WO2013120740A2 - Solarthermisches kraftwerk und verfahren zum betreiben eines solarthermischen kraftwerks - Google Patents

Solarthermisches kraftwerk und verfahren zum betreiben eines solarthermischen kraftwerks Download PDF

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WO2013120740A2
WO2013120740A2 PCT/EP2013/052285 EP2013052285W WO2013120740A2 WO 2013120740 A2 WO2013120740 A2 WO 2013120740A2 EP 2013052285 W EP2013052285 W EP 2013052285W WO 2013120740 A2 WO2013120740 A2 WO 2013120740A2
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WO
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heat transfer
transfer medium
power plant
thermal power
solar
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PCT/EP2013/052285
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Tobias Hirsch
Michael Fiss
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • 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
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • 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 power plant, comprising a solar device, by means of which solar radiation from a liquid heat transfer medium heat transfer medium vapor can be generated, and a turbine device, which is provided the generated heat transfer medium vapor, wherein the solar device has a preheater / evaporator area and a superheater area ,
  • the invention further relates to a method for operating a solar thermal power plant, in which by means of solar radiation from liquid heat transfer medium superheated heat transfer medium vapor is generated, which is supplied to a turbine device.
  • the invention has for its object to provide a solar thermal power plant of the type mentioned, in which the turbine device is optimally operable even with fluctuating solar irradiation conditions.
  • an electric heater is arranged on the solar device, which has at least one electric heating element and by which heat transfer medium is heated.
  • Fluctuations in the solar irradiation conditions give rise to temperature fluctuations in the heat transfer medium vapor provided to the turbine device. Such temperature fluctuations are basically unfavorable for the operation of the turbine device.
  • heat transfer medium and in particular heat transfer medium vapor
  • An electric heater with one or more electric heating elements can be realized in a simple manner.
  • a resistance heating element with a heating wire is provided as the heating element.
  • a corresponding electrical heating element has a small time constant, which leads to good controllability. This makes it possible to compensate for temperature fluctuations by the electric auxiliary heater.
  • the temperature of the heat transfer medium vapor, which is used for the corresponding control of the electric heater can be measured with a small time constant, so as to achieve a good controllability.
  • An electric heater can be realized with relatively little use of materials and energy use.
  • the at least one electrical heating element is arranged on and in particular in a pipe through which heat transfer medium flows. It can thereby achieve a (controlled) heating of heat transfer medium by Vorbeiströmung on one and in particular a plurality of heating elements.
  • the at least one electrical heating element is a
  • Umströmungselement which flows past heat transfer medium.
  • the corresponding electrical heating element has a large surface area. The surface provides thermal contact with the passing
  • a corresponding electrical heating device can be in a simple and cost-effective manner in the solar device integrate.
  • the at least one electric heating element has a bar shape or plate shape.
  • one or more heating wires are integrated. They are electrically isolated from a surface of the rod or plate. They are in thermal communication with the surface of the rod or plate.
  • the at least one electrical heating element has a longitudinal extent in a main flow direction of the heat transfer medium. This allows effective (controlled) heating to be achieved.
  • the at least one electrical heating element is assigned to the superheater area.
  • effective heating of the (superheated) heat transfer medium vapor can be achieved and it is possible to effectively dampen temperature fluctuations with good controllability.
  • the at least one electrical heating element may be arranged in the superheater region or may be arranged below the superheater region.
  • the at least one electrical heating element is connected downstream of a last solar collector of the superheater region, which is the last solar collector in relation to a main flow direction of the heat transfer medium. This results in an effective compensation of temperature fluctuations, so that the turbine device is effectively operable.
  • the at least one electrical heating element between the last solar collector of the superheater area (in a corresponding strand) and an output of the superheater area is arranged. It is also possible that the at least one electrical heating element is connected downstream of an output of the superheater area. It is advantageous if the at least one electrical heating element is arranged outside a solar collector, through which heat transfer medium flows and in which the heat transfer medium is heated by the solar radiation. As a result, the solar heating of heat transfer medium in a solar collector by the electric heater is not disturbed.
  • control / regulating device which controls the electric heating device.
  • the electric heating device can be controlled or regulated by appropriate electrical current application dampen temperature fluctuations.
  • control / regulating device controls the electric heating device as a function of one or more state variables and in particular the temperature of the generated by the solar device
  • Heat transfer medium vapor on This makes it possible to realize a control loop which has a good control behavior, and temperature fluctuations in the generated heat transfer medium vapor can be kept low even under changing solar irradiation conditions.
  • At least one temperature sensor is provided, which measures a temperature of heat transfer medium vapor and which is signal-effectively connected to the control / regulation device.
  • the temperature can be measured easily with a short time constant. This makes it possible to realize an effective control loop with good control behavior.
  • a control target of the control device is a
  • This allows the turbine device to operate effectively.
  • temperature fluctuations can be compensated for by the electric heating device at lower temperatures (when the temperature falls below a lower temperature threshold). It is favorable if an injection device is provided, through which liquid heat transfer medium can be injected into the superheater region. This makes it possible to compensate for temperature fluctuations to higher temperatures (when an upper temperature threshold is exceeded).
  • overall effective operation of the turbine device can be achieved, since temperature fluctuations, both in the direction of low temperatures and in the direction of high temperatures, can be effectively compensated for.
  • Temperature fluctuations can also be limited to high temperatures if one or more solar collectors from the superheater area are defocused.
  • a precipitator for liquid heat transfer medium is assigned to the preheater / evaporator region, which provides liquid heat transfer medium of the injection device.
  • the at least one electrical heating element is a resistance heating element.
  • a resistance heating element comprises a heating wire, which is supplied with electric current.
  • This heating wire is arranged in a shell and in particular embedded.
  • the shell material is a material of high thermal conductivity, which preferably also ensures the electrical insulation.
  • the preheater / evaporator region and / or the superheater region has at least one strand and in particular a plurality of strands parallel to the flow with heat transfer medium, wherein one strand in particular has a plurality of a flow direction of the heat transfer medium has successively arranged solar collectors. Thereby can be achieved in the solar device relative to a surface area, a high energy input.
  • an electrical heating device is arranged on one or more bypass lines, which are arranged parallel to one or more main flow strands to the turbine device and whose flow is controlled as needed.
  • the bypass branch (s) are not or only partially put into operation. For example, if unstable
  • bypass lines associated with an adjusting device by which the flow through a bypass branch is adjustable and in particular can be released or blocked.
  • an optimized adaptation to weather conditions can be specified and, in particular, an operating mode of the solar thermal power plant for "unstable weather conditions" can be provided and switched on or off or also controlled; In adverse weather conditions, a large part of the mass flow or the entire mass flow of superheated steam generated flows through the one or more by-pass lines provided with an electric heater.
  • the invention is further based on the object of providing a method of the type initially mentioned, in which the turbine device can be effectively operated even in the event of fluctuations in the solar irradiation conditions.
  • the inventive method can be carried out on the solar thermal power plant according to the invention or the solar thermal power plant according to the invention can be operated with the inventive method.
  • superheated heat transfer medium vapor is heated by means of the at least one electrical heating element.
  • temperature fluctuations can be damped, in particular due to fluctuations in the solar irradiation conditions.
  • the heat transfer medium vapor is controlled and / or regulated in such a way with the at least one electrical heating element that temperature fluctuations in the heat transfer medium vapor which is supplied to the turbine device are minimized as the control target. As a result, the turbine device can be operated in an effective manner.
  • State variable can be measured with a small time constant, so that an effective control can be achieved.
  • the temperature is measured as a state variable.
  • the temperature of the heat transfer medium vapor can be measured in a simple and effective manner. It is also favorable if liquid heat transfer medium is controlled and / or injected in a controlled manner in heat transfer medium vapor. As a result, temperature fluctuations towards higher temperatures, ie when an upper temperature threshold is exceeded, can be damped.
  • heat transfer medium vapor is heated via the at least one electrical heating element, which is guided in a bypass strand which is parallel to a main branch to the turbine device and whose flow is controlled as needed.
  • a normal operation is such an operation in which the irradiation conditions are so stable that the temperature fluctuations do not exceed a certain threshold or no such exceeding is expected.
  • the (at least one) bypass branch is "released", that is, the flow mass flow through the bypass branch is increased.
  • additional heating takes place via the at least one electrical heating element in order to reduce thermal fluctuations in the total mass flow. It is thereby a variable adjustment of the mass flow, which is subject to an electric booster heater, adapted to weather conditions possible.
  • Figure 1 is a schematic representation (block diagram representation) of a
  • Figure 2 is a partial view of the power plant of Figure 1;
  • Figure 3 (a) is a schematic representation of a tube in which a first embodiment of electrical heating elements is arranged; a sectional view taken along the line bb of Figure 3 (a); a sectional view taken along the line cc of Figure 3 (a); an embodiment of a tube in which a second Aus ⁇ leadership example of electrical heating elements is arranged; a sectional view taken along the line bb of Figure 4 (a); a sectional view taken along the line cc of Figure 4 (a);
  • FIG. 5 (d) the pressure p 2 when liquid heat transfer medium enters the solar device
  • FIG. 5 (e) show the temperature T 2 of the liquid heat transfer medium entering the solar device.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a solar thermal power plant according to the invention, which is shown in FIG. 1 and designated therein by 10, comprises a solar device 12.
