EP0856125A2 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von solarem dampf - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von solarem dampf

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EP0856125A2
EP0856125A2 EP96945345A EP96945345A EP0856125A2 EP 0856125 A2 EP0856125 A2 EP 0856125A2 EP 96945345 A EP96945345 A EP 96945345A EP 96945345 A EP96945345 A EP 96945345A EP 0856125 A2 EP0856125 A2 EP 0856125A2
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EP
European Patent Office
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absorber
water
steam
strand
solar
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EP96945345A
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Hans-Christian TRÄNKENSCHUH
Reinhard Rippel
Hans-Jürgen CIRKEL
Wolfgang Köhler
Wolfgang Kastner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating solar steam.
  • the collector array comprises a larger number of collectors and absorber branches.
  • the solar radiation concentrated by the collectors on the absorber strands is absorbed in the absorber strands.
  • the medium to be evaporated is evaporated directly in the absorber strands.
  • the invention is based on the object of specifying a method for generating solar steam in which the risk of overheating in the absorber strands is avoided and at the same time there is a significant cost reduction in the collector field.
  • the invention is also based on the object of specifying a device for carrying out the method.
  • the first-mentioned object is achieved according to the invention by a method for generating solar steam with at least at least one collector and at least one absorber line carrying water and / or steam, water being additionally supplied to the absorber line in such a way that wet steam is present at an outlet of the absorber line.
  • the second-mentioned object is achieved according to the invention by a device for generating solar steam, which comprises at least one collector and at least one water and / or steam-carrying absorber strand, means for additional supply of water being provided such that at an outlet of the absorber strand Wet steam is present.
  • the generation and use of wet steam as solar steam prevents the absorber strand from overheating.
  • the wet steam is composed of the two components water and water vapor. This significantly reduces the temperature in the absorber line. As a result, the requirements regarding the temperature resistance of the components that make up the absorber strand decrease.
  • the absorber coating consequently works in a temperature range which guarantees an optimal efficiency for the absorption of the solar radiation. Radiation losses due to temperature retroreflection are thus avoided.
  • the lower operating temperature ensures a longer service life of the individual components. This leads to a considerable saving in costs for the entire collector array.
  • At least the same amount of water is preferably fed in at an inlet of the absorber strand and / or at a feed point for feeding water as at a feed point arranged closer to an outlet of the absorber strand in the flow direction.
  • the number of feed points is kept low.
  • the supply of water does not have to be regulated separately.
  • a rough adjustment of the dosage to the radiation of the sun is sufficient. The Costs for exact regulation can thus be saved.
  • wet steam is present in the entire absorber line.
  • wet steam instead of solar superheated steam enables a greater mass flow density with the same heat supply.
  • the water for feeding into the absorber line is taken from the water-steam cycle of a fossil-fired power plant.
  • the water for the absorber line does not have to be made available, which saves on operating resources.
  • At least one water-carrying line opens into the absorber line in the flow direction in front of the collector.
  • a device 2 for generating solar steam comprises a plurality of collectors 4.
  • the individual collectors 4 have the shape of a parabolic.
  • Several collectors 4 are arranged one behind the other in such a way that a parabolic trough arrangement 28 is formed.
  • An absorber line 6 is assigned to the collectors 4 and is located in the focal line of the collectors 4.
  • the incident solar radiation is bundled by the collectors 4 of the parabolic trough arrangement 28 and concentrated on the absorber strand 6 with an absorber coating 30.
  • the energy of the solar radiation is absorbed in the absorber coating 30 and onto the water flowing in the absorber strand 6 transferred, which partially evaporates with the generation of wet steam.
  • wet steam is present in the entire absorber line 6 at all times during operation.
  • Wet steam contains water and steam at the same time, i.e. that the steam content x of the wet steam is less than 1.
  • water is additionally supplied to the absorber line 6. The additional water is fed into the absorber line 6 via the lines 18, 20, 22 at the feed points 10, 12, 14.
  • At least the same amount of water is fed in at the feed point 10, 12, 14 for feeding water as at a feed point 12, 14 which is arranged closer to the outlet 8 of the absorber strand 6 in the flow direction 16.
  • Embodiment does not require any special control mechanisms, since a rough dosage of water at the respective injection points 10, 12, 14 is sufficient.
