 84, 90, 92 am Eingang der Regelstrecke 93 übertragen. Die Aufschaltung des Stör­ größensignals y_S kann derart erfolgen, daß die das Meß­ signal des Strahlungssensors 66 verarbeitende Steuer­ einheit 20 bei Detektion eines sprunghaften Strahlungs­ anstiegs, der einen vorgegebenen Schwellenwert über­ steigt, eine sprungförmige Erhöhung des Störgrößensi­ gnals y_S bewirkt. Die Höhe und Zeitdauer des Störgrö­ ßensignals kann bei nicht bekanntem Streckenverhalten empirisch ermittelt werden. Dadurch wird vor allem die Überhitzungs-Schutzfunktion der Schutzeinrichtung 20 bewirkt. Andererseits kann das Störgrößensignal y_S bei bekannter Störübergangsfunktion in seiner Höhe gesteu­ ert und zeitlich beispielsweise nach einer e-Funktion nachgebend aufgeschaltet werden. Diese Methode bietet eine zusätzliche Verbesserung der Regelgüte.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung bezieht sich auf eine insbesondere als Solarturm­ kraftwerk ausgebildete Solarenergieanlage, in welcher konzentrierte Sonnenstrahlung in einer aus einem me­ tallischen Mattenmaterial gebildeten Absorberstruktur 10 in Wärme umgewandelt wird. Zum Zwecke der Kühlung und zum Transport der Nutzwärme zu einem Wärmeverbrau­ cher 16 wird die Absorberstruktur 10 von einem Wärme­ trägerfluid durchströmt, wobei die Durchflußmenge des Wärmeträgerfluids temperaturgesteuert mittels eines Durchflußstellglieds 62, 64; 82, 84, 90, 92 beeinflußbar ist. Zur Verhinderung einer Überhitzung der Absorber­ struktur 10 ist eine Schutzeinrichtung 20 vorgesehen, die nach Maßgabe einer mittels eines Strahlungssensors 66 detektierten sprunghaften Intensitätszunahme der Sonneneinstrahlung den Durchsatz des Wärmeträgerfluids erhöht.

Claims (18)

1. Solarenergieanlage, insbesondere Solarturmkraft­ werk, mit einer mit konzentrierter Sonnenstrahlung erwärmbaren und dabei von einem vorzugsweise aus atmosphärischer Luft bestehenden Wärmeträgerfluid durchströmbaren, vorzugsweise aus einem metalli­ schen Mattenmaterial gebildeten Absorberstruktur (10), einem von der Absorberstruktur (10) zu einem Wärmeverbraucher (16) führenden Strömungskanal (14) und einem die Durchflußmenge des Wärmeträgerfluids in Abhängigkeit von dessen Temperatur beeinflussen­ den Durchflußstellglied (62, 64; 82, 84, 90, 92), ge­ kennzeichnet durch eine Schutzeinrichtung (20), die nach Maßgabe einer sprunghaften Intensitätszunahme der Sonneneinstrahlung den Durchsatz des Wärmeträ­ gerfluids durch die Absorberstruktur (10) erhöht.

2. Solarenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schutzeinrichtung (20) einen vor­ zugsweise im sichtbaren oder ultravioletten Wel­ lenlängenbereich des Sonnenspektrums empfindlichen, auf eine sprunghafte Intensitätsänderung der Son­ neneinstrahlung nahezu verzögerungsfrei ansprechen­ den Strahlungssensor (66) aufweist.

3. Solarenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungssensor (66) als foto­ elektrisches Bauelement, insbesondere als Fototran­ sistor, Fotodiode, Fotowiderstand oder Fotovoltaik­ zelle ausgebildet ist.

4. Solarenergieanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssensor (66) im Einstrahlungsbereich der vorzugsweise über ein He­ liostatenfeld (24) auf die Absorberstruktur (10) fokussierten Sonnenstrahlung (29) angeordnet ist.

5. Solarenergieanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssensor (66) mit der von der Absorberstruktur (10) reflektierten und/oder gestreuten Sonnenstrahlung beaufschlagbar ist.

6. Solarenergieanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise im Heliosta­ tenfeld (24) angeordnete Strahlungssensor (66) mit der Direkt- oder Globalstrahlung der Sonne beauf­ schlagbar ist.

7. Solarenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungssensor (66) als Pyrome­ ter ausgebildet und über eine Fokussieroptik mit der von der Absorberstruktur (10) ausgesandten tem­ peraturspezifischen Ausstrahlung beaufschlagbar ist.

8. Solarenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinrich­ tung (20) eine das Meßsignal des Strahlungssensors (66) verarbeitende, das Durchflußstellglied (62, 64; 82, 84, 90, 92) ansteuernde Steuereinheit (20) auf­ weist.

9. Solarenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinheit (20) nach Maßgabe einer sprunghaften, einen Schwellenwert überstei­ genden Zunahme des Meßsignals ein auf einen gegebe­ nenfalls empirisch ermittelten, vorgegebenen Sprung­ wert gesetztes Ausgangssignal zur Ansteuerung des Durchflußstellglieds (62, 64; 82, 84, 90, 92) erzeugt.

10. Solarenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinheit (20) ein zum Meßsi­ gnal und/oder zu dessen Änderung des Meßsignals proportionales Ausgangssignal zur Ansteuerung des Durchflußstellglieds (62, 64; 82, 84, 90, 92) erzeugt.

11. Solarenergieanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (20) das Aus­ gangssignal zeitlich vorzugsweise nach einer e-Funktion abklingend erzeugt.

12. Solarenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen die Temperatur des Wärmeträgerfluids stromab von der Absorberstruktur (10) mittels eines vorzugsweise als Thermoelement ausgebildeten Temperaturfühlers (58) als Regelgröße erfassenden, ausgangsseitig auf das Durchflußstell­ glied (62, 64; 82, 84, 90, 92) einwirkenden Temperatur­ regler (18).

13. Solarenergieanlage nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Ausgangssignal der Schutzeinrich­ tung (20) als Störgrößensignal auf den Eingang oder Ausgang des Temperaturreglers (18) aufschaltbar ist.

14. Solarenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußstell­ glied (62, 64; 82, 84, 90, 92) als dem Wärmeverbraucher (16) vor- oder nachgeschaltetes Gebläse und/oder vorzugsweise als Drosselklappe ausgebildetes Dros­ selorgan ausgebildet ist.

15. Solarenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (62; 82, 90) und das Drosselorgan (64; 84, 92) in Serien­ schaltung angeordnet sind.

16. Solarenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberstruk­ tur (10) eine Vielzahl von jeweils als Drahtgestrick­ matte mit hexagonaler Kontur ausgebildete, in Waben­ bauweise auf einer gasdurchlässigen Tragkonstruk­ tion (52) angeordnete und diese flächig bedeckende Absorbersegmente (50) aufweist.

17. Solarenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch einen den beispielsweise als Dampferzeuger ausgebildeten Wärmeverbraucher (16) mit der Einströmseite der Absorberstruktur (10) verbindenden Rückluftkanal (48).

18. Solarenergieanlage nach Anspruch 17, gekennzeich­ net durch einen zu dem Wärmeverbraucher (16) paral­ lel geschalteten, in einen den Strömungskanal (14) mit dem Rückluftkanal (48) verbindenen Bypasskanal (76) eingeschalteten Wärmespeicher (74).