  • the solar device 12 generates heat transfer medium vapor by means of solar radiation 14 from liquid heat transfer medium, in particular water.
  • the solar device 12 includes an input 16, on which liquid
  • Heat transfer medium is coupled. It further comprises an outlet 18 to which superheated heat transfer medium vapor is provided.
  • the solar device 12 comprises a preheater / evaporator region 20 and a superheater region 22 connected downstream of this with respect to a flow direction of heat transfer medium.
  • a preheater / evaporator region 20 liquid heat transfer medium is preheated by means of solar radiation 14 and evaporated. This creates a two-phase flow.
  • steam provided by the preheater / evaporator section 20 is overheated.
  • the preheater / evaporator section 22 includes a plurality of strands 24a, 24b, etc. These strands 24a, 24b, etc. are arranged in parallel.
  • the input 16 is associated with a distributor 26, by means of which liquid heat transfer medium to the strands 24a, 24b, etc. is divided.
  • each strand 24a, 24b, etc. associated with its own control valve, so that for each strand 24a, 24b, etc., the mass flow through the heat transfer medium is individually adjustable.
  • Each strand 24a etc. comprises a plurality of solar collectors 28 arranged one behind the other. Solar radiation 14 is concentrated in a solar collector 28.
  • a solar collector 28 includes one or more absorber tubes, which are flowed through by heat transfer medium and to which the concentrated solar radiation is directed. In such a
  • Absorber tube is then heated liquid heat transfer medium via the concentrated solar radiation.
  • An exemplary embodiment of a solar collector is a trough collector such as parabolic trough collector.
  • the preheater / evaporator region 20 has an output 30.
  • the output 30 is assigned a junction 32.
  • By the merge 32 heat transfer medium of the individual strands 24a, 24b, etc. merged.
  • the preheater / evaporator section 20 provides a two-phase mixture of vaporized heat transfer medium and non-evaporated liquid heat transfer medium.
  • the output 30 is assigned a deposition device 34, which in particular comprises a deposition drum. At this deposition device 34 contained in the two-phase mixture liquid heat transfer medium is deposited.
  • the deposition device 34 has an outlet 36 to which heat transfer medium vapor (single-phase vapor) is provided to the superheater region 22.
  • the outlet 36 is in fluid communication with an inlet 38 of the superheater area 22.
  • a manifold 40 which divides the corresponding heat transfer medium vapor into strands 42a, 42b and so on. These strands 42a, 42b, etc. are arranged parallel to the flow of heat transfer medium vapor.
  • a strand 42a, 42b, etc. in turn, has a plurality of solar collectors 44 arranged one behind the other.
  • the number of strands 42a, 42b, etc. in the superheater region 22 may (but need not) correspond to the number of strands 24a, 24b, etc. in the preheater / evaporator region 20.
  • the superheater region 22 has an output which corresponds to the output 18 of the solar device 12. This output 18 is associated with a merger 46, into which the strands 42a, 42b, etc. open. By combining 26 of the heat transfer medium vapor from the superheater area 22 is summarized in order to decouple it at the output 18 can.
  • the preheater / evaporator region 20 is assigned a recirculation device 48.
  • the recirculation device 48 can be liquid
  • the recirculation device 48 has as the primary source of liquid heat transfer medium, the deposition device 34.
  • the deposition device 34 includes a line 50, which is coupled to the deposition device 34 (and in particular a separation drum).
  • a pump 52 is arranged on line 50.
  • the line 50 opens into a line 54 which is fluidly connected to the input 16 of the solar device 12.
  • the recirculation device 48 does not open into the inlet 16 via the line 50, but into the preheater / evaporator region 20 between the inlet 16 and the outlet 18, that is to say spaced from the inlet 16 into the preheater - / Evaporator area 20 opens.
  • the solar device 12 has an injection device 56. As will be explained in more detail below, this injector 56 can be used to stabilize the temperature of liquid heat transfer medium into the superheater. inject area 22.
  • the injector 56 has for this purpose a line 58, which opens via a corresponding distributor 60 in the corresponding strands 42a, 42b, etc. of the superheater area 22.
  • a corresponding inlet region, into which the line 58 opens, lies in this case in front of a last solar collector 44 of the corresponding strand 42a, etc., which is connected directly to the outlet 36 in a fluid-efficient manner, and lies after a first solar collector 44, which is in fluid communication with the first Input 38 is directly connected.
  • the conduit 58 is fluidly connected to the conduit 50 of the recirculation means 48 in one embodiment. This can be done by the
  • Separator 34 provided hot liquid heat transfer medium can be used to inject it into the superheater region 22.
  • the pump 52 can cause a corresponding promotion.
  • a control valve 62 is arranged on the line 58, via which the injection quantity is adjustable.
  • This control valve 62 is controlled in particular by a control / regulating device 64.
  • each string or group of strands is associated with a controllable control valve 63 to achieve individual adjustability.
  • the control valves 63 are controlled by the control / regulating device 64.
  • Injector 56 further includes a conduit 66 fluidly coupled to conduit 54 (which is fluidly coupled to input 16 of solar device 12). It can thereby provide fresh "cool" heat transfer medium.
  • the line 66 opens via a valve 68 in the line 50th
  • the valve 68 is actuated by the control / regulating device 64.
  • the output 18 of the solar device 12 is fluidly coupled to a turbine device 72 via a line 70.
  • a valve 74 is arranged, through which the mass flow of superheated heat transfer medium vapor, which is provided by the solar device 12 of the turbine device 72, is adjustable.
  • the turbine device 72 comprises a high pressure steam turbine 76. This is connected via an input 78 on the input side to the valve 74. At the high pressure steam turbine 76 mechanical energy is generated by a partial relaxation of heat transfer medium vapor.
  • the high pressure steam turbine 76 further includes an output 80 at which partially released heat transfer medium vapor is provided.
  • This output 80 is in fluid communication with a first input 82 of a reheater 84 via a line 81.
  • the reheater 84 has a first output 86.
  • Between the first input 82 and the first output 86 of the reheater 84 has a heating section 88.
  • heat transfer medium vapor is reheated between.
  • This superheated heat transfer medium vapor is provided to a low pressure steam turbine 90.
  • the low-pressure steam turbine 90 has for this purpose an inlet 92, which is fluidly connected via a line 94 to the first outlet 86 of the reheater 84.
  • the low-pressure steam turbine 90 is operated by the corresponding steam.
  • the high-pressure steam turbine 76 and the low-pressure steam turbine 90 form a multi-stage turbine device 72, which provide mechanical energy to generate usable electrical current via a generator 96.
  • the reheater 84 is a heat exchanger, which with heat transfer medium vapor from the solar device 12 (and / or a storage Device 98, as described in more detail below) is supplied as a heat transfer medium for performing the reheat.
  • a line 100 is coupled to the line 70.
  • a valve 102 is arranged on the line 100.
  • the conduit 100 is in fluid communication with a second input 104 of the reheater 84.
  • the reheater 84 further includes a second output 106.
  • heat transfer medium vapor flows as a heat transfer medium.
  • the second outlet 106 of the reheater 84 is in fluid communication with a separation drum 110 via a conduit 108. Liquid heat transfer medium is separated from heat transfer medium vapor at the separation drum 110.
  • the low-pressure steam turbine 90 has an output 112. From this output 112, a line 114 leads to a capacitor 116. At the condenser 116, heat transfer medium vapor is condensed. At an output 118 of the condenser 116, liquid heat transfer medium is then provided in a single-phase flow.
  • This outlet 118 is in fluid communication via a conduit 120 with a low pressure preheater 122.
  • This low pressure preheater 122 includes one or more heat exchangers. Liquid heat transfer medium flows through the low-pressure preheater 122.
  • the low-pressure preheater 122 is heated in particular by means of liquid heat transfer medium which is provided by the low-pressure steam turbine 90 (indicated in FIG. 1 by the letter B).
  • a pump 124 for conveying the liquid heat transfer medium is arranged.
  • the low-pressure preheater 122 is on the output side in conjunction with the Abscheidetrommel 110. Corresponding liquid heat transfer medium, which has passed through the Niederbuchvormaschiner 122 is coupled there.
  • An exit of the separation drum 110 is in fluid communication with a high pressure preheater 128 via a conduit 126.
  • This high pressure preheater 128 may comprise one or a plurality of heat exchangers.
  • the one or more heat exchangers are in particular heated by heat transfer medium (in particular liquid heat transfer medium), which is provided by the high-pressure steam turbine 76. This is indicated in Figure 1 by the letter A.
  • a pump 130 is arranged on the line 126.
  • An output of the high pressure preheater 128 is in fluid communication with the conduit 54.
  • the storage device 98 may have a multi-stage design, for example with a preheater region 132, an evaporator region 134 and an overheater region 136.