  • the water for the device 2 which is fed into the absorber line 6 via the inlet 24 and via the lines 18, 20, 22, can, for example, the water-steam cycle taken from a fossil-fired power plant.
  • the wet steam from the device 2 can, for example, be returned to the steam cycle of the fossil-fired power plant.

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Abstract

Bei dem vorliegenden Verfahren zum Erzeugen von solarem Dampf mit mindestens einem Kollektor (4) und mindestens einem Wasser und/oder Dampf führenden Absorberstrang (6) wird dem Absorberstrang (6) zusätzlich Wasser derart zugeführt, daß an einem Ausgang (8) des Absorberstranges (6) Naßdampf vorhanden ist. Durch diese Maßnahme wird die Überhitzung des Absorberstranges (6) vermieden.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von solarem Dampf
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor¬ richtung zum Erzeugen von solarem Dampf.
Aus dem Artikel "Solare Farmkraftwerke und Direktverdampfung in Parabolrinnen-Kollektoren" von M. Müller, Forschungsver- bund Sonnenenergie: "Themen 93/94" ist bekannt, daß in Pa- rabolrinnen-Solarkraftwerken weltweit mehr als 90 % des der¬ zeit erzeugten Solarεtroms produziert werden. Zur weiteren Verbesserung der Effektivität von Parabolrinnen-Kraftwerken muß das vorhandene Potential zur Wirkungsgradsteigerung und Kostensenkung ausgeschöpft werden. Angenähert 70% der Kosten eines Solarkraftwerkes werden durch das Kollektorfeld verur¬ sacht. Die restlichen 30% entfallen auf konventionelle Anla¬ genteile. Damit schlägt sich eine Kostenreduzierung beim Kol- lektorfeld entscheidend auf die Gesamtkosten des Parabolrin- nen-Kraftwerkes nieder.
Das Kollektorfeld umfaßt eine größere Anzahl von Kollektoren und Absorbersträngen. In den Absorbersträngen wird die von den Kollektoren auf die Absorberstränge gebündelte Sonnen- Strahlung absorbiert. Bei der Direktverdampfung wird das zu verdampfende Medium direkt in den Absorbersträngen verdampft.
Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen, beispielsweise aus dem US-Patent 4 781 173, wird als Medium für die Direkt- Verdampfung in den Absorbersträngen Wasser verwendet. Das
Wasser wird in den Absorbersträngen vollständig verdampft, so daß am Ende der Verdampferstrecke an den Ausgängen der Absor¬ berstränge überhitzter Dampf vorliegt, der aufgrund seiner Erzeugung auch als solar überhitzter Dampf bezeichnet wird. Dieser wird direkt auf eine Turbine geleitet. Dabei ist Was¬ sermitriß zu vermeiden, und die Dampftemperatur darf sich nur mit einem bestimmten Gradienten ändern. Bezüglich der Konstanz der Dampfparameter werden hohe Anfor¬ derungen an das Dampferzeugersystem gestellt. Zum einen be¬ steht die Gefahr der Oberhitzung in den Absorbersträngen. Aufgrund der hohen Temperatur können Schäden in den Absorber¬ strängen entstehen, welche zu einer verkürzten Einsatzzeit des Absorberstränge für die Erzeugung von solar überhitztem Dampf führen. Demzufolge werden erhebliche Anforderungen an die Materialbeschaffenheit der Absorberbeschichtungen und aller weiteren Komponenten der Absorberstränge gestellt .
Desweiteren muß eine geregelte Wasserzufuhr gewährleistet sein. Diese Wasserzufuhr muß sehr engmaschig auf den Absor¬ bersträngen erfolgen und bedarf einer exakten Regelung in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung. Die Kurzlebigkeit der Absorberstränge aufgrund der hohen Temperatur des solar überhitzten Dampfes und die aufwendige Regelung der engma¬ schigen Wasserzufuhr führen zu einer erheblichen Kostenbela¬ stung des Kollektorfeldes.
