EP2394109A2 - Thermische kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische kraftwerksanlage - Google Patents

Thermische kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische kraftwerksanlage

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EP2394109A2
EP2394109A2 EP10705312A EP10705312A EP2394109A2 EP 2394109 A2 EP2394109 A2 EP 2394109A2 EP 10705312 A EP10705312 A EP 10705312A EP 10705312 A EP10705312 A EP 10705312A EP 2394109 A2 EP2394109 A2 EP 2394109A2
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EP
European Patent Office
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power plant
solar
cooling device
thermal power
chiller
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Vladimir Danov
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/002—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy
    • 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

  • Thermal power plant in particular solar thermal power plants
  • the invention relates to a thermal power plant, in particular a solar thermal power plant, comprising a gas turbine device in which circulates a circulating through thermal energy heated medium for generating electrical energy through a turbine and subsequently into a cooled by a cooling condenser for liquefying the medium becomes.
  • Power plants where heat energy is converted into electrical energy, are widely known. It is customary to evaporate a medium by the heat energy, after which the vaporized medium operates a turbine, whereby electrical energy is generated. Subsequently, the steam is re-liquefied in a condenser cooled by a cooler and returned to the evaporator. It is customary to cool the condenser in particular by a water cooling, so provide a water-filled cooling tower or to remove the water from a natural source in the area.
  • Evaporator heats the medium.
  • various embodiments are known, for example, in a field erected mirror reflect sunlight to a collection tower, which can then be heated locally to very high temperatures.
  • Other possibilities are parabolic mirrors or, in particular, so-called parabolic troughs, which focus and collect sunlight at a point or along a route.
  • parabolic troughs it has also been to use cheaper, flat mirrors, which are arranged in different orientations below the elongated heat collecting device.
  • the invention is therefore the object of a power plant to design so that no natural water resources are needed or no loss of water occurs.
  • the cooling device is designed as a solar-powered cooling device with a closed coolant circuit.
  • the power plant is particularly advantageous solar thermal power plant, which is already used in regions where there is a long sunshine duration.
  • thermoacoustic chiller or a Stirling chiller, in particular a plurality of Stirling chillers, or an absorption chiller, in particular a diffusion absorption chiller, wherein the absorption chiller is preferred according to the invention.
  • thermoacoustic chiller The principle of the thermoacoustic chiller is a relatively new development in which the acoustic energy of a standing sound wave in a suitable resonator is used for heat transport.
  • heat or cold is transported via the periodic pressure fluctuations experienced by a gas packet in a standing longitudinal sound wave.
  • the sound wave can be generated electromechanically via a loudspeaker, for example, and pump heat against a temperature gradient along a storable medium, the so-called stack. Along the stack, a temperature gradient builds up. Incidental heat or cold can be emitted on both sides of the stack with heat exchangers. be coupled.
  • Such a thermoacoustic chiller is particularly advantageous since its only moving part is the sound wave generator.
  • Stirling chiller Another variant of a suitable chiller is the Stirling chiller.
  • Such machines are well known and based on the Stirling process. However, in order to obtain the required cooling capacity, it may be necessary to use several Stirling refrigerators as a cooling device.
  • an absorption chiller is preferably used.
  • the compression takes place by means of a temperature-influenced solution of the refrigerant in a solvent.
  • a temperature-influenced solution of the refrigerant in a solvent This is also referred to as a "thermal compressor.”
  • An absorption chiller also has a solvent circuit. The two components, solvents and refrigerants, are often referred to collectively as work equipment, provided that the refrigerant is completely soluble in the solvent.
  • the working fluids are first separated from each other in a so-called expeller by heating the solution in which the vapor of the refrigerant is freed from the coevaporated solvent residues by means of a liquid separator.
  • the refrigerant is liquefied in order to be vaporized in the evaporator while absorbing the ambient heat n, whereby the efficiency arises.
  • the refrigerant vapor is then directed into the absorber, where again a solution is formed.
  • the solvent is introduced after the separation of the refrigerant after it has been relaxed by a valve to the absorber pressure and cooled.
  • the solvent cycle is what ultimately serves as a "thermal denser "as it takes over the corresponding tasks of the compressor of the compression refrigeration machine.