  • the preheater region 132, the evaporator region 134 and the superheater region 136 each comprise corresponding storage elements 138.
  • a storage element is designed as a phase change medium storage element ,
  • the memory device 98 provides overheated steam, which does not necessarily have to be stored by itself.
  • the storage device has an input 140 which is in fluid-effective connection with the line 54 via a line 142.
  • a valve 144 is arranged on line 142. Via this line 142 and the input 140, liquid heat transfer medium ("fresh water”) can be coupled into the storage device 98.
  • the inlet 140 is connected via a further line 146, on which a valve 148 is disposed, also in fluidly effective connection with the line 54.
  • a valve 148 is disposed, also in fluidly effective connection with the line 54.
  • On the line 146 is seated a pump 150.
  • the valves 144 and 148 are check valves. It can be adjusted by whether the line 142 or the line 146 (or none of these two lines 142 or 146 or none of these
  • Lines are open.
  • the flow direction is opposite to the line 146 in the line 142.
  • liquid heat transfer medium from the storage device 98 can be coupled into the line 54.
  • the input 140 acts as an output for liquid heat transfer medium.
  • the memory device 98 further has an output 152 at which
  • Heat transfer medium vapor (as superheated heat transfer medium vapor) is provided.
  • This output 152 is in fluid-effective connection with the high-pressure steam turbine 76 via a line 153, on which a valve 154 is seated.
  • the valves 74 and 154 are in particular designed as controllable valves. This allows you to adjust an admixture. It is possible to set whether steam is supplied from the storage device 98 or from the solar device 12 (in particular either from the solar device 12 or the storage device 98) of the high-pressure steam turbine 76 for its operation.
  • the high-pressure steam turbine 76 is preceded by a control valve 156, by means of which the corresponding mass flow can be set.
  • the conduit 100 is coupled to the conduit 153 via a valve 158 and a conduit 160.
  • the valves 102 and 158 are in particular rule bare valves. By them can SET len, whether steam from the solar device 12 or the Speichererein device 98 (in particular either from the solar device 12 or the storage device 98) the second input 104 of the reheater 84 for reheating the furnished ontoachmed ium- steam, which from the high-pressure steam turbine 76th is provided, and an admixture can also be set.
  • the solar irradiation conditions for the solar device 12 are subject to temporal fluctuations; For example, a time-varying cloud cover causes corresponding fluctuations.
  • Fig. 5 (a) there is shown a typical course of radiation power to the solar device 12 per unit area over time (in hours).
  • the temperature Ti of superheated heat transfer medium vapor (live steam), which leaves the solar device 12 at the outlet 18, is subject to corresponding fluctuations over time. This is shown in FIG. 5 (b).
  • the corresponding curve is based on simulations assuming the radiation profile according to FIG ur 5 (a).
  • the mass flow at the valve 162 is set to a constant value m 2 . Falls below the
  • liquid heat transfer medium which is coupled into the solar device 12 with a temperature T 2 and a pressure p 2 , is also subject to fluctuations caused by the fluctuations in the irradiation conditions.
  • FIG. 5 (d) shows the curve of the pressure of the liquid heat transfer medium entering the solar device 12
  • FIG. 5 (e) shows the corresponding curve of the temperature T 2 , which is likewise subject to corresponding fluctuations.
  • Temperature exceedances above a predetermined value for optimized operation of the turbine device 72 can be compensated for by injecting liquid heat transfer medium into the superheater region 22 via the injection device 56. It can thereby achieve a cooling.
  • the solar device 12 is provided with an electric heating device 162 (FIG. 2).
  • the electric heater 162 provides one or more additional heat sources outside the solar radiation 14 to heat the heat transfer medium.
  • temperature fluctuations can be compensated to prevent, in particular, an excessive drop in the temperature Ti at the exit of the heat transfer medium vapor from the solar device 12.
  • the electric heater 162 is arranged in particular on the superheater region 22.
  • It comprises one or more electrical heating elements 164 (FIGS. 3 and 4).
  • Such electrical heating elements 164 are arranged in particular in a corresponding tube 166, which after the last solar collector 45 lies.
  • the "last" solar collector 45 is the one which lies directly in front of the outlet 18.
  • electrical heating elements 164 may also be arranged in the line 70. (This is indicated in Figure 1 by the reference numeral 167.)
  • each strand 42a, 42b, etc. of the superheater region 22 may be assigned one or more electrical heating elements 164.
  • the electric heater 162 is disposed on the conduit 70, it is associated with a plurality of strands 42a, 42b and so on.
  • the preheater / evaporator region 20 is provided with an electric heater 162.
  • a first embodiment of an electric heating element 164 is designed as a rod 168.
  • the rod 168 has a longitudinal extent in one
  • Direction 170 which is at least approximately parallel to a longitudinal extension direction corresponding to the tube 166.
  • the direction 170 is particularly parallel to a main flow direction of the heat transfer medium in the tube 166.
  • An electric heating element 164 is designed in particular as a resistance heating element.
  • a current-carrying element such as a heating coil is arranged in the rod 168. This is supplied with electric current, whereby heating takes place by the electrical resistance.
  • the corresponding electrical conductor is arranged fluid-tight in the rod 168 and in particular embedded.
  • the material of the rod 168 is made of a thermally conductive material.
  • the rod 168 and thus the electric heating element 164 is arranged in an inner space 172 of the tube 176. Heat transfer medium flows past it. Essentially an entire surface of the electric heating element 164 (of the rod 168) is located in the flow of heat transfer medium. med iums in thermal contact with it in order to heat the heat transfer medium.
  • the electric heating element 164 forms a bypass element, which is flowed around by heat transfer medium.
  • a plurality of electrical heating elements 164 in the corresponding raw r 166 are angeord net. These are preferably aligned parallel to each other.
  • Adjacent heating elements 164 are spaced from each other, so that a gap between them is flowed through.
  • the plates 174 are formed as electrical resistance elements. In them, one or more electrical conductors (heating coils) are angeord net, which are acted upon by electric current d and heat the plate 174 accordingly.
  • the material of the plate 174 is made of a thermally conductive material. Heat transfer medium, which flows past, is then just ls heated.
  • the electrical heating device 162 with the respective heating elements 164 is controlled by the control / regulation device 64. This ensures that, if necessary, temperature fluctuations in the heat transfer medium vapor are compensated; If the temperature is too low, a corresponding electrical heating by the electric heater 162 takes place.
  • the solar device 12 is (at least) a temperature sensor 176 zugeord net, which has a tempera ture Ti Ti of the heat transfer medium Steam measures.
  • the temperature sensor 176 is connected, for example, on the line 70 to the output of the solar device 12. However, it can also be arranged within the superheater area 22.
  • the temperature sensor 176 provides its measurement signals to the control / regulation device 64. This then controls, based on the temperature signals of the temperature sensor 176, wherein the corresponding temperature Ti is a state quantity of the generated heat transfer medium vapor, the electric heater 162 and the injector 56 at. In this case, the control target is an equalization of the temperature Ti.
  • the electric heater 162 is activated accordingly and heats the heat transfer medium vapor.
  • the controller 64 controls the injector 56 and liquid heat transfer medium is injected into the superheater region 22.
  • the electric heater 162 can be realized with low investment costs, since in particular the use of material is relatively low.
  • the actuator of a corresponding electric heating element 164 is a heating wire. This has small time constants, so that a good controllability exists.
  • the state variable temperature required for the control can be measured by the temperature sensor 176 with a small time constant, so that this also contributes to good controllability.
  • an attenuation of temperature fluctuations can also be carried out in the direction of the temperatures (with respect to falling below a lower temperature threshold).
  • the turbine device 72 can be operated optimally. In a simple and inexpensive way, temperature fluctuations can be kept low. It can also be short-term
  • Temperature fluctuations for example, in the range of minutes.
  • bypass strands 178 are provided on the line 70 (main line) for the supply of superheated steam to the turbine device 72.
  • One or more bypass lines 178 is associated with an adjusting device 180, by which is switchable, whether the corresponding bypass line is traversed by heat transfer medium vapor or not and optionally with what amount (that is, with what mass flow).
  • the adjusting device 180 is controlled so that the bypass strand 178 is not or little flowed through. Normal operation is defined by the fact that the temperature fluctuations do not exceed a threshold.
  • a flow through the at least one bypass strand 178 is enabled or increased via the switching device 180 in a controlled manner.
  • an electrical heating device 162 is arranged on the at least one bypass strand 178.
  • heat transfer medium superheated steam only flows through the bypass strand 178, that is, the entire mass flow of superheated steam, which is provided by the solar device 12, passes through the bypass strand 178 with the electric heater 162.
  • an operating mode can be set in which, in unstable weather situations, a corresponding throughflow is provided. If then high temperature fluctuations occur be waited for the at least one bypass strand 178 to reduce the temperature fluctuations using the local electric heater 162. It can thereby reduce the load and life of the electric heater 162, since in favorable weather conditions, a bypass strand 178 is flowed through or less, and it can be minimized pressure losses.