Da solar überhitzter Dampf in den Absorbersträngen strömt und aus dem Kollektorfeld abgeführt wird, ergibt sich eine begren¬ zte maximale Massenstromdichte für den solar überhitzten Dampf in den Absorbersträngen. Es treten zusätzlich erhebli¬ che Druckverluste in den Absorbersträngen auf. Aufgrund der hohen Temperatur des solar überhitzten Dampfes in den Absor¬ bersträngen ergeben sich durch Temperaturrückstrahlung aus den Absorbersträngen weitere Verluste.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen von solarem Dampf anzugeben, bei dem die Gefahr der Überhitzung in den Absorbersträngen vermieden wird und zugleich eine deutliche Kostenreduzierung im Kollektorfeld erfolgt. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von solarem Dampf mit minde- stens einem Kollektor und mindestens einem Wasser und/oder Dampf führenden Absorberstrang, wobei dem Absorberstrang zu¬ sätzlich Wasser derart zugeführt wird, daß an einem Ausgang des Absorberstranges Naßdampf vorhanden ist.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von solarem Dampf, die mindestens einen Kollektor und mindestens einen Wasser und/ oder Dampf führenden Absorberstrang umfaßt, wobei Mittel zum zusätzlichen Zuführen von Wasser derart vorgesehen sind, daß an einem Ausgang des Absorberstranges Naßdampf vorhanden ist.
Durch die Erzeugung und Verwendung von Naßdampf als solarem Dampf wird ein Überhitzen des Absorberstranges vermieden. Der Naßdampf setzt sich aus den beiden Komponenten Wasser und Wasserdampf zusammen. Die Temperatur im Absorberstrang wird dadurch deutlich abgesenkt. Demzufolge verringern sich die Anforderungen bezüglich der Temperaturbeständigkeit an die den Absorberstrang zusammensetzenden Komponenten. Die Absor- berbeschichtung arbeitet demzufolge in einem Temperaturbe¬ reich, der einen optimalen Wirkungsgrad für die Absorption der Sonnenstrahlung garantiert. Strahlungsverluste aufgrund von Temperaturrückstrahlung werden somit vermieden. Die ge¬ ringere Betriebstemperatur gewährleistet eine längere Lebens- dauer der einzelnen Komponenten. Dies führt zu einer erhebli¬ chen Einsparung an Kosten für das gesamte Kollektorfeld.
Vorzugsweise wird an einem Eingang des Absorberstranges und/ oder an einer Einspeisungsstelle zum Einspeisen von Wasser wenigstens die gleiche Wassermenge zugeführt wie an einer in Flußrichtung näher an einem Ausgang des Absorberstranges an¬ geordneten Einspeisungsstelle. Im Vergleich zu Vorrichtungen zur Erzeugung von solar überhitztem Dampf wird die Anzahl der Einspeisungsstellen gering gehalten. Die Einspeisung von Was- ser muß nicht gesondert geregelt werden. Es genügt eine grobe Anpassung der Dosierung an die Einstrahlung der Sonne. Die Kosten für eine exakte Regelung können somit eingespart wer¬ den.
Insbesondere iεt in dem gesamten Absorberstrang Naßdampf vor- handen. Die Verwendung von Naßdampf anstelle von solar über¬ hitztem Dampf ermöglicht bei gleicher Wärmezufuhr eine größe¬ re Massenstromdichte. Es ergeben sich wesentlich geringere Druckverluste über den gesamten Absorberstrangbereich.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Wasser zum Einspei¬ sen in den Absorberstrang aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf eines fossil befeuerten Kraftwerkes entnommen. Dadurch muß das Wasser für den Absorberstrang nicht extra zur Verfügung gestellt werden, wodurch Kosten an Betriebsmitteln eingespart werden.
Vorzugsweise mündet in Durchflußrichtung vor dem Kollektor wenigstens eine wasserführende Leitung in den Absorberstrang.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das Ausfüh¬ rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Fi¬ gur eine Vorrichtung zum Erzeugen von solarem Dampf schema¬ tisch dargestellt ist.
Gemäß der Figur umfaßt eine Vorrichtung 2 zum Erzeugen von solarem Dampf eine Vielzahl von Kollektoren 4. Die einzelnen Kollektoren 4 haben die Form eines Parabols. Dabei sind meh¬ rere Kollektoren 4 so hintereinander angeordnet, daß sich ei¬ ne Parabolrinnen-Anordnung 28 ausbildet.
