EP2737207A2 - Solarthermische anlage - Google Patents

Solarthermische anlage

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Publication number
EP2737207A2
EP2737207A2 EP12728414.9A EP12728414A EP2737207A2 EP 2737207 A2 EP2737207 A2 EP 2737207A2 EP 12728414 A EP12728414 A EP 12728414A EP 2737207 A2 EP2737207 A2 EP 2737207A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heliostats
sectors
heliostat
solar thermal
rows
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12728414.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan POMP
Felix ANDLAUER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kraftanlagen Muenchen GmbH
Original Assignee
Kraftanlagen Muenchen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kraftanlagen Muenchen GmbH filed Critical Kraftanlagen Muenchen GmbH
Publication of EP2737207A2 publication Critical patent/EP2737207A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
    • F03G6/067—Binary cycle plants where the fluid from the solar collector heats the working fluid via a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/70—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
    • 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 solar thermal system, in particular a solar thermal power plant.
  • solar thermal systems are known in practice in the form of solar thermal power plants, which comprise as a central unit a so-called solar tower, which serves as a receiver unit and is converted in the concentrated heat energy using suitable facilities in electrical energy.
  • the solar tower is arranged in front of a so-called heliostat field, in which a plurality of mirrors or heliostats are distributed in accordance with a predetermined pattern, which respectively reflect solar radiation in the direction of the receiver.
  • the heliostats are thus used to concentrate solar radiation that radiates over a large area onto a small area that is formed by the receiver in order to generate high, technically usable temperatures there.
  • the pattern according to which heliostats are arranged in the heliostat field influences the operating costs and the investment costs for the heliostat field and thus also the electricity production costs of the entire power plant.
  • the heliostats are usually arranged in straight rows that run in east-west direction, so that the optimization of the efficiency of the heliostat field only for a Daytime, usually the solar noon, takes place.
  • the height of the solar tower and the distances between the rows of heliostats were used as optimization variables.
  • An optimization of the efficiency of the heliostat field with regard to a uniform distribution over the entire course of the day and the entire year has not been done so far.
  • the invention has for its object to provide a solar thermal system in which the heliostat of a heliostat field are arranged such that compared to the above-described prior art, an improved efficiency over the course of the day and the year is possible.
  • the invention thus relates to a solar thermal system, in particular a solar thermal power plant, which comprises a receiver unit and a heliostat panel.
  • a solar thermal power plant which comprises a receiver unit and a heliostat panel.
  • the sectors comprise circular sectors each comprising rows of heliostats arranged along parallel lines.
  • the normal of the straight lines of a circular sector is set in relation to the normal of the straight lines of every other circular sector.
  • the circular sectors each have a near-receivable portion in which the circular sectors are disposed adjacent to each other, and a receiver remote portion.
  • the core of the invention is thus to divide the heliostat field into a plurality of sectors or sections.
  • the circular sectors along a circular line in the circumferential direction are arranged side by side.
  • the width of the circular sectors increases, so that the length of the heliostat rows increases as well.
  • an additional sector here referred to as intermediate sector, is inserted between the receiver-distant sections of the circular sectors.
  • the length of the heliostat rows in the intermediate sectors also increases with increasing distance from the receiver unit.
  • This length can be limited by inserting further intermediate sectors, in which heliostats in turn are arranged in rows along parallel lines whose normal is set against the normals of the other sectors.
  • the distance between the rows of heliostats within a circular sector influences the extent of the radiation blocked by closer to the receiver unit with increasing distance from the receiver unit.
  • the adjacent rows of heliostats in a circular sector have a distance from each other which increases at least as far as a limit distance with increasing distance from the receiver unit. Accordingly, the increasing distance between adjacent rows of heliostats in a circular sector can reduce sunshade shadowing of heliostats by other heliostat of the heliostat field.
  • the limit distance from which the distance between adjacent rows of heliostats in a circular sector increases may, in particular depending on the latitude at which the plant is constructed, the morphology of the terrain, on the the heliostat field is arranged and the height of the receiver unit, ie the relative position of the receiver unit with respect to the heliostat, are selected.
  • the distance between the heliostats within a heliostat row is uniform at least in the respective sector, preferably in the entire heliostat field. This makes it possible to use for wiring the heliostats with each other between adjacent heliostats prefabricated cable with a uniform length, which significantly reduces the cost of the solar thermal system.
  • the heliostats of adjacent heliostat rows in the circular sectors and / or in the intermediate sectors are offset in the straight direction by a half heliostat distance from one another.
  • each heliostat can reflect sunlight onto the receiver unit through a gap between two heliostats which are arranged in a neighboring row arranged closer to the receiver unit.
  • the heliostats of neighboring heliostat series are therefore placed within a sector on the gap.
  • the distance between the rows of heliostats within a sector relative to the receiver unit in the radial direction can be kept low, since the row spacing does not have to be selected so large that the receiver unit is visible from each heliostat via the heliostats arranged in the direction of the receiver unit in front of these heliostats , This leads to a higher packing density of the heliostats and thus to a higher field efficiency and a total small footprint for the heliostat field.
  • the heliostat field comprises a front field area which lies between the receivemahen Sections of the circular sectors and the receiver unit is arranged and comprises a plurality of heliostats.
  • the heliostats can be arranged in sub-sectors in parallel rows without further subdivision without sacrificing field efficiency.
  • maintenance paths are formed between adjacent sectors whose width is greater than the distance between adjacent heliostats within a heliostat row of the sectors. This ensures good accessibility of the individual heliostats even with heavy equipment.
  • Figure 1 is a schematic overview of a solar thermal power plant with solar tower and heliostat field.