  • the turbine apparatus The turbine apparatus

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Abstract

Es wird ein solarthermisches Kraftwerk bereitgestellt, umfassend eine Solareinrichtung, an welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung, welcher der erzeugte Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich aufweist, wobei an der Solareinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet ist, welche mindestens ein elektrisches Heizelement aufweist und durch welche Wärmeträgermedium heizbar ist.

Description

Solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks
Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Solareinrichtung, an welcher mittels Solarstrahlung aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung, welcher der erzeugte Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung einen Vorwärmer-/Verdampferbereich und einen Überhitzerbereich aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, bei dem mittels Solarstrahlung aus flüssigem Wärmeträgermedium überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt wird, welche einer Turbineneinrichtung zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solarthermisches Kraftwerk der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem die Turbineneinrichtung auch bei schwankenden solaren Einstrahlungsbedingungen optimiert betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten solarthermischen Kraftwerk erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an der Solareinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet ist, welche mindestens ein elektrisches Heizelement aufweist und durch welche Wärmeträgermedium heizbar ist.
Durch Schwankungen in den solaren Einstrahlungsbedingungen entstehen Temperaturfluktuationen in dem Wärmeträgermedium-Dampf, welcher der Turbineneinrichtung bereitgestellt ist. Solche Temperaturfluktuationen sind grundsätzlich ungünstig für den Betrieb der Turbineneinrichtung. Durch das Vorsehen einer elektrischen Heizeinrichtung lässt sich insbesondere bei Bedarf Wärmeträgermedium (und insbesondere Wärmeträgermedium- Dampf) unabhängig von den solaren Einstrahlungsbedingungen heizen.
Dadurch können dann gesteuert bzw. geregelt Temperaturfluktuationen in dem durch die Solareinrichtung erzeugten Wärmeträgermedium-Dampf gedämpft werden.
Ein elektrische Heizeinrichtung mit einem oder mehreren elektrischen Heizelementen lässt sich auf einfache Weise realisieren. Beispielsweise ist als Heiz- element ein Widerstandsheizelement mit einem Heizdraht vorgesehen. Ein entsprechendes elektrisches Heizelement weist eine kleine Zeitkonstante auf, was zu einer guten Regelbarkeit führt. Dies ermöglicht es, Temperaturfluktuationen durch die elektrische Zusatzheizung auszugleichen. Auch die Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs, die zur entsprechenden Ansteuerung der elektrischen Heizeinrichtung verwendet wird, lässt sich mit kleiner Zeitkonstante messen, um so eine gute Regelbarkeit zu erreichen.
Eine elektrische Heizeinrichtung lässt sich mit relativ geringem Materialeinsatz und auch Energieeinsatz realisieren.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement an und insbesondere in einem von Wärmeträgermedium durchströmten Rohr angeordnet ist. Es lässt sich dadurch eine (gesteuerte) Aufheizung von Wärmeträger- medium durch Vorbeiströmung an einem und insbesondere mehreren Heizelementen erreichen.
Insbesondere ist das mindestens eine elektrische Heizelement ein
Umströmungselement, an welchem Wärmeträgermedium vorbeiströmt. Das entsprechende elektrische Heizelement weist eine große Oberfläche auf. Die Oberfläche stellt den thermischen Kontakt mit dem vorbeiströmenden
Wärmeträgermedium bereit. Eine entsprechende elektrische Heizeinrichtung lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise in die Solareinrichtung integrieren. Beispielsweise hat das mindestens eine elektrische Heizelement eine Stabform oder Plattenform. Beispielsweise in einem Stab oder einer Platte sind ein oder mehrere Heizdrähte integriert. Sie sind dabei gegenüber einer Oberfläche des Stabs oder der Platte elektrisch isoliert. Sie stehen dabei in thermischer Verbindung mit der Oberfläche des Stabs oder der Platte.
Günstig ist es, wenn an dem Rohr eine Mehrzahl von beabstandeten elektrischen Heizelementen angeordnet ist, wobei insbesondere in einem Zwischenbereich zwischen benachbarten elektrischen Heizelementen Wärmeträger- medium strömt. Dadurch lässt sich eine große Wärmeübertragungsoberfläche zur Aufheizung von das Rohr durchströmendem Wärmeträgermedium-Dampf erreichen.
Insbesondere weist das mindestens eine elektrische Heizelement eine Längs- erstreckung in einer Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums auf. Dadurch lässt sich eine effektive (gesteuerte) Aufheizung erreichen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement dem Überhitzerbereich zugeordnet ist. Dadurch lässt sich eine effek- tive Aufheizung des (überhitzten) Wärmeträgermedium-Dampfs erreichen und es lassen sich Temperaturschwankungen auf effektive Weise mit guter Regelbarkeit dämpfen. Das mindestens eine elektrische Heizelement kann dabei in dem Überhitzerbereich angeordnet sein oder nachfolgend dem Überhitzerbereich angeordnet sein.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement einem bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums letzten Solarkollektor des Überhitzerbereichs nachgeschaltet ist. Dadurch ergibt sich eine effektive Ausgleichbarkeit von Temperaturfluktuationen, so dass die Turbineneinrichtung effektiv betreibbar ist.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das mindestens eine elektrische Heizelement zwischen dem letzten Solarkollektor des Überhitzerbereichs (in einem entsprechenden Strang) und einem Ausgang des Überhitzerbereichs angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass das mindestens eine elektrische Heizelement einem Ausgang des Überhitzerbereichs nachgeschaltet ist. Günstig ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement außerhalb eines Solarkollektors angeordnet ist, welcher von Wärmeträgermedium durchströmt ist und in welchem das Wärmeträgermedium durch die Solarstrahlung erhitzt wird . Dadurch wird die solare Erhitzung von Wärmeträgermedium in einem Solarkollektor durch die elektrische Heizeinrichtung nicht gestört.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Steuerungs-/Regelungs- einrichtung vorgesehen ist, welche die elektrische Heizeinrichtung ansteuert. Dadurch lassen sich gesteuert bzw. geregelt durch entsprechende elektrische Strombeaufschlagung Temperaturschwankungen dämpfen.
Insbesondere steuert die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die elektrische Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustandsgrößen und insbesondere der Temperatur des durch die Solareinrichtung erzeugten
Wärmeträgermedium-Dampfs an. Es lässt sich dadurch ein Regelkreis reali- sieren, welcher ein gutes Regelungsverhalten hat, und Temperaturfluktuationen in dem erzeugten Wärmeträgermedium-Dampf lassen sich auch bei wechselnden solaren Einstrahlungsbedingungen gering halten.
Insbesondere ist mindestens ein Temperatursensor vorgesehen, welcher eine Temperatur von Wärmeträgermedium-Dampf misst und welcher signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung verbunden ist. Die Temperatur lässt sich auf einfache Weise mit einer kurzen Zeitkonstante messen. Dadurch lässt sich ein effektiver Regelkreis mit gutem Regelverhalten realisieren. Insbesondere ist ein Regelziel der Steuerungs-/Regelungseinrichtung eine
Vergleichmäßigung der Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs, welcher der Turbineneinrichtung bereitgestellt ist. Dadurch lässt sich die Turbineneinrichtung effektiv betreiben. Durch die elektrische Heizeinrichtung lassen sich insbesondere Temperaturschwankungen zu niedrigeren Temperaturen (bei Unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle) ausgleichen. Günstig ist es dann, wenn eine Einspritz- einrichtung vorgesehen ist, durch welche flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich einspritzbar ist. Dadurch lassen sich Temperaturschwankungen zu höheren Temperaturen (bei Überschreiten einer oberen Temperaturschwelle) ausgleichen. Dadurch lässt sich insgesamt ein effektiver Betrieb der Turbineneinrichtung erreichen, da sich auf effektive Weise Tem- peraturschwankungen sowohl in Richtung zu niedrigen Temperaturen als auch in Richtung zu hohen Temperaturen ausgleichen lassen. Temperaturschwankungen können auch zu hohen Temperaturen hin limitiert werden, wenn ein oder mehrere Solarkollektoren aus dem Überhitzerbereich defo- kussiert werden.
Beispielsweise ist dem Vorwärmer-/Verdampferbereich eine Abscheidungsein- richtung für flüssiges Wärmeträgermedium zugeordnet, welcher flüssiges Wärmeträgermedium der Einspritzeinrichtung bereitstellt. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine elektrische Heizelement ein Widerstandsheizelement ist. Ein solches Widerstandsheizelement umfasst einen Heizdraht, welcher mit elektrischem Strom beaufschlagt wird . Dieser Heizdraht ist in einer Hülle angeordnet und insbesondere eingebettet. Das Hüllenmaterial ist dabei ein Material hoher thermischer Leitfähigkeit, welches vorzugsweise auch für die elektrische Isolierung sorgt.