  • a variant of the absorption chiller is the so-called diffusion absorption chiller, in which the pressure change is realized as a partial pressure change, so that with the solvent pump and the last mechanically moving component is eliminated.
  • a third component is required for the working fluid, namely an inert gas. Diffusion absorption refrigerators thus only require the supply of solar heat.
  • the operation of the cooling device can be provided directly by the heat of the sun or by means of a heat of the sun transmitting thermal oil. These are the two basically known methods that are also used in solar thermal power plants.
  • the heat of the sun can be used immediately or only be brought to the place of use by a thermal oil.
  • the single figure shows a schematic diagram of a solar thermal power plant according to the present invention.
  • the figure shows an embodiment of a solar thermal power plant 1 according to the present invention. It comprises first, the power plant operation serving solar panels 2, which are formed in the present case as parabolic troughs. By means of the solar heat thus centered in a central region above the parabolic troughs, a medium circulating in a circuit 3 is heated and vaporized directly, with the resulting steam being converted into electrical energy in a turbine 4. In a condenser 5, the medium is liquefied again, wherein the condenser is cooled by a solar-powered cooling device 6. The liquefied medium is then evaporated again, so that the circuit 3 is closed. It should be noted that this is of course only a schematic of the most important components; The principle of a thermal power plant is well known and need not be explained in detail here.
  • the cooling device 6 comprises a closed coolant circuit 7, in which water circulates as coolant.
  • chiller 8 which is designed here as an absorption chiller, more precisely as a diffusion absorption chiller.
  • the heat required for this purpose is again solar heat, which is collected via solar panels 9.
  • chiller 8 The function of the chiller 8 is well known and need not be discussed in detail here.
  • the chiller 8 may also be a Stirling chiller or a thermo-acoustic chiller.
  • the heat of the solar collectors 9 can be used directly as a heat source for the refrigeration machine 8. be used or transferred via a thermal oil there.

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Abstract

Thermische Kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische Kraftwerksanlage (1), umfassend eine Gasturbineneinrichtung, in der ein in einem Kreislauf (3) zirkulierendes, durch thermische Energie erhitztes Medium zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine Turbine (4) und nachfolgend in einen durch eine Kühleinrichtung (6) gekühlten Kondensator (5) zur Verflüssigung des Mediums geleitet wird, wobei die Kühleinrichtung (6) als eine solarbetriebene Kühleinrichtung (6) mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (7) ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Thermische Kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische Kraftwerksanläge
Die Erfindung betrifft eine thermische Kraftwerksanlage, insbesondere eine solarthermische Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbineneinrichtung, in der ein in einem Kreislauf zirkulierendes, durch thermische Energie erhitztes Medium zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine Turbine und nachfolgend in einen durch eine Kühleinrichtung gekühlten Kondensator zur Verflüssigung des Mediums geleitet wird.
Kraftwerksanlagen, in denen Wärmeenergie in elektrische Ener- gie umgewandelt wird, sind weithin bekannt. Dabei ist es üblich, durch die Wärmeenergie ein Medium zu verdampfen, wonach das verdampfte Medium eine Turbine betreibt, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Anschließend wird der Dampf in einem durch eine Kühleinrichtung gekühlten Kondensator wieder verflüssigt und erneut dem Verdampfer zugeführt. Es ist dabei üblich, den Kondensator insbesondere durch eine Wasserkühlung zu kühlen, also einen mit Wasser gefüllten Kühlturm vorzusehen oder das Wasser einer natürlichen Quelle in der Umgebung zu entnehmen.
Während die Verwendung klassischer Wärmequellen, beispielsweise von Kohle, weithin bekannt ist und genutzt wird, wurden in jüngster Zeit häufig auch solarthermische Kraftwerksanlagen vorgeschlagen. Darin wird als Wärmequelle gebündeltes Sonnenlicht genutzt, welches dann direkt oder indirekt im
Verdampfer das Medium erwärmt. Dabei sind verschiedenste Ausgestaltungen bekannt, beispielsweise können in einem Feld aufgestellte Spiegel Sonnenlicht zu einem Sammelturm reflektieren, der dann lokal auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden kann. Andere Möglichkeiten sind Parabolspiegel oder insbesondere auch sogenannte Parabolrinnen, die das Sonnenlicht an einem Punkt bzw. entlang einer Strecke fokussieren und sammeln. Als Ersatz für Parabolrinnen wurde auch vorge- schlagen, günstigere, flache Spiegel zu verwenden, die in verschiedenen Orientierungen unterhalb der länglichen Wärme- sammeleinrichtung angeordnet sind.