  • FIG. 2 shows a heliostat distribution in the heliostat field
  • Fig. 3 is a graph showing the change in the distance between rows of heliostridges with increasing distance from the solar tower;
  • FIG. 4 shows the power distribution of the solar thermal power plant according to the invention during the course of the day and the power distribution of a solar thermal power plant according to the prior art during the course of the day;
  • FIG. 5 shows a heliostat distribution in a second embodiment of a solar thermal power plant
  • FIG. 6 shows a heliostat distribution in a third embodiment of a solar thermal power plant
  • FIG. 7 shows a heliostat distribution in a fourth embodiment of a solar thermal power plant.
  • a solar thermal power plant 10 which comprises a formed from a plurality of heliostats 12 heliostat or mirror array and a receiver or solar receiver unit representing solar tower 16, which is arranged in front of the heliostat 14 and in the direction of the sun 18 outgoing radiation is reflected by the heliostat 12 in a concentrated manner.
  • the solar tower 16 has a receiver 20 for receiving the concentrated radiation, in which air is heated, which is circulated in an air circuit 22 and / or is sucked from the environment.
  • a steam boiler 24 is arranged, which is also associated with a steam cycle 26 and in which for driving a turbine 28 hot steam is generated.
  • the turbine 28 drives a generator 30, by means of which power is generated, which is supplied via a line 32 to a power grid.
  • the steam flowing through the turbine 28 is liquefied in a condenser 36 arranged downstream of the turbine 28.
  • the resulting condensate is returned to the boiler 24 by means of a pump 38.
  • the condenser 36 is connected in a condenser circuit 40 to a recooler 42 in communication with the ambient air. To operate the condenser circuit 40, this further comprises a pump 44.
  • the receiver 20 causes the air in the air circuit 22 upstream of the boiler 24 and air sucked in from the ambient air to absorb heat by the solar energy thus radiated and heated to temperatures of 600 ° C to 800 ° C.
  • This heat is passed on the one hand to the steam boiler 24 and the other to a heat storage 46, by means of which steam generation in the boiler 24 in times is possible in which no solar radiation hits the receiver 20.
  • heliostat field 14 of which a plan view is shown in FIG. 2, a plurality of heliostats, each represented by a solid circle in FIG. 2, are arranged.
  • the heliostat field 14 is divided into a plurality of regions, in each of which heliostats 12 are arranged in rows along parallel straight lines.
  • the heliostat 14 Adjacent to the solar tower 16, the heliostat 14 has a so-called predecessor ren field region 48, the solar tower 16 facing away from the boundary line 49 at least approximately follows a circular path.
  • the heliostats 12 are arranged in rows 51 that extend in an east-west direction.
  • seven so-called circular sectors 50A to 50G bounded by a polygonal line which are arranged next to each other in the circumferential direction adjoin the boundary line 49 of the front field region 48, and rows of heliostats 12 arranged along parallel lines thereof are arranged in each case are.
  • the normal of the straight lines of the circle sectors 50A to 50G represents a radial at least in a generous approximation with respect to the boundary line 49 of the front field region 48.
  • the normals of the straight lines of the seven circle sectors 50A to 50G are opposite to the normals of the straight lines of each other circle sector 50A to 50G, that is, the normals each span an angle greater than zero degrees and less than 180 degrees.
  • the arrangement pattern of the heliostat 12 in the circle sectors 50A to 50G is identical except for the cut edges given by the shape of the panel 14.
  • the circular sectors 50A to 50G thus have the same opening angle.
  • the opening angle of the circular sectors 50A to 50G results from the quotient of the total opening angle of the heliostat field 14 and the selected number of circular sectors.
  • Circular sectors 50A-50G each have a receiver-proximate portion 54 and a receiver-remote portion 56.
  • the receiver-near section 54 extends from the receiver unit or the solar tower 16 up to a limit distance D. From the limit distance D, the receiver-remote section 56 of the circular sectors 50A to 50G begins.
  • a so-called intermediate sector 58A to 58F delimited by a traverse is arranged between each two sectoral sectors, which are arranged adjacent to each other in the section near the receiver 54, in the region of the receiver-distant sections 56.
  • the heliostats 12 are also arranged in rows 59 of parallel lines whose normal with respect to the circular boundary line of the front field region is at least roughly approximated represents a radial and is compared to the normal of all other sectors 50 and 58 is set, that is spans an angle which is between zero degrees and 180 degrees.
  • the arrangement pattern of the heliostat 12 in the intermediate sectors 58A to 58F is identical except for the cut edges given by the shape of the panel 14.
  • the rows 52 of the circular sectors 50A to 50G have a constant distance in the respective near-receivable portion 54.
  • the distance between the heliostat rows 52 increases continuously with increasing distance from the receiver unit 16.
  • the distance of the heliostat rows in the intermediate sectors 58 also increases with increasing distance from the receiver unit 16.
  • heliostat rows are designed so that they are offset in the straight or row direction by half a heliostat distance from each other.
  • the heliostats 12 are arranged on a gap, so that solar radiation which is reflected by the individual heliostats 12 in the direction of the receiver unit 16 is not or only partially is blocked by previously arranged heliostats.
  • maintenance routes 60 are formed, which are free of heliostats, so that the heliostat 14 is also accessible with larger equipment for maintenance and repair purposes.
  • the parameters with which the efficiency of the heliostat field 14 can be influenced include, given the dimensions of the field 14, in particular the minimum distance between the rows of heliostats within a sector 50A to 50G, 58A to 58F and in the front field region 48, the increase in the distance between the heliostat rows within a sector 50A to 50G, 58A to 58F with increasing distance from the receiver unit 16, the distance of the heliostat 12 within a heliostat series 51, 52 and 59 in the front field region And in the sectors 50A to 50G, 58A to 58F, the number of circular sectors and intermediate sectors, the maximum length of the heliostat rows 52 and 59 in the sectors 50A to 50G, 58A to 58F. In particular, by selecting appropriate values for these parameters, the power distribution of the system can be optimized throughout the day.