Für eine effektive Dampferzeugung ist es günstig, wenn der Vorwärmer-/Ver- dampferbereich und/oder der Überhitzerbereich mindestens einen Strang und insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf die Durchströmung mit Wärme- trägermedium parallelen Strängen aufweist, wobei ein Strang insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf eine Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums hintereinander angeordneten Solarkollektoren aufweist. Dadurch lässt sich in der Solareinrichtung bezogen auf einen Flächenbereich ein hoher Energieeintrag erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass eine elektrische Heiz- einrichtung an einem oder mehreren Bypasssträngen angeordnet ist, welche parallel zu einem oder mehreren Hauptströmungssträngen zu der Turbineneinrichtung angeordnet sind und deren Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert ist. Für den "Normalbetrieb" werden der oder die Bypassstränge nicht oder nur teilweise in Betrieb genommen. Wenn beispielsweise instabile
Wettersituationen vorliegen, mit der Gefahr erhöhter Temperaturfluktuationen, dann wird für eine erhöhte Durchströmung des oder der Nebenstränge gesorgt. Dadurch lässt sich die Belastung der elektrischen Heizeinrichtung verringern und deren Lebensdauer erhöhen. Gleichzeitig lassen sich Druckverluste minimieren.
Es ist dann insbesondere dem oder den Bypasssträngen eine Einsteileinrichtung zugeordnet, durch welche die Durchströmung eines Bypassstrangs einstellbar und insbesondere freigebbar oder sperrbar ist. Dadurch ist eine optimierte Anpassung an Wetterbedingungen vorgebbar und insbesondere lässt sich auch ein Betriebsmodus des solarthermischen Kraftwerks für "instabile Wetterbedingungen" bereitstellen und einschalten beziehungsweise ausschalten oder auch steuern; bei ungünstigen Wetterbedingungen durchströmt ein großer Teil des Massenstroms oder der gesamte Massenstrom an erzeugtem überhitzten Dampf den oder die mit einer elektrischen Heizeinrichtung versehenen Bypassstränge.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem die Turbineneinrichtung auch bei Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen effektiv betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Wärmeträgermedium-Dampf mittels mindestens eines elektrischen Heizelements gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläuterten Vorteile auf. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf dem erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerk durchführen bzw. das erfindungsgemäße solarthermische Kraftwerk lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.
Insbesondere wird überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf mittels des mindestens einen elektrischen Heizelements erhitzt. Dadurch lassen sich bei entsprechender Steuerung bzw. Regelung effektiv Temperaturfluktuationen insbesondere bedingt durch Schwankungen der solaren Einstrahlungsbedingungen dämpfen. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Wärmeträgermedium-Dampf so mit dem mindestens einen elektrischen Heizelement gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird, dass Temperaturschwankungen in dem Wärmeträgermedium- Dampf, welcher der Turbineneinrichtung zugeführt wird, als Regelziel minimiert werden. Dadurch lässt sich die Turbineneinrichtung auf effektive Weise betreiben.
Für eine effektive Regelung ist es günstig, wenn mindestens eine Zustandsgröße des Wärmeträgermedium-Dampfs gemessen wird . Eine solche
Zustandsgröße lässt sich mit kleiner Zeitkonstante messen, sodass eine effek- tive Regelung erzielbar ist. Insbesondere wird als Zustandsgröße die Temperatur gemessen. Die Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs lässt sich auf einfache und effektive Weise messen. Günstig ist es auch, wenn flüssiges Wärmeträgermedium gesteuert und/oder geregelt in Wärmeträgermedium-Dampf eingespritzt wird. Dadurch lassen sich Temperaturschwankungen zu höheren Temperaturen hin, das heißt wenn eine obere Temperaturschwelle überschritten wird, dämpfen.
Es kann vorgesehen sein, dass Wärmeträgermedium-Dampf über das mindestens eine elektrische Heizelement erhitzt wird, welcher in einem Bypass- strang geführt wird, der parallel zu einem Hauptstrang zu der Turbineneinrichtung ist und dessen Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert wird . Bei normalem Betrieb des solarthermischen Kraftwerks erfolgt keine oder eine geringe Durchströmung des (mindestens einen) Bypassstrangs. Ein normaler Betrieb ist ein solcher Betrieb, bei dem die Einstrahlungsbedingungen derart stabil sind, dass die Temperaturfluktuationen eine bestimmte Schwelle nicht überschreiten beziehungsweise kein solches Überschreiten erwartet wird .
Wenn instabile Wetterbedingungen vorliegen mit der Gefahr, dass Temperaturfluktuationen die Schwelle überschreiten, wird der (mindestens eine) Bypassstrang "freigegeben", das heißt es wird der Durchströmungs-Massen- strom im Bypassstrang erhöht. In dem Bypassstrang erfolgt eine Zusatzheizung über das mindestens eine elektrische Heizelement, um thermische Fluktuationen im Gesamtmassenstrom zu verringern . Es ist dadurch eine variable Einstellung des Massenstroms, der einer elektrischen Zusatzheizung unterliegt, angepasst an Wetterbedingungen möglich.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung . Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Darstellung (Blockschaltbilddarstellung) eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraftwerks;
Figur 2 eine Teildarstellung des Kraftwerks gemäß Figur 1; Figur 3(a) eine schematische Darstellung eines Rohrs, in welchem ein erstes Ausführungsbeispiel von elektrischen Heizelementen angeordnet ist; eine Schnittansicht längs der Linie b-b gemäß Figur 3(a); eine Schnittansicht längs der Linie c-c gemäß Figur 3(a); ein Ausführungsbeispiel eines Rohr, in welchem ein zweites Aus¬ führungsbeispiel von elektrischen Heizelementen angeordnet ist; eine Schnittansicht längs der Linie b-b gemäß Figur 4(a); eine Schnittansicht längs der Linie c-c gemäß Figur 4(a);
Diagramme bezüglich des Verhaltens des solarthermischen Kraftwerks gemäß Figur 1 bei zeitlich wechselnden Einstrahlungsbedingungen; die Diagramme sind das Ergebnis von Simulationen, wobei die Vorgabe der Solarstrahlung auf eine Solareinrichtung in zeitlicher Abhängigkeit zeigt; den Verlauf der Temperatur Ti von Wärmträgermedium-Frischdampf zeigt;
den Dampfstrom ml aus der Solareinrichtung und m2 in eine Turbineneinrichtung; Figur 5(d) den Druck p2 beim Eintritt von flüssigem Wärmeträgermedium in die Solareinrichtung; und Figur 5(e) die Temperatur T2 von flüssigem Wärmeträgermedium bei Eintritt in die Solareinrichtung zeigen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen solarthermischen Kraft- werks, welches in Figur 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Solareinrichtung 12. An der Solareinrichtung 12 wird mittels Solarstrahlung 14 aus flüssigem Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt. Die Solareinrichtung 12 umfasst einen Eingang 16, an welchem flüssiges
Wärmeträgermedium eingekoppelt wird . Sie umfasst ferner einen Ausgang 18, an welchem überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist.
Zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 18 strömt Wärmeträgermedium und wird dabei erhitzt.
Die Solareinrichtung 12 umfasst einen Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 und einen bezogen auf eine Strömungsrichtung von Wärmeträgermedium diesem nachgeschalteten Überhitzerbereich 22. An dem Vorwärmer-/Verdampfer- bereich 20 wird flüssiges Wärmeträgermedium mittels Solarstrahlung 14 vor- gewärmt und verdampft. Es entsteht dabei eine Zweiphasenströmung. An dem Überhitzerbereich 22 wird von dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 bereitgestellter Dampf überhitzt.
Der Vorwärmer-/Verdampferbereich 22 umfasst eine Mehrzahl von Strängen 24a, 24b usw. Diese Stränge 24a, 24b usw. sind parallel angeordnet. Dem Eingang 16 ist ein Verteiler 26 zugeordnet, mittels welchem flüssiges Wärmeträgermedium auf die Stränge 24a, 24b usw. aufgeteilt wird.
Bei einer Ausführungsform ist jedem Strang 24a, 24b usw. ein eigenes Stellventil zugeordnet, sodass für jeden Strang 24a, 24b usw. individuell der durchströmende Massenstrom an Wärmeträgermedium einstellbar ist. Jeder Strang 24a usw. umfasst eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Solarkollektoren 28. In einem Solarkollektor 28 wird Solarstrahlung 14 konzentriert. Ferner umfasst ein Solarkollektor 28 ein oder mehrere Absorberrohre, welche von Wärmeträgermedium durchströmt werden und auf welche die konzentrierte Solarstrahlung gerichtet ist. In einem solchen
Absorberrohr wird dann flüssiges Wärmeträgermedium über die konzentrierte Solarstrahlung erhitzt.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Solarkollektor ist ein Rinnenkollektor wie Parabolrinnenkollektor.
Der Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 hat einen Ausgang 30. Dem Ausgang 30 ist eine Zusammenführung 32 zugeordnet. Durch die Zusammenführung 32 wird Wärmeträgermedium von den einzelnen Strängen 24a, 24b usw. zu- sammengeführt.