Den Kollektoren 4 ist ein Absorberstrang 6 zugeordnet, der sich in der Brennlinie der Kollektoren 4 befindet. Die ein¬ fallende Sonnenstrahlung wird von den Kollektoren 4 der Para¬ bolrinnen-Anordnung 28 gebündelt und auf den Absorberstrang 6 mit einer Absorberbeschichtung 30 konzentriert. In der Absor- berbeschichtung 30 wird die Energie der Sonnenstrahlung ab¬ sorbiert und an das in dem Absorberstrang 6 fließende Wasser übertragen, welches unter der Erzeugung von Naßdampf teilwei¬ se verdampft.
Die Flußrichtung in dem Absorberstrang 6 wird durch die Pfei- le 16 angegeben. Beim Betrieb der Vorrichtung 2 zum Erzeugen von solarem Dampf ist zu jedem Zeitpunkt des Betriebes in dem gesamten Absorberstrang 6 Naßdampf vorhanden. Der Naßdampf enthält Wasser und Dampf zugleich, d.h. daß der Dampfgehalt x des Naßdampfes kleiner 1 ist. Um das ständige Vorhandensein von Naßdampf in dem Absorberstrang 6 und an einem Ausgang 8 des Absorberstranges 6 zu gewährleisten, wird dem Absorber¬ strang 6 zusätzlich Wasser zugeführt. Das zusätzliche Wasser wird über die Leitungen 18, 20, 22 an den Einspeisungsstellen 10, 12, 14 in den Absorberstrang 6 eingespeist.
Dabei wird an jeder Einspeisungsstelle 10, 12, 14 so viel Wasser zugeführt, daß während des Betriebes trotz der Ver¬ dampfung von Wasser in jedem Abschnitt zwischen den Einspei¬ sungsstellen 10, 12, 14 des Absorberstranges 6 immer zugleich noch ein Wasseranteil vorhanden ist.
Vorzugsweise wird an der Einspeisungsstelle 10, 12, 14 zum Einspeisen von Wasser wenigstens die gleiche Wassermenge zu¬ geführt wie an einer Einspeisungsstellen 12, 14, die in Fluß- richtung 16 näher an dem Ausgang 8 des Absorberstranges 6 an¬ geordnet ist.
Außerdem wird an einem Eingang 24 des Absorberstranges 6 mehr oder gleichviel Wasser zugeführt wie an den in Durchflußrich- tung darauffolgenden Einspeisungsstellen 10, 12, 14. Diese
Ausführungsform bedarf keiner besonderen Regelmechanismen, da eine grobe Dosierung von Wasser an den jeweiligen Einspei¬ sungsstellen 10, 12, 14 ausreichend ist.
Das Wasser für die Vorrichtung 2, welches über den Eingang 24 und über die Leitungen 18, 20, 22 in den Absorberstrang 6 eingespeist wird, kann beispielsweise dem Wasser-Dampf-Kreis- lauf eines fossil befeuerten Kraftwerkes entnommen werden. Der Naßdampf aus der Vorrichtung 2 kann beispielsweise wiede¬ rum dem Wasserdampf-Kreislauf des fossil befeuerten Kraft¬ werkes zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von solarem Dampf mit mindestens einem Kollektor (4) und mindestens einem Wasser und/oder Dampf führenden Absorberstrang (6), wobei dem Absorberstrang (6) zusätzlich Wasser derart zugeführt wird, daß an einem Ausgang (8) des Absorberstranges (6) Naßdampf vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem an einem Eingang (24) und/oder an einer Einspeisungsstelle (10, 12, 14) zum Ein¬ speisen von Wasser wenigstens die gleiche Wassermenge zuge¬ führt wird wie an einer in Flußrichtung (16) näher an einem Ausgang (8) des Absorberstranges (6) angeordneten Einspei¬ sungsstelle (10, 12, 14) .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem gesamten Absorberstrang (6) Naßdampf vorhanden ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wasser zum Einspeisen in den Absorberstrang (6) aus dem
Wasser-Dampf-Kreislauf eines fossil befeuerten Kraftwerkes entnommen wird.
5. Vorrichtung zum Erzeugen von solarem Dampf, die mindestens einen Kollektor (4) und mindestens einen Wasser und/oder
Dampf führenden Absorberstrang (6) umfaßt, wobei Mittel zum zusätzlichen Zuführen von Wasser derart vorgesehen sind, daß an einem Ausgang (8) des Absorberstranges (6) Naßdampf vor¬ handen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der in Durchflußrichtung vor dem Kollektor (4) wenigstens eine wasserführende Leitung (18, 20, 22) in den Absorberstrang (6) mündet.
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