  • the spacing of the rows within a sector increases, as already explained above, from a limit distance D with increasing distance from the receiver unit 16.
  • the system according to the invention comprises a plurality of heliostat fields, in which heliostats are respectively arranged according to the above-described positioning principle and which are distributed around a receiver unit.
  • the solar thermal system also comprises heliostats 12 on the side of the solar tower 16 facing away from a heliostat field 14 (north field)
  • these heliostats 12 are assigned to a separate heliostat field 14 '(south field) in which the heliostats 12 are also arranged according to the aforementioned conditions.
  • the heliostats 12 are in the heliostat fields 14, 14 'thus each also divided into a front field region 48 and a plurality of sector sectors 50 and a plurality of intermediate sectors 58, in which they are arranged in parallel rows on the gap.
  • the normals of the series of heliostats 12 then two Heliostat fields 14, 14 'can in this case also be aligned parallel to one another or coincide.
  • FIG. 6 shows a solar thermal system in which heliostats 12 are distributed around a solar tower 16, which constitutes a receiver unit, on four heliostat fields 14, 14 ', 14 "and 14"' which form an all-round field, each having an opening angle of 90 ° ° and in which the heliostats 12 are also arranged according to the conditions mentioned above in connection with the embodiment according to the figures 1 to 4.
  • the heliostats 12 of the heliostat fields 14, 14 ', 14 "and 14”' are thus each likewise divided into a front field region 48 and a plurality of circular sectors 50 and a plurality of intermediate sectors 58, in which they are each arranged in gaps in parallel rows.
  • the normals of the rows of heliostats 12 of the four heliostat fields 14, 14 ', 14 ", 14"' can in this case also be aligned parallel to one another or coincide.
  • FIG. 7 shows a solar thermal system in which heliostats 12 are distributed around a solar tower 16, which constitutes a receiver unit, on three heliostat fields 14 (north field), 14 '(southeast field) and 14 "(southwest field), each having an opening angle of about 120 ° and in which the heliostats 12 are also arranged according to the conditions mentioned above in connection with the embodiment of Figures 1 to 4.
  • the heliostat 12 in the three heliostat fields 14, 14 'and 14 " the areas of different sizes In other words, they are each likewise divided into a front field region 48 and a plurality of circular sectors 50 and a plurality of intermediate sectors 58 in which they are each arranged in gaps in parallel rows.
  • the normals of the rows of heliostats 12 of the three heliostat fields 14, 14 ', 14 "could in this case also be aligned or coincide with one another Depending on the geographical location, the heliostat fields can occupy different areas in a solar thermal system with several heliostat fields It can be useful to design a north field larger than the other heliostat fields since the heliostats north of the receiver unit usually have a higher efficiency than the heliostats located to the south - Conditions that have been met, ie the heliostats located to the south of the receiver unit have a greater efficiency than the heliostats arranged to the north.

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Abstract

Es wird eine solarthermische Anlage vorgeschlagen, umfassend eine Receivereinheit (16) und ein Heliostatfeld (14), in dem eine Vielzahl von Heliostaten (12) angeordnet ist, die auf mehrere Sektoren (50A bis 50G, 58A bis 58F) verteilt sind, die Kreissektoren (50A bis 50G) umfassen, die jeweils entlang von parallelen Geraden angeordnete Reihen (52) von Heliostaten (12) umfassen. Die Normale der Geraden eines Kreissektors (50A bis 50G) ist gegenüber der Normalen der Geraden von jedem anderen Kreissektor (50A bis 50G) angestellt und die Kreissektoren (50A bis 50G) weisen jeweils einen receivernahen Abschnitt (54), in dem die Kreissektoren (50A bis 50G) benachbart zueinander angeordnet sind, und einen receiverfernen Abschnitt (56) auf. Zwischen zwei Kreissektoren (50A bis 50G) ist im Bereich von deren receiverfernen Abschnitten (56) jeweils mindestens ein Zwischensektor (58A bis 58F) angeordnet, in dem Heliostaten (12) in Reihen (59) entlang von parallelen Geraden angeordnet sind, deren Normale gegenüber den Normalen aller Kreissektoren (50A bis 50G) angestellt ist.

Description

Solarthermische Anlage
Die Erfindung betrifft eine solarthermische Anlage, insbesondere ein solarthermisches Kraftwerk.
Beispielsweise sind solarthermische Anlagen aus der Praxis in Form von solarthermischen Kraftwerken bekannt, die als zentrale Einheit einen sogenannten Solarturm umfassen, der als Receivereinheit dient und in dem konzentrierte Wärmeenergie unter Nutzung geeigneter Einrichtungen in elektrische Energie umgesetzt wird. Um von der Sonne abgegebene Strahlung im Bereich eines Receivers des Solarturms konzentrieren zu können, ist der Solarturm vor einem sogenannten Heliostatfeld angeordnet, in dem eine Vielzahl von Spiegeln bzw. Heliostaten gemäß einem vorgegebenen Muster verteilt sind, welche jeweils Sonnenstrahlung in Richtung des Receivers reflektieren. Die Helio- staten dienen also dazu, Sonnenstrahlung, die auf eine große Fläche einstrahlt, auf eine kleine Fläche, die von dem Receiver gebildet wird, zu konzentrieren, um dort hohe, kraftwerktechnisch nutzbare Temperaturen zu erzeugen. Das Muster, gemäß dem Heliostaten in dem Heliostatfeld angeordnet sind, beeinflusst die Betriebskosten und die Investitionskosten für das Heliostatfeld und somit auch die Stromgestehungskosten des gesamten Kraftwerks.