Zwar wurde die Verwendung von Wärmespeichern, beispielsweise von Sand, vorgeschlagen, um kürzere oder längere Perioden ohne bzw. mit reduziertem Sonnenlichteinfall zu überbrücken, doch ist das prädestinierte Einsatzgebiet für solarthermische Kraftwerksanlagen in Regionen zu suchen, in denen eine maxi- male Sonnenscheindauer vorliegt, beispielsweise in Wüsten oder dergleichen. Diese Regionen zeichnen sich jedoch insbesondere dadurch aus, dass natürliche Wasservorkommen äußerst selten sind und Verluste durch verdampfendes Wasser kaum vertretbar sein dürften. Zwar besteht die Möglichkeit, anstatt eines wassergekühlten Kondensators einen luftgekühlten Kondensator zu verwenden, was jedoch den Nachteil einer sehr viel schlechteren Kühlwirkung und somit einer deutlichen Reduzierung des Wirkungsgrads des Kraftwerkes mit sich bringt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraftwerksanlage so auszugestalten, dass keine natürlichen Wasservorkommen benötigt werden bzw. kein Wasserverlust auftritt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Kraftwerksanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als eine solarbetriebene Kühleinrichtung mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist.
Dadurch wird ein völlig neues Kraftwerkskonzept beschrieben, das insbesondere in Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung vorteilhaft eingesetzt werden kann, da eine mit Energiezufuhr beschriebene Kühleinrichtung verwendet wird, allerdings als Energiequelle die Sonne verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, ohne großen Aufwand eine Kraftwerksanlage zu rea- lisieren, in der ein Kühlmittelkreislauf, beispielsweise ein Wasserkreislauf oder ein Ölkreislauf, vorgesehen werden kann. Hierbei wird das Kühlmittel, welches wie erwähnt Wasser oder Öl sein kann, ständig in einem Kreislauf bewegt und geht nicht verloren. Das Wasser an sich wird durch eine solarbetriebene Kühleinrichtung gekühlt, wobei Hitze aus Sonnenstrahlung in Kälte umgewandelt wird.
Dabei ist die Kraftwerksanlage mit besonderem Vorteile eine solarthermische Kraftwerksanlage, die ohnehin in Regionen angewandt wird, in denen eine lange Sonnenscheindauer vorliegt.
Während es grundsätzlich denkbar ist, auf eine indirekte Art und Weise die Sonnenwärme zum Betrieb der Kühleinrichtung zu nutzen, kann in besonders zweckmäßiger Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass in der solarbetriebenen Kühleinrichtung durch Sonneneinstrahlung gewonnene Sonnenwärme zum Antrieb einer Kältemaschine genutzt wird. Kälte- maschinen sind grundsätzlich bekannt. Sie setzen einen ther- modynamischen Kreisprozess um, bei dem Wärme unterhalb der Umgebungstemperatur aufgenommen und bei höherer Temperatur abgegeben wird. Über eine solche Kältemaschine kann die Sonnenwärme somit unmittelbar in Kälte zur Kühlung des Kondensa- tors durch die Kühleinrichtung umgesetzt werden. Die Kühleinrichtung kann dabei eine thermoakustische Kältemaschine oder eine Stirling-Kältemaschine, insbesondere mehrere Stirling- Kältemaschinen, oder eine Absorptionskältemaschine, insbesondere eine Diffusionsabsorptionskältemaschine, sein, wobei die Absorptionskältemaschine erfindungsgemäß bevorzugt wird.
Das Prinzip der thermoakustischen Kältemaschine ist eine relativ neue Entwicklung, bei der die akustische Energie einer stehenden Schallwelle in einem geeigneten Resonator zum Wär- metransport genutzt wird. Dabei wird Wärme bzw. Kälte über die periodischen Druckschwankungen transportiert, die ein Gaspaket in einer stehenden longitudinalen Schallwelle erfährt. Die Schallwelle kann dabei beispielsweise elektrome- chanisch über einen Lautsprecher erzeugt werden und Wärme ge- gen einen Temperaturgradienten entlang eines speicherfähigen Mediums, dem sogenannten Stack, pumpen. Entlang des Stacks baut sich ein Temperaturgradient auf. Anfallende Wärme oder Kälte kann beiderseits des Stacks mit Wärmetauschern ausge- koppelt werden. Eine solche thermoakustische Kältemaschine ist insbesondere vorteilhaft, da deren einzig bewegtes Teil der Schallwellenerzeuger ist.