Üblicherweise stellt der Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 ein Zweiphasengemisch aus verdampften Wärmeträgermedium und nicht verdampftem flüssigen Wärmeträgermedium bereit. Dem Ausgang 30 ist eine Abscheidungs- einrichtung 34 zugeordnet, welche insbesondere eine Abscheidungstrommel umfasst. An dieser Abscheidungseinrichtung 34 wird in dem Zweiphasengemisch enthaltenes flüssiges Wärmeträgermedium abgeschieden.
Die Abscheidungseinrichtung 34 hat einen Ausgang 36, an welchem Wärme- trägermedium-Dampf (Einphasen-Dampf) dem Überhitzerbereich 22 bereitgestellt ist.
Der Ausgang 36 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem Eingang 38 des Überhitzerbereichs 22. Diesem Eingang 38 ist ein Verteiler 40 zugeordnet, welcher den entsprechenden Wärmeträgermedium-Dampf auf Stränge 42a, 42b usw. aufteilt. Diese Stränge 42a, 42b usw. sind bezogen auf die Durchströmung von Wärmeträgermedium-Dampf parallel angeordnet. Ein Strang 42a, 42b usw. weist wiederum eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Solarkollektoren 44 auf.
Die Anzahl der Stränge 42a, 42b usw. im Überhitzerbereich 22 kann (muss aber nicht) der Anzahl der Stränge 24a, 24b usw. im Vorwärmer-/Verdampfer- bereich 20 entsprechen.
Der Überhitzerbereich 22 weist einen Ausgang auf, welcher dem Ausgang 18 der Solareinrichtung 12 entspricht. Diesem Ausgang 18 ist eine Zusammen- führung 46 zugeordnet, in welche die Stränge 42a, 42b usw. münden. Durch die Zusammenführung 26 wird der Wärmeträgermedium-Dampf aus dem Überhitzerbereich 22 zusammengefasst, um ihn an dem Ausgang 18 auskoppeln zu können . Dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 ist eine Rezirkulationseinrichtung 48 zugeordnet. Durch die Rezirkulationseinrichtung 48 lässt sich flüssiges
Wärmeträgermedium an dem Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 rezirkulieren. Die Rezirkulationseinrichtung 48 hat als primäre Quelle für flüssiges Wärmeträgermedium die Abscheidungseinrichtung 34. Sie umfasst dazu eine Leitung 50, welche an die Abscheidungseinrichtung 34 (und insbesondere eine Abscheidetrommel) gekoppelt ist. An der Leitung 50 ist eine Pumpe 52 angeordnet. Die Leitung 50 mündet in eine Leitung 54, welche fluidwirksam mit dem Eingang 16 der Solareinrichtung 12 verbunden ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Rezirkulationseinrichtung 48 über die Leitung 50 nicht in den Eingang 16 mündet, sondern in den Vor- wärmer-/Verdampferbereich 20 zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 18, das heißt beabstandet zu dem Eingang 16 in den Vorwärmer-/Verdampfer- bereich 20 mündet.
Die Solareinrichtung 12 weist eine Einspritzeinrichtung 56 auf. Über diese Einspritzeinrichtung 56 lässt sich, wie untenstehend noch näher erläutert wird, zur Temperaturstabilisierung flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzer- bereich 22 einspritzen. Die Einspritzeinrichtung 56 weist dazu eine Leitung 58 auf, welche über einen entsprechenden Verteiler 60 in die entsprechenden Strängen 42a, 42b usw. des Überhitzerbereichs 22 mündet. Ein entsprechender Eintrittsbereich, in welchen die Leitung 58 mündet, liegt dabei insbe- sondere vor einem letzten Solarkollektor 44 des entsprechenden Strangs 42a usw., welcher direkt fluidwirksam mit dem Ausgang 36 verbunden ist, und liegt nach einem ersten Solarkollektor 44, welcher fluidwirksam mit dem Eingang 38 direkt verbunden ist. Die Leitung 58 ist bei einem Ausführungsbeispiel fluidwirksam mit der Leitung 50 der Rezirkulationseinrichtung 48 verbunden. Dadurch kann von der
Abscheidungseinrichtung 34 bereitgestelltes heißes flüssiges Wärmeträgermedium verwendet werden, um es in den Überhitzerbereich 22 einzuspritzen. Die Pumpe 52 kann eine entsprechende Förderung bewirken.
Insbesondere ist an der Leitung 58 ein Stellventil 62 angeordnet, über welches die Einspritzmenge einstellbar ist. Dieses Stellventil 62 ist insbesondere durch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert.
Bei einer Ausführungsform ist jedem Strang oder einer Gruppe von Strängen ein regelbares Stellventil 63 zugeordnet, um eine individuelle Einstellbarkeit zu erreichen. Die Stellventile 63 sind durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert.
Die Einspritzeinrichtung 56 umfasst ferner eine Leitung 66, welche fluidwirksam an die Leitung 54 (welche fluidwirksam an den Eingang 16 der Solareinrichtung 12 gekoppelt ist) gekoppelt. Es lässt sich dadurch frisches "kühles" Wärmeträgermedium bereitstellen. Die Leitung 66 mündet über ein Ventil 68 in die Leitung 50.
Das Ventil 68 ist durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert. Der Ausgang 18 der Solareinrichtung 12 ist über eine Leitung 70 fluidwirksam an eine Turbineneinrichtung 72 gekoppelt. In der Leitung 70 ist ein Ventil 74 angeordnet, durch welches der Massenstrom an überhitztem Wärmeträgermedium-Dampf, welcher von der Solareinrichtung 12 der Turbineneinrichtung 72 bereitgestellt ist, einstellbar ist.
Die Turbineneinrichtung 72 umfasst eine Hochdruckdampfturbine 76. Diese ist über einen Eingang 78 eingangsseitig mit dem Ventil 74 verbunden. An der Hochdruckdampfturbine 76 wird durch eine Teilentspannung von Wärme- trägermedium-Dampf mechanische Energie erzeugt.
Die Hochdruckdampfturbine 76 umfasst ferner einen Ausgang 80, an welchem teilentspannter Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist. Dieser Ausgang 80 steht über eine Leitung 81 in fluidwirksamer Verbindung mit einem ersten Eingang 82 eines Zwischenüberhitzers 84. Der Zwischenüberhitzer 84 weist einen ersten Ausgang 86 auf. Zwischen dem ersten Eingang 82 und dem ersten Ausgang 86 hat der Zwischenüberhitzer 84 eine Erhitzungsstrecke 88. An der Erhitzungsstrecke 88 wird Wärmeträgermedium- Dampf zwischenüberhitzt. Dieser zwischenüberhitzte Wärmeträgermedium- Dampf ist einer Niederdruckdampfturbine 90 bereitgestellt. Die Niederdruckdampfturbine 90 hat dazu einen Eingang 92, welcher über eine Leitung 94 fluidwirksam mit dem ersten Ausgang 86 des Zwischenüberhitzers 84 verbunden ist.
Die Niederdruckdampfturbine 90 ist durch den entsprechenden Dampf betrieben. Die Hochdruckdampfturbine 76 und die Niederdruckdampfturbine 90 bilden eine mehrstufige Turbineneinrichtung 72, welche mechanische Energie bereitstellen, um über einen Generator 96 nutzbaren elektrischen Strom zu erzeugen .
Der Zwischenüberhitzer 84 ist ein Wärmeübertrager, welcher mit Wärmeträgermedium-Dampf von der Solareinrichtung 12 (und/oder einer Speicher- einrichtung 98, wie untenstehend noch näher beschrieben ist) als Wärmeübertragungsmedium zur Durchführung der Zwischenüberhitzung versorgt ist.
Dazu ist an die Leitung 70 eine Leitung 100 gekoppelt. An der Leitung 100 ist ein Ventil 102 angeordnet. Durch das Ventil 102 ist einstellbar, ob und gegebenenfalls welche Menge an Wärmeträgermedium-Dampf von der Solareinrichtung 12 für die Zwischenüberhitzung bereitgestellt ist. Die Leitung 100 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem zweiten Eingang 104 des Zwischenüberhitzers 84.
Der Zwischenüberhitzer 84 weist ferner einen zweiten Ausgang 106 auf.
Zwischen dem zweiten Eingang 104 und dem zweiten Ausgang 106 strömt Wärmeträgermedium-Dampf als Wärmeübertragungsmedium.
Der zweite Ausgang 106 des Zwischenüberhitzers 84 steht über eine Leitun 108 in fluidwirksamer Verbindung mit einer Abscheidetrommel 110. An der Abscheidetrommel 110 wird flüssiges Wärmeträgermedium von Wärmeträgermedium-Dampf abgeschieden. Die Niederdruckdampfturbine 90 weist einen Ausgang 112 auf. Von diesem Ausgang 112 führt eine Leitung 114 zu einem Kondensator 116. An dem Kondensator 116 wird Wärmeträgermedium-Dampf kondensiert. An einem Ausgang 118 des Kondensators 116 ist dann flüssiges Wärmeträgermedium in einer Einphasenströmung bereitgestellt.