Ferner ist es bekannt, dass zur Optimierung der Anordnung der Heliostaten in dem Heliostatfeld neben Standortvorgaben auch der Wirkungsgrad des Heliostatfeldes im Tagesverlauf und im Jahresverlauf und Aspekte der Fertigung und der Montage, des Betriebs und der Wartung berücksichtigt werden sollten. Die Gewichtung der einzelnen vorgenannten Faktoren hängt bei gegebener Anlagengröße insbesondere von der Spiegelfläche und der damit korrelierten Anzahl an Heliostaten in dem Heliostatfeld ab. Je kleiner ein einzelner Heliostat und je größer damit die Anzahl der Heliostaten ist, desto bedeutender ist es, Aspekte der Fertigung, der Montierbarkeit und der Wartung bei der Anordnung der Heliostaten zu berücksichtigen.
Bisher wurden insbesondere Konzepte für die Anordnung von Heliostaten für Heliostaten mit sehr großen Spiegelflächen im Bereich zwischen 40 m2 und 180 m2 entwickelt. Bei Anordnungen, die für Heliostaten mit kleinen Spiegelflächen im Bereich zwischen
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1 m und 7 m oder mittelgroße Spiegelflächen im Bereich zwischen 7 m und 40 m entwickelt wurden, sind die Heliostaten bisher meist in geraden Reihen, die in Ost- West-Richtung verlaufen, angeordnet, so dass die Optimierung des Wirkungsgrades des Heliostatfeldes lediglich für eine Tageszeit, üblicherweise den solaren Mittag, erfolgt. Hierbei wurden insbesondere die Höhe des Solarturms und die Abstände der Heliostatreihen untereinander als Optimierungsgrößen herangezogen. Eine Optimierung des Wirkungsgrades des Heliostatfeldes im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Verteilung über den gesamten Tagesverlauf und den gesamten Jahresverlauf erfolgte bisher nicht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solarthermische Anlage zu schaffen, bei der die Heliostaten eines Heliostatfeldes derart angeordnet sind, dass gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik ein verbesserter Wirkungsgrad über den Tagesverlauf und den Jahresverlauf möglich ist.
Diese Aufgabe ist durch die solarthermische Anlage mit den Merkmalen des Patentan- Spruches 1 gelöst.
Die Erfindung hat also eine solarthermische Anlage, insbesondere ein solarthermisches Kraftwerk zum Gegenstand, die eine Receivereinheit und ein Heliostatfeld umfasst. In dem Heliostatfeld ist eine Vielzahl von Heliosten angeordnet, die auf mehrere Sektoren verteilt sind. Die Sektoren umfassen Kreissektoren, die jeweils entlang von parallelen Geraden angeordnete Reihen von Heliostaten umfassen. Die Normale der Geraden eines Kreissektors ist gegenüber der Normalen der Geraden jedes anderen Kreissektors angestellt. Die Kreissektoren weisen jeweils einen receivernahen Abschnitt auf, in dem die Kreissektoren benachbart zueinander angeordnet sind, und einen receiverfernen Abschnitt auf. Im Bereich der receiverfernen Abschnitte ist zwischen zwei Kreissekto- ren, die in dem receivernahen Abschnitt benachbart zueinander angeordnet sind, jeweils mindestens ein Zwischensektor angeordnet, in dem Heliostaten in Reihen entlang von parallelen Geraden angeordnet sind, deren Normale gegenüber den Normalen aller Kreissektoren angestellt ist.
Der Kern der Erfindung besteht mithin darin, das Heliostatfeld in eine Vielzahl von Sektoren bzw. Abschnitten zu unterteilen. In grober Annäherung sind die Kreissektoren entlang einer Kreislinie in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet. Mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit nimmt die Breite der Kreissektoren zu, so dass auch die Länge der Heliostatreihen zunimmt. Um die Länge und damit auch die Anzahl an Heliostaten in einer Heliostatreihe zu begrenzen, ist zwischen den receiverfernen Abschnitten der Kreissektoren jeweils ein zusätzlicher, hier als Zwischensektor bezeichneter Sektor eingefügt. Die Länge der Heliostatreihen in den Zwischensektoren nimmt mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit ebenfalls zu. Diese Länge kann durch Einfügen weiterer Zwischensektoren begrenzt werden, in denen wiederum Heliostaten in Reihen entlang von parallelen Geraden angeordnet sind, deren Normale gegenüber den Normalen der anderen Sektoren angestellt ist. Durch das erfindungsgemäß ausgebildete Heliostatfeld und die damit mögliche Begrenzung der Länge der Heliostatreihen ist es möglich, die einzelnen Heliostaten gegenüber der Receivereinheit in optimierter Weise anzuordnen.
Der Abstand zwischen den Heliostatreihen innerhalb eines Kreissektors beeinflusst mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit den Umfang der von näher an der Receivereinheit geblockten Strahlung. Um den Anteil der geblockten Strahlung zwischen den einzelnen Heliostaten und der Receivereinheit möglichst gering zu halten, haben bei einer bevorzugten Ausführungsform die benachbarten Reihen der Heliostaten in einem Kreissektor einen Abstand zueinander, der zumindest ab einem Grenzabstand mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit zunimmt. Entsprechend kann durch den zunehmenden Abstand zwischen benachbarten Heliostatreihen in einem Kreissektor ein gegenüber der Sonne erfolgendes Abschatten von Heliostaten durch andere Heliostaten des Heliostatfelds verringert werden.