Eine weitere Variante einer verwendbaren Kältemaschine ist die Stirling-Kältemaschine . Derartige Maschinen sind weithin bekannt und beruhen auf dem Stirlingprozess . Allerdings kann es, um die benötigte Kühlleistung zu erhalten, notwendig sein, mehrere Stirling-Kältemaschinen als Kühleinrichtung einzusetzen.
Bevorzugt eingesetzt wird allerdings eine Absorptionskältemaschine. Darin erfolgt im Gegensatz zu einer Kompressionskältemaschine die Verdichtung durch eine temperaturbeeinflusste Lösung des Kältemittels in einem Lösungsmittel. Derartiges bezeichnet man auch als einen „thermischen Verdichter". Eine Absorptionskältemaschine verfügt auch über einen Lösungsmittelkreis. Die zwei Komponenten, Lösungsmittel und Kältemittel, werden häufig auch zusammenfassend als Arbeitsmittel be- zeichnet. Voraussetzung ist, dass das Kältemittel in dem Lösungsmittel vollständig löslich ist. Häufig verwendete Kombinationen sind Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Lösungsmittel oder auch Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel. Im Kreislauf werden die Arbeitsmittel zu- nächst in einem sogenannten Austreiber voneinander getrennt, indem die Lösung erhitzt wird. Das Kältemittel verdampft aufgrund der geringeren Verdampfungstemperatur zuerst, wonach der Dampf des Kältemittels durch einen Flüssigkeitsabscheider von den mitverdampften Lösungsmittelresten befreit wird. In einem Kondensator wird das Kältemittel verflüssigt, um im Verdampfer unter Aufnahme der Umgebungswärme verdampft zu werden, wodurch der Nutzeffekt entsteht. Der Kältemitteldampf wird dann in den Absorber geleitet, wo wiederum eine Lösung entsteht. In diesen wird das Lösungsmittel nach der Trennung vom Kältemittel eingeleitet, nachdem es durch ein Ventil auf den Absorberdruck entspannt und abgekühlt wurde. Der Lösungsmittelkreislauf ist es, der letztlich als „thermischer Ver- dichter" bezeichnet wird, da er die entsprechenden Aufgaben des Verdichters der Kompressionskältemaschine übernimmt.
Eine Variante der Absorptionskältemaschine ist die sogenannte Diffusionsabsorptionskältemaschine, bei der die Druckänderung jedoch als Partialdruckänderung realisiert wird, so dass mit der Lösungsmittelpumpe auch die letzte mechanisch bewegte Komponente wegfällt. Allerdings ist eine dritte Komponente für das Arbeitsmittel erforderlich, nämlich ein Inertgas. Diffusionsabsorptionskältemaschinen benötigen somit lediglich die Zufuhr der Sonnenwärme.
Der Betrieb der Kühleinrichtung kann dabei unmittelbar durch die Sonnenwärme oder mittels eines die Sonnenwärme übertra- genden Thermoöls vorgesehen sein. Dies sind die beiden grundsätzlich bekannten Methoden, die auch bei solarthermischen Kraftwerken verwendet werden. Die Sonnenwärme kann unmittelbar genutzt werden oder erst durch ein Thermoöl zum Nutzort gebracht werden.