Der Grenzabstand, ab dem der Abstand zwischen benachbarten Reihen der Heliostaten in einem Kreissektor zunimmt, kann insbesondere in Abhängigkeit von der geographischen Breite, bei der die Anlage aufgebaut ist, der Morphologie des Geländes, auf dem das Heliostatfeld angeordnet ist und von der Bauhöhe der Receivereinheit, d. h. von der Relativlage der Receivereinheit gegenüber den Heliostaten, gewählt werden.
Um auch im Bereich der Zwischensektoren ein Blocken von reflektierter Strahlung und ein Abschatten von Heliostaten durch andere Heliostaten zu minimieren, haben bei einer bevorzugten Ausführungsform der solarthermischen Anlage nach der Erfindung in entsprechender Weise benachbarte Reihen der Heliostaten in einem Zwischensektor einen Abstand zueinander, der mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit zunimmt.
Um die Herstellungskosten und damit auch die Stromgestehungskosten der solarthermischen Anlage nach der Erfindung möglichst gering zu halten, ist der Abstand zwischen den Heliostaten innerhalb einer Heliostatreihe zumindest in dem jeweiligen Sektor, vorzugsweise in dem gesamten Heliostatfeld einheitlich. Damit ist es möglich, zur Verkabelung der Heliostaten untereinander zwischen benachbarten Heliostaten vorkonfektionierte Kabel mit einheitlicher Länge zu verwenden, was die Herstellungskosten der solarthermischen Anlage beträchtlich verringert. Vorzugsweise sind die Heliostaten benachbarter Heliostatreihen in den Kreissektoren und/oder in den Zwischensektoren in gerader Richtung um einen halben Heliostatabstand zueinander versetzt. Damit ist zumindest weitgehend gewährleistet, dass jeder Heliostat Sonnenlicht durch eine Lücke zwischen zwei Heliostaten, die in einer benachbarten, näher an der Receivereinheit angeordneten Reihe angeordnet sind, auf die Receivereinheit reflektieren kann. Die Heliostaten benachbarter Heliostatreihen sind also innerhalb eines Sektors auf Lücke aufgestellt. Damit kann der Abstand der Heliostatreihen innerhalb eines Sektors bezogen auf die Receivereinheit in radialer Richtung gering gehalten werden, da der Reihenabstand nicht so groß gewählt werden muss, dass die Receivereinheit von jedem Heliostaten aus über die in Richtung Receivereinheit vor diesen Heliostaten angeordneten Heliostaten hinweg sichtbar ist. Dies fuhrt zu einer höheren Packungsdichte der Heliostaten und damit zu einem höheren Feldwirkungsgrad und einem insgesamt geringen Platzbedarf für das Heliostatfeld.
Um die vor einer Receivereinheit angeordnete Fläche optimiert nutzen zu können, umfasst das Heliostatfeld bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der solarthermischen Anlage nach der Erfindung einen vorderen Feldbereich, der zwischen den receivemahen Abschnitten der Kreissektoren und der Receivereinheit angeordnet ist und eine Vielzahl von Heliostaten umfasst. In diesem vorderen Feldbereich können die Heliostaten ohne weitere Unterteilung in Subsektoren in parallelen Reihen angeordnet sein, ohne dass dies zu Lasten des Feldwirkungsgrades gehen würde.
Vorzugsweise sind zwischen benachbarten Sektoren Wartungswege ausgebildet, deren Breite größer ist als der Abstand zwischen benachbarten Heliostaten innerhalb einer Heliostatreihe der Sektoren. Damit ist eine gute Zugänglichkeit der einzelnen Heliostaten auch mit schwerem Gerät gewährleistet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Ein Ausfuhrungsbeispiel einer solarthermischen Anlage ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Überblicksdarstellung eines solarthermischen Kraftwerks mit Solarturm und Heliostatfeld;
Fig. 2 eine Heliostatverteilung in dem Heliostatfeld;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Änderung des Abstandes zwischen Heliostatreihen mit zunehmendem Abstand von dem Solarturm wiedergibt;
Fig. 4 die Leistungsverteilung des solarthermischen Kraftwerks nach der Erfindung im Tagesverlauf und die Leistungsverteilung eines solarthermischen Kraftwerks nach dem Stand der Technik im Tagesverlauf;
Fig. 5 eine Heliostatverteilung bei einer zweiten Ausführungsform eines solarthermischen Kraftwerks;
Fig. 6 eine Heliostatverteilung bei einer dritten Ausführungsform eines solarthermischen Kraftwerks; und Fig. 7 eine Heliostatverteilung bei einer vierten Ausführungsform eines solarthermischen Kraftwerks. In Fig. 1 ist ein solarthermisches Kraftwerk 10 dargestellt, welches ein aus einer Vielzahl von Heliostaten 12 gebildetes Heliostat- bzw. Spiegelfeld und einen eine Receiver- bzw. Solarempfängereinheit darstellenden Solarturm 16 umfasst, der vor dem Heliostatfeld 14 angeordnet ist und in dessen Richtung von der Sonne 18 ausgehende Strahlung mittels der Heliostaten 12 in konzentrierter Weise reflektiert wird. Der Solarturm 16 weist zur Aufnahme der konzentrierten Strahlung einen Receiver 20 auf, in dem Luft erhitzt wird, die in einem Luftkreislauf 22 zirkuliert wird und /oder aus der Umgebung angesaugt wird. In dem Luftkreislauf 22 ist ein Dampfkessel 24 angeordnet, der auch einem Dampfkreislauf 26 zugeordnet ist und in dem zum Antreiben einer Turbine 28 heißer Dampf erzeugt wird. Die Turbine 28 treibt einen Generator 30 an, mittels dessen Strom erzeugt wird, der über eine Leitung 32 einem Stromnetz zugeführt wird. Der die Turbine 28 durchströmende Dampf wird in einem stromab der Turbine 28 angeordneten Kondensator 36 verflüssigt. Das resultierende Kondensat wird mittels einer Pumpe 38 wieder dem Dampfkessel 24 zugeführt. Der Kondensator 36 ist in einem Kondensator- kreislauf 40 mit einem mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Rückkühler 42 verbunden. Zum Betreiben des Kondensatorkreislaufs 40 weist diese des Weiteren eine Pumpe 44 auf.
Mit Hilfe der in dem Heliostatfeld 14 angeordneten Heliostaten 12 ist es möglich, die von der Sonne 18 abgegebene Strahlung in bis zu 1.000-fach konzentrierter Weise an dem Receiver 20 zu bündeln. Der Receiver 20 bewirkt, dass die Luft in dem Luftkreislauf 22 stromauf des Dampfkessels 24 und aus der Umgebungsluft angesaugte Luft durch die so eingestrahlte Sonnenenergie Wärme aufnimmt und auf Temperaturen von 600 °C bis 800 °C erhitzt wird. Diese Wärme wird zum einen an den Dampfkessel 24 und zum anderen an einen Wärmespeicher 46 weitergegeben, mittels dessen eine Dampferzeugung in dem Dampfkessel 24 in Zeiten möglich ist, in denen keine Solarstrahlung auf den Receiver 20 trifft.
In dem Heliostatfeld 14, von dem in Fig. 2 eine Draufsicht dargestellt ist, ist eine Vielzahl von in Fig. 2 jeweils durch einen ausgefüllten Kreis dargestellten Heliostaten angeordnet. Das Heliostatfeld 14 ist in eine Vielzahl von Bereichen aufgeteilt, in denen jeweils Heliostaten 12 in Reihen entlang von parallelen Geraden angeordnet sind.
Angrenzend an den Solarturm 16 weist das Heliostatfeld 14 einen so genannten vorde- ren Feldbereich 48 auf, dessen dem Solarturm 16 abgewandte Begrenzungslinie 49 zumindest annähernd einer Kreisbahn folgt. In dem vorderen Feldbereich 48 sind die Heliostaten 12 in Reihen 51 angeordnet, die sich in Ost- West-Richtung erstrecken.
An die Begrenzungslinie 49 des vorderen Feldbereichs 48 grenzen im vorliegenden Fall sieben so genannte Kreissektoren 50A bis 50G an, die jeweils von einem Polygonzug begrenzt sind, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind und in denen jeweils entlang von parallelen Geraden angeordnete Reihen 52 von Heliostaten 12 angeordnet sind. Die Normale der Geraden der Kreissektoren 50A bis 50G stellt zumindest in einer großzügigen Annäherung bezüglich der Begrenzungslinie 49 des vorderen Feldbereichs 48 eine Radiale dar. Des Weiteren sind die Normalen der Geraden der sieben Kreissektoren 50A bis 50G gegenüber den Normalen der Geraden jedes anderen Kreissektors 50A bis 50G angestellt, das heißt die Normalen spannen jeweils einen Winkel auf, der größer als Null Grad und kleiner als 180 Grad ist.
Das Anordnungsmuster der Heliostaten 12 in den Kreissektoren 50A bis 50G ist, abgesehen von den durch die Form des Feldes 14 vorgegebenen abgeschnittenen Rändern, jeweils identisch. Die Kreissektoren 50A bis 50G haben also gleiche Öffnungswinkel. Der Öffnungswinkel der Kreissektoren 50A bis 50G ergibt sich aus dem Quotienten des Gesamtöffnungswinkels des Heliostatfeldes 14 und der gewählten Anzahl an Kreissektoren.
Die Kreissektoren 50A bis 50G weisen jeweils einen receivernahen Abschnitt 54 und einen receiverfernen Abschnitt 56 auf. Der receivernahe Abschnitt 54 erstreckt sich ausgehend von der Receivereinheit bzw. dem Solarturm 16 bis zu einem Grenzabstand D. Ab dem Grenzabstand D beginnt der receiverferne Abschnitt 56 der Kreissektoren 50A bis 50G.
Des Weiteren ist zwischen jeweils zwei Kreissektoren, die in dem receivernahen Abschnitt 54 benachbart zueinander angeordnet sind, im Bereich der receiverfernen Abschnitte 56 ein von einem Polygonzug begrenzter, so genannter Zwischensektor 58A bis 58F angeordnet. In den Zwischensektoren 58 A bis 58F sind die Heliostaten 12 ebenfalls in Reihen 59 von parallelen Geraden angeordnet, deren Normale bezüglich der kreisförmigen Begrenzungslinie des vorderen Feldbereichs zumindest in grober Annäherung eine Radiale darstellt und gegenüber den Normalen aller anderen Sektoren 50 und 58 angestellt ist, das heißt einen Winkel aufspannt, der zwischen Null Grad und 180 Grad liegt.
Das Anordnungsmuster der Heliostaten 12 in den Zwischensektoren 58A bis 58F ist, abgesehen von den durch die Form des Feldes 14 vorgegebenen abgeschnittenen Rändern, jeweils identisch.
Die Reihen 52 der Kreissektoren 50A bis 50G haben in dem jeweiligen receivernahen Abschnitt 54 einen konstanten Abstand. In den receiverfemen Abschnitten 56, das heißt ab dem Grenzabstand D, nimmt der Abstand zwischen den Heliostatreihen 52 mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit 16 kontinuierlich zu.