Mit besonderem Vorteil kann vorgesehen sein, dass bei einer solarthermischen Kraftwerksanlage mit Solarkollektoren Wärme wenigstens eines Teils der Solarkollektoren zum Betrieb der Kühleinrichtung nutzbar ist. Nachdem ohnehin in einer solar- thermischen Kraftwerksanlage Solarkollektoren vorgesehen sind, kann ein Teil dieser Solarkollektoren zum Betrieb der Kühleinrichtung eingesetzt werden. Im Vergleich zu heutigen solarthermischen Kraftwerksanlagen kann dabei einfach vorgesehen sein, einige zusätzliche Solarkollektoren vorzusehen, die der Kühleinrichtung zugeordnet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipskizze einer solarthermischen Kraftwerksanlage gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solarthermischen Kraftwerksanlage 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Sie umfasst erste, dem Kraftwerksbetrieb dienende Solarkollektoren 2, die vorliegend als Parabolrinnen ausgebildet sind. Über die damit in einem zentralen Bereich über den Parabolrinnen zentrierte Sonnenwärme wird unmittelbar ein in einem Kreislauf 3 zirkulierendes Medium erhitzt und verdampft, wobei der entstehende Dampf in einer Turbine 4 in elektrische Energie umgewandelt wird. In einem Kondensator 5 wird das Medium wieder verflüssigt, wobei der Kondensator durch eine solarbetriebene Kühleinrichtung 6 gekühlt wird. Das so verflüssigte Medium wird dann wiederum verdampft, so dass der Kreislauf 3 geschlossen wird. Dabei sei angemerkt, dass es sich hier selbstverständlich nur um eine Prinzipskiz- ze der wichtigsten Komponenten handelt; das Prinzip einer thermischen Kraftwerksanlage ist weithin bekannt und muss hier nicht im Detail dargelegt werden.
Alternativ zu der unmittelbaren Erhitzung des Mediums durch die Sonnenwärme kann im Übrigen auch vorgesehen sein, die
Sonnenwärme über ein Thermoöl zu einem Verdampfer zu transportieren .
Die Kühleinrichtung 6 umfasst einen geschlossenen Kühlmittel- kreislauf 7, in dem als Kühlmittel Wasser zirkuliert. Das
Wasser wird durch die Kältemaschine 8, die hier als Absorptionskältemaschine ausgebildet ist, genauer als Diffusionsab- sorptionskältemaschine, auf die nötigen Temperaturen abgekühlt. Die hierzu benötigte Wärme ist wiederum Sonnenwärme, die über Sonnenkollektoren 9 aufgefangen wird. Die genaue
Funktion der Kältemaschine 8 ist allgemein bekannt und muss hier nicht im Detail dargelegt werden.
Es sei jedoch noch angemerkt, dass die Kältemaschine 8 auch eine Stirling-Kältemaschine oder eine thermoakustische Kältemaschine sein kann. Zudem kann die Wärme der Sonnenkollektoren 9 unmittelbar als Wärmequelle für die Kältemaschine 8 ge- nutzt werden oder auch über ein Thermoöl dorthin übertragen werden .

Claims

Patentansprüche
1. Thermische Kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische Kraftwerksanlage (1), umfassend eine Gasturbineneinrich- tung, in der ein in einem Kreislauf (3) zirkulierendes, durch thermische Energie erhitztes Medium zur Erzeugung elektrischer Energie durch eine Turbine (4) und nachfolgend in einen durch eine Kühleinrichtung (6) gekühlten Kondensator (5) zur Verflüssigung des Mediums geleitet wird, dadurch gekennzeich- net, dass die Kühleinrichtung (6) als eine solarbetriebene
Kühleinrichtung (6) mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (7) ausgebildet ist.
2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass das Kühlmittel Wasser oder Öl ist.
3. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der solarbetriebenen Kühleinrichtung (6) durch Sonneneinstrahlung gewonnene Sonnenwärme zum Antrieb einer Kältemaschine (8) genutzt wird.
4. Kraftwerksanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (8) eine thermoakustische Kältemaschine oder eine Stirling-Kältemaschine, insbesondere meh- rere Stirling-Kältemaschinen, oder eine Absorptionskältemaschine, insbesondere eine Diffusionsabsorptionskältemaschine, ist .
5. Kraftwerksanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Betrieb der Kühleinrichtung (6) unmittelbar durch die Sonnenwärme oder mittels eine die Sonnenwärme übertragenden Thermoöls vorgesehen ist.
6. Kraftwerksanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer solarthermischen
Kraftwerksanlage (1) mit Solarkollektoren (2, 9) zum Betrieb der Kühleinrichtung (6) Wärme wenigstens eines Teils der Solarkollektoren (2, 9) nutzbar ist.
EP10705312A 2009-02-03 2010-01-20 Thermische kraftwerksanlage, insbesondere solarthermische kraftwerksanlage Withdrawn EP2394109A2 (de)

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