Der Abstand der Heliostatreihen in den Zwischensektoren 58 nimmt ebenfalls mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit 16 zu.
Innerhalb der Heliostatreihen 52 und 59 sämtlicher Sektoren 50A bis 50G und 58A bis 58F des Heliostatfelds 14 ist der Abstand zwischen benachbarten Heliostaten 12 einheitlich.
In den Sektoren 50A bis 50G und 58A bis 58F sind benachbarte, das heißt hintereinander angeordnete Heliostatreihen so ausgelegt, dass sie in Geraden- bzw. Reihenrichtung um einen halben Heliostatabstand zueinander versetzt sind. Dies bedeutet, dass die Heliostaten 12, wie insbesondere auch dem vergrößerten Ausschnitt X in Fig. 2 zu entnehmen ist, auf Lücke angeordnet sind, so dass Solarstrahlung, die von den einzelnen Heliostaten 12 in Richtung der Receivereinheit 16 reflektiert wird, nicht oder nur teilweise von davor angeordneten Heliostaten geblockt wird.
Zwischen den einzelnen Sektoren 50 und 58 sind Wartungswege 60 ausgebildet, die frei von Heliostaten sind, so dass das Heliostatfeld 14 auch mit größerem Gerät zu War- tungs- und Reparaturzwecken zugänglich ist.
Die Parameter, mit denen der Wirkungsgrad des Heliostatfeldes 14 beeinflusst werden kann, umfassen bei gegebenen Abmessungen des Feldes 14 insbesondere den Mindestabstand zwischen den Heliostatreihen innerhalb eines Sektors 50A bis 50G, 58A bis 58F und in dem vorderen Feldbereich 48, die Zunahme des Abstandes zwischen den Heliostatreihen innerhalb eines Sektors 50A bis 50G, 58A bis 58F mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit 16, den Abstand der Heliostaten 12 innerhalb einer Heliostatreihe 51, 52 und 59 in dem vorderen Feldbereich 48 und in den Sektoren 50A bis 50G, 58A bis 58F, die Anzahl der Kreissektoren und Zwischensektoren, die maximale Länge der Heliostatreihen 52 und 59 in den Sektoren 50A bis 50G, 58A bis 58F. Insbesondere kann durch die Wahl entsprechender Werte für diese Parameter die Leistungsverteilung der Anlage über den Tag optimiert werden.
Wie Fig. 4 zu entnehmen ist, kann mit einer erfindungsgemäßen Aufstellung der Helio- staten eine Vergleichmäßigung der Anlagenleistung über den Tag erreicht werden, wohingegen die Leistungsverteilung bei einer Anlage nach dem Stand der Technik, bei der die Heliostaten nur in parallelen Reihen ohne weitere Unterteilung in Kreissektoren und Zwischensektoren im Wesentlichen einer Gauss-Verteilung folgt.
Der Abstand der Reihen innerhalb eines Sektors nimmt, wie oben bereits ausgeführt, ab einem Grenzabstand D mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit 16 zu. Die entsprechende Funktion x = B · d + A ist in Fig. 3 dargestellt, wobei bis zu dem Grenzabstand D die Reihen den Mindestabstand zueinander haben. A legt den Grenzabstand D fest. B bestimmt die Zunahme des Reihenabstandes x mit zunehmendem Abstand d zu der Receivereinheit. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Anlage nach der Erfindung mehrere Heliostatfelder umfasst, in denen Heliostaten jeweils nach dem vorstehend beschriebenen Aufstellprinzip angeordnet sind und die um eine Receivereinheit verteilt sind.
Beispielsweise für den in Fig. 5 dargestellten Fall, dass die solarthermische Anlage auch auf der einem Heliostatfeld 14 (Nordfeld) abgewandten Seite des Solarturms 16 Heliostaten 12 umfasst, sind diese Heliostaten 12 einem getrennten Heliostatfeld 14' (Südfeld) zugeordnet, in dem die Heliostaten 12 ebenfalls gemäß den vorgenannten Bedingungen angeordnet sind. Die Heliostaten 12 sind in den Heliostatfeldern 14, 14' also jeweils ebenfalls auf einen vorderen Feldbereich 48 und mehrere Kreissektoren 50 und mehrere Zwischensektoren 58 aufgeteilt, in denen sie jeweils in parallelen Reihen auf Lücke angeordnet sind. Die Normalen der Reihen der Heliostaten 12 der dann zwei Heliostatfelder 14, 14' können in diesem Fall auch parallel zueinander ausgerichtet sein bzw. zusammenfallen.
In Fig. 6 ist eine solarthermische Anlage dargestellt, bei der um einen Solarturm 16, der eine Receivereinheit darstellt, Heliostaten 12 auf vier ein Rundumfeld bildendes Heliostatfelder 14, 14', 14" und 14"' verteilt sind, die jeweils einen Öffnungswinkel von 90° haben und in denen die Heliostaten 12 ebenfalls gemäß den oben in Verbindung mit der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 4 genannten Bedingungen angeordnet sind. Die Heliostaten 12 der Heliostatfelder 14, 14', 14" und 14"' sind also jeweils ebenfalls auf einen vorderen Feldbereich 48 und mehrere Kreissektoren 50 und mehrere Zwischensektoren 58 aufgeteilt, in denen sie jeweils in parallelen Reihen auf Lücke angeordnet sind. Die Normalen der Reihen der Heliostaten 12 der vier Heliostatfelder 14, 14', 14", 14"' können in diesem Fall auch parallel zueinander ausgerichtet sein bzw. zusammenfallen.
In Fig. 7 ist eine solarthermische Anlage dargestellt, bei der um einen Solarturm 16, der eine Receivereinheit darstellt, Heliostaten 12 auf drei Heliostatfelder 14 (Nordfeld), 14' (Südostfeld) und 14" (Südwestfeld) verteilt sind, die jeweils einen Öffnungswinkel von etwa 120° haben und in denen die Heliostaten 12 ebenfalls gemäß den oben in Verbindung mit der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 4 genannten Bedingungen angeordnet sind. Die Heliostaten 12 in den drei Heliostatfeldern 14, 14' und 14", die unterschiedlich große Flächen einnehmen, sind also jeweils ebenfalls auf einen vorderen Feldbereich 48 und mehrere Kreissektoren 50 und mehrere Zwischensektoren 58 aufgeteilt, in denen sie jeweils in parallelen Reihen auf Lücke angeordnet sind. Die Normalen der Reihen der Heliostaten 12 der drei Heliostatfelder 14, 14', 14" könnten in diesem Fall auch parallel zueinander ausgerichtet sein bzw. zusammenfallen. Je nach geographischer Lage können bei einer solarthermischen Anlage mit mehreren Heliostatfeldern die Heliostatfelder unterschiedliche Flächen einnehmen. Bei einer auf der Erdnordhalbkugel installierten Anlage kann es sinnvoll sein, ein Nordfeld größer auszugestalten als die übrigen Heliostatfelder, da die Heliostaten nördlich der Receivereinheit in der Regel dann einen größeren Wirkungsgrad haben als die südlich angeord- neten Heliostaten. Bei einem auf der Südhalbkugel installierten Anlage gelten entge- gengesetzte Bedingungen, d. h. die südlich der Receivereinheit angeordneten Heliostate haben einen größeren Wirkungsgrad als die nördlich angeordneten Heliostaten.
Bezugszeichenliste 0 Kraftwerk
2 Heliostaten
4 Spiegelfeld
16 Solarturm
18 Sonne
0 Receiver
2 Luftkreislauf
4 Dampfkessel
6 Dampfkreislauf
8 Turbine
0 Generator
2 Leitung
6 Kondensator
38 Pumpe
0 Kondensatorkreislauf
2 Rückkühler
44 Pumpe
46 Wärmespeicher
48 vorderer Feldbereich
49 Begrenzungslinie
50 Kreissektor
51 Heliostatreihen
52 Heliostatreihen
54 recei vernaher Abschnitt
56 receiverferner Abschnitt
58 Zwischensektor
59 Heliostatreihen
60 Wartungsweg

Claims

Patentansprüche
Solarthermische Anlage, umfassend
- eine Receivereinheit ( 16) und
- ein Heliostatfeld ( 14), in dem eine Vielzahl von Heliostaten ( 12) angeordnet ist, die auf mehrere Sektoren (50A bis 50G, 58A bis 58F) verteilt sind, die Kreissektoren (50A bis 50G) umfassen, die j eweils entlang von parallelen Geraden angeordnete Reihen (52) von Heliostaten ( 12) umfassen, wobei die Normale der Geraden eines Kreissektors (50A bis 50G) gegenüber der Normalen der Geraden von j edem anderen Kreissektor (50A bis 50G) angestellt ist und die Kreissektoren (50A bis 50G) j eweils einen receivernahen Abschnitt (54), in dem die Kreissektoren (50A bis 50G) benachbart zueinander angeordnet sind, und einen receiverfernen Abschnitt (56) aufweisen, wobei zwischen zwei Kreissektoren (50A bis 50G) im Bereich von deren receiverfernen Abschnitten (56) j eweils mindestens ein Zwischensektor (58A bis 58F) angeordnet ist, in dem Heliostaten (12) in Reihen (59) entlang von parallelen Geraden angeordnet sind, deren Normale gegenüber den Normalen aller Kreissektoren (50A bis 50G) angestellt ist.
2. Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Reihen (52) der Heliostaten ( 12) in einem Kreissektor (50A bis 50G) einen Abstand zueinander haben, der zumindest ab einem Grenzabstand (D) mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit ( 16) zunimmt.
3 . Solarthermische Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Reihen (59) der Heliostaten ( 12) in einem Zwischensektor (58A bis 58F) einen Abstand zueinander haben, der mit zunehmendem Abstand von der Receivereinheit ( 16) zunimmt.
4. Solarthermische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Heliostaten (12) innerhalb einer Heliostatreihe (52, 59) zumindest in dem j eweiligen Sektor (50A bis 50G, 58A bis 58F), vorzugsweise in dem gesamten Heliostatfeld ( 14) einheitlich ist.
5. Solarthermische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heliostaten ( 12) benachbarter Heliostatreihen (52) in den Kreissektoren (50A bis 50F) und/oder in den Zwischensektoren (58A bis 58F) in Geradenrichtung um einen halben Heliostatabstand zueinander versetzt sind.
6. Solarthermische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Heliostatfeld (1 4) einen vorderen Feldbereich (48) umfasst, der zwischen den receivernahen Abschnitten (56) der Kreissektoren (50A bis 50G) und der Receivereinheit ( 16) angeordnet ist und eine Vielzahl von Heliostaten ( 12) umfasst.
7. Solarthermische Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heliostaten ( 12) in dem vorderen Feldbereich (48) in parallelen Reihen (5 1 ) angeordnet sind.
8. Solarthermische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Sektoren (50A bis 50G,
58A bis 58F) Wartungswege (60) angeordnet sind, deren Breite größer ist als der Abstand zwischen benachbarten Heliostaten ( 12) innerhalb einer Heliostatreihe (52, 59) der Sektoren (50A bis 50G, 58A bis 58F).
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