Dieser Ausgang 118 steht in fluidwirksamer Verbindung über eine Leitung 120 mit einem Niederdruckvorwärmer 122. Dieser Niederdruckvorwärmer 122 umfasst einen oder mehrere Wärmetauscher. Flüssiges Wärmeträgermedium durchströmt den Niederdruckvorwärmer 122. Der Niederdruckvorwärmer 122 ist dabei insbesondere über flüssiges Wärmeträgermedium, welches von der Niederdruckdampfturbine 90 bereitgestellt ist (in Figur 1 durch den Buchstaben B angedeutet), beheizt. In der Leitung 120 ist eine Pumpe 124 zur Förderung des flüssigen Wärmeträgermediums angeordnet.
Der Niederdruckvorwärmer 122 steht ausgangsseitig in Verbindung mit der Abscheidetrommel 110. Entsprechendes flüssiges Wärmeträgermedium, welches in den Niederdruckvorwärmer 122 durchlaufen hat, wird dort eingekoppelt.
Ein Ausgang der Abscheidetrommel 110 steht über eine Leitung 126 in fluid- wirksamer Verbindung mit einem Hochdruckvorwärmer 128. Dieser Hochdruckvorwärmer 128 kann einen oder eine Mehrzahl von Wärmeübertragern umfassen. Der oder die Wärmeübertrager sind insbesondere über Wärmeträgermedium (insbesondere flüssiges Wärmeträgermedium) beheizt, welches von der Hochdruckdampfturbine 76 bereitgestellt ist. Dies ist in Figur 1 durch den Buchstaben A angedeutet.
An der Leitung 126 ist eine Pumpe 130 angeordnet.
Ein Ausgang des Hochdruckvorwärmers 128 steht in fluidwirksamer Ver- bindung mit der Leitung 54.
Zwischen der Leitung 70 und der Leitung 54 ist die Speichereinrichtung 98 angeordnet. Die Speichereinrichtung 98 kann mehrstufig ausgebildet sein, beispielsweise mit einem Vorwärmerbereich 132, einem Verdampferbereich 134 und einem Überhitzerbereich 136. Der Vorwärmerbereich 132, der Verdampferbereich 134 und der Überhitzerbereich 136 umfassen jeweils entsprechende Speicherelemente 138. Insbesondere ist ein Speicherelement als Phasenwechsel- medium-Speicherelement ausgebildet.
Die Speichereinrichtung 98 stellt überhitzten Dampf bereit, wobei nicht notwendigerweise Dampf selber gespeichert werden muss. Die Speichereinrichtung hat dabei einen Eingang 140, welcher über eine Leitung 142 in fluidwirksamer Verbindung mit der Leitung 54 steht. An der Leitung 142 ist ein Ventil 144 angeordnet. Über diese Leitung 142 und den Eingang 140 kann flüssiges Wärmeträgermedium ("Frischwasser") in die Speichereinrichtung 98 eingekoppelt werden.
Der Eingang 140 steht über eine weitere Leitung 146, an welcher ein Ventil 148 angeordnet ist, ebenfalls in fluidwirksamer Verbindung mit der Leitung 54. An der Leitung 146 sitzt eine Pumpe 150. Die Ventile 144 und 148 sind Sperrventile. Durch sie lässt sich einstellen, ob die Leitung 142 oder die Leitung 146 (oder keine dieser beiden Leitungen 142 oder 146 oder keine dieser
Leitungen) offen sind . Die Strömungsrichtung ist dabei in der Leitung 142 entgegengesetzt zu der Leitung 146. Über die Leitung 146 lässt sich flüssiges Wärmeträgermedium aus der Speichereinrichtung 98 in die Leitung 54 ein- koppeln. In diesem Falle wirkt dann der Eingang 140 als Ausgang für flüssiges Wärmeträgermedium.
Die Speichereinrichtung 98 hat ferner einen Ausgang 152, an welchem
Wärmeträgermedium-Dampf (als überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf) bereitgestellt ist. Dieser Ausgang 152 steht über eine Leitung 153, an welcher ein Ventil 154 sitzt, in fluidwirksamer Verbindung mit der Hochdruckdampfturbine 76. Die Ventile 74 und 154 sind insbesondere als regelbare Ventile ausgebildet. Dadurch lässt sich eine Beimischung einstellen. Durch sie lässt sich einstellen, ob Dampf aus der Speichereinrichtung 98 oder aus der Solareinrichtung 12 (insbesondere entweder aus der Solareinrichtung 12 oder der Speichereinrichtung 98) der Hochdruckdampfturbine 76 zu deren Betrieb bereitgestellt wird .
Der Hochdruckdampfturbine 76 ist dabei ein Stellventil 156 vorgeschaltet, durch welches sich der entsprechende Massenstrom einstellen lässt. Die Leitung 100 ist über ein Ventil 158 und eine Leitung 160 an d ie Leitung 153 gekoppelt. Die Ventile 102 und 158 sind insbesondere regel bare Ventile. Durch sie lässt sich einstel len, ob Dampf aus der Solareinrichtung 12 oder der Speicherein richtung 98 (insbesondere entweder aus der Solareinrichtung 12 oder der Speichereinrichtung 98) dem zweiten Eingang 104 des Zwischenüberhitzers 84 zur Zwischenüberhitzung des Wärmeträgermed ium- Dampfs, welcher von der Hochdruckdampfturbine 76 kommt, bereitgestellt wird und es lässt sich auch eine Beimischu ng einstel len .
Die solaren Einstrahlungsbedingungen für d ie Solareinrichtung 12 unterl iegen zeitlichen Schwankungen ; beispielsweise verursacht eine zeitlich variierende Wolkenbedeckung entsprechende Schwankungen . In Fig ur 5(a) ist ein typischer Verlauf der Strahlungsleistung auf d ie Solareinrichtung 12 pro Flächeneinheit über d ie Zeit (in Stunden) gezeigt.
Die Temperatur Ti von überhitztem Wärmeträgermed ium- Dampf ( Frischdampf), welcher am Ausgang 18 d ie Solareinrichtung 12 verlässt, unterliegt dad urch entsprechenden zeitlichen Schwankungen . Dies ist in Fig ur 5(b) ge- zeigt. Die entsprechende Kurve beruht dabei auf Simulationen unter Annahme des Strahlungsverlaufs gemäß Fig ur 5(a) .
•
In Fig ur 5(c) ist entsprechend der Dampfmassenstrom ml beim Verlassen der
Solareinrichtung 12 gezeigt. Auch d ieser Dampfmassenstrom unterliegt Schwankungen .
Zum Betrieb der Hochdruckdampfturbine wird der Massenstrom an dem Stel l- ventil 156 auf einen konstanten Wert m2 eingestellt. Unterschreitet der
Dampfmassenstrom ml den vorgegebenen konstanten Wert, dann kann der Dampfmassenstrom m2 den vorgegebenen Wert nicht erreichen und unterschreitet diesen.
Entsprechend unterliegt flüssiges Wärmeträgermedium, welches in die Solar- einrichtung 12 mit einer Temperatur T2 und einem Druck p2 eingekoppelt wird, auch durch die Schwankungen in den Einstrahlungsbedingungen verursachten Schwankungen . In Figur 5(d) ist der Verlauf des Drucks des flüssigen Wärmeträgermediums beim Eintritt in die Solareinrichtung 12 gezeigt und in Figur 5(e) ist der entsprechende Verlauf der Temperatur T2 gezeigt, welche ebenfalls entsprechenden Schwankungen unterliegt.
Temperaturüberschreitungen über einen vorgegebenen Wert zum optimierten Betrieb der Turbineneinrichtung 72 lassen sich dadurch kompensieren, dass flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich 22 über die Einspritz- einrichtung 56 eingespritzt wird . Es lässt sich dadurch eine Abkühlung erreichen.
Erfindungsgemäß ist die Solareinrichtung 12 mit einer elektrischen Heizeinrichtung 162 (Figur 2) versehen . Die elektrische Heizeinrichtung 162 stellt eine oder mehrere zusätzlichen Heizquellen außerhalb der Solarstrahlung 14 bereit, um Wärmeträgermedium zu heizen. Dadurch können Temperaturschwankungen ausgeglichen werden, um insbesondere ein zu starkes Absinken der Temperatur Ti beim Austritt des Wärmeträgermedium-Dampfs aus der Solareinrichtung 12 zu verhindern.
Die elektrische Heizeinrichtung 162 ist insbesondere an dem Überhitzerbereich 22 angeordnet.
Sie umfasst ein oder mehrere elektrische Heizelemente 164 (Figuren 3 und 4).
Solche elektrischen Heizelemente 164 sind insbesondere in einem entsprechenden Rohr 166 angeordnet, welches nach dem letzten Solarkollektor 45 liegt. Der "letzte" Solarkollektor 45 ist derjenige, welcher direkt vor dem Ausgang 18 liegt. Beispielsweise können elektrische Heizelemente 164 auch in der Leitung 70 angeordnet sein. (Dies ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 167 angedeutet.)
Es kann dabei grundsätzlich jedem Strang 42a, 42b usw. des Überhitzerbereichs 22 ein oder mehrere elektrische Heizelemente 164 zugeordnet sein. Wenn die elektrische Heizeinrichtung 162 an der Leitung 70 angeordnet ist, dann ist diese einer Mehrzahl von Strängen 42a, 42b usw. zugeordnet.
Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Vorwärmer-/Verdampferbereich 20 mit einer elektrischen Heizeinrichtung 162 versehen ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Heizelements 164 ist als Stab 168 ausgebildet. Der Stab 168 weist eine Längserstreckung in einer
Richtung 170 auf, welche mindestens näherungsweise parallel zu einer Längs- erstreckungsrichtung entsprechend des Rohrs 166 ist. Die Richtung 170 ist insbesondere parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Wärmeübertragungsmediums in dem Rohr 166.
Ein elektrisches Heizelement 164 ist insbesondere als Widerstandsheizelement ausgebildet. In dem Stab 168 ist ein stromführendes Element wie beispielsweise eine Heizspirale angeordnet. Diese wird mit elektrischem Strom beaufschlagt, wobei durch den elektrischen Widerstand eine Heizung erfolgt.
Der entsprechende elektrische Leiter ist fluiddicht in dem Stab 168 angeordnet und insbesondere eingebettet. Das Material des Stabs 168 ist aus einem wärmeleitfähigen Material . Der Stab 168 und damit das elektrische Heizelement 164 ist in einem Innenraum 172 des Rohrs 176 angeordnet. An ihm strömt Wärmeträgermedium vorbei. Im Wesentlichen eine gesamte Oberfläche des elektrischen Heizelements 164 (des Stabs 168) steht bei Vorbeiströmung des Wärmeträger- med iums in thermischem Kontakt mit d iesem, um das Wärmeträgermedium aufzuheizen . Das elektrische Heizelement 164 bildet ein Umströmungs- element, welches von Wärmeträgermedium umströmt wird . Insbesondere sind eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen 164 in dem entsprechenden Roh r 166 angeord net. Diese sind dabei vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet.
Benachbarte Heizelemente 164 sind beabstandet zu einander, sodass ein Zwischenraum zwischen d iesen d urchströmbar ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind in einem entsprechenden Rohr 166 als elektrische Heizelemente 164 jeweil ige Platte 174 beabstandet ange¬ ord net ( Figuren 4(a), (b), (c)) . Diese Platten 174 sind wiederum so ausge- bildet, dass an ihnen und bei einer Mehrzahl von Platten zwischen d iesen Wärmeträgermed ium vorbeiströmbar ist.
Die Platten 174 sind als elektrische Widerstandselemente ausgebildet. In ihnen sind eine oder mehrere elektrische Leiter ( Heizspiralen) angeord net, welche d urch elektrischen Strom beaufschlagt werden und entsprechend d ie Platte 174 aufheizen . Das Material der Platte 174 ist aus einem wärmeleitfähigen Material . Wärmeträgermedium, welches vorbeiströmt, wird dann ebenfal ls aufgeheizt. Die elektrische Heizeinrichtung 162 mit den jeweil igen Heizelementen 164 ist d urch d ie Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 angesteuert. Diese sorgt dafür, dass, sofern notwendig, Temperaturschwan kungen in dem Wärmeträgermedium- Dampf ausgegl ichen werden ; wenn die Temperatur zu gering ist, erfolgt eine entsprechende elektrische Beheizung durch die elektrische Heizeinrichtung 162.
Der Solareinrichtung 12 ist (mindestens) ein Temperatursensor 176 zugeord net, welcher eine Temperatu r Ti des überh itzten Wärmeträgermed ium- Dampfs misst. Der Temperatursensor 176 ist beispielsweise an der Leitung 70 dem Ausgang der Solareinrichtung 12 nachgeschaltet. Er kann aber auch innerhalb des Überhitzerbereichs 22 angeordnet sein. Der Temperatursensor 176 stellt seine Messsignale der Steuerungs-/Rege- lungseinrichtung 64 bereit. Diese steuert dann auf Grundlage der Temperatursignale des Temperatursensors 176, wobei die entsprechende Temperatur Ti eine Zustandsgröße des erzeugten Wärmeträgermedium-Dampfs ist, die elektrische Heizeinrichtung 162 und die Einspritzeinrichtung 56 an. Das Regel- ziel ist dabei eine Vergleichmäßigung der Temperatur Ti. Wenn detektiert wird, dass beispielsweise die durch den Temperatursensor 176 gemessene Temperatur Ti unter eine vorgegebene Schwelle fällt, wird entsprechend die elektrische Heizeinrichtung 162 angesteuert und diese heizt den Wärmeträgermedium-Dampf auf. Wenn die Temperatur Ti oberhalb einer Schwelle liegt, steuert die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 64 die Einspritzeinrichtung 56 an und es wird flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich 22 eingespritzt.
Durch das Vorsehen der elektrischen Heizeinrichtung 162 lassen sich
Temperaturschwankungen des durch die Solareinrichtung 12 erzeugten
Wärmeträgermedium-Dampfs dämpfen. Die elektrische Heizeinrichtung 162 lässt sich mit geringen Investitionskosten realisieren, da insbesondere der Materialeinsatz relativ gering ist. Das Stellorgan eines entsprechenden elektrischen Heizelements 164 ist ein Heizdraht. Dieser weist kleine Zeitkonstanten auf, sodass eine gute Regelbarkeit vorhanden ist. Weiterhin ist die für die Regelung erforderliche Zustandsgröße Temperatur durch den Temperatursensor 176 mit kleinen Zeitkonstanten messbar, sodass auch dies zu einer guten Regelbarkeit beiträgt. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich eine Dämpfung von Temperaturschwankungen auch in Richtung der Temperaturen (bezüglich Unterschreiten einer unteren Temperaturschwelle) durchführen. Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Turbineneinrichtung 72 optimiert betreiben. Auf einfache und kostengünstige Weise lassen sich Temperaturfluktuationen gering halten. Es lassen sich auch kurzzeitige
Temperaturschwankungen beispielsweise im Bereich von Minuten ausregeln.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Bypassstränge 178 (Figur 1) an der Leitung 70 (Hauptstrang) für die Zuführung von überhitztem Dampf zu der Turbineneinrichtung 72 vorgesehen sind. Einem oder mehreren Bypasssträngen 178 ist eine Einsteileinrichtung 180 zugeordnet, durch welche schaltbar ist, ob der entsprechende Bypassstrang mit Wärmeträgermedium-Dampf durchströmt wird oder nicht und gegebenenfalls mit welcher Menge (das heißt mit welchem Massenstrom).
Bei einem "normalen Betrieb" des solarthermischen Kraftwerks 10 ist die Ein- Stelleinrichtung 180 so angesteuert, dass der Bypassstrang 178 nicht oder wenig durchströmt wird . Der normale Betrieb ist dabei dadurch definiert, dass die Temperaturfluktuationen keine Schwelle überschreiten.
Wenn beispielsweise instabile Wetterbedingungen vorliegen, wird eine Durch- Strömung des mindestens einen Bypassstrangs 178 über die Schalteinrichtung 180 gesteuert freigegeben oder erhöht. An dem mindestens einen Bypassstrang 178 ist dabei eine elektrische Heizeinrichtung 162 angeordnet. Im Extremfall durchströmt bei instabilen Wetterbedingungen Wärmeträgermedium (überhitzter Dampf) nur den Bypassstrang 178, das heißt der gesamte Massenstrom an überhitztem Dampf, welcher von der Solareinrichtung 12 bereitgestellt wird, durchläuft den Bypassstrang 178 mit der elektrischen Heizeinrichtung 162.
Durch das Vorsehen von einem oder mehreren zuschaltbaren beziehungsweise durchströmungssteuerbaren Bypasssträngen 178, welche mit einer elektrischen Heizeinrichtung 162 versehen sind, kann ein Betriebsmodus eingestellt werden, bei dem bei instabilen Wettersituationen für eine entsprechende Durchströmung gesorgt wird. Wenn dann hohe Temperaturfluktuationen er- wartet werden, sorgt der mindestens eine Bypassstrang 178 für eine Verringerung der Temperaturfluktuationen über Verwendung der dortigen elektrischen Heizeinrichtung 162. Es lässt sich dadurch die Belastung und Lebensdauer der elektrischen Heizeinrichtung 162 reduzieren, da bei günstigen Wetterbedingungen ein Bypassstrang 178 nicht oder weniger durchströmt wird, und es lassen sich Druckverluste minimieren.
Bezugszeichenliste Solarthermisches Kraftwerk
Solareinrichtung
Solarstrahlung
Eingang
Ausgang
Vorwärmer-/Verdampferbereich
Überhitzerbereich
a Strang
b Strang
Verteiler
Solarkollektor
Ausgang
Zusammenführung
Abscheidungseinrichtung
Ausgang
Eingang
Verteiler
a Strang
b Strang
Solarkollektor
Letzter Solarkollektor
Zusammenführung
Rezirkulationseinrichtung
Leitung
Pumpe
Leitung
Einspritzeinrichtung
Leitung
Verteiler
Stellventil Ventil
Steuerungs-/Regelungseinrichtung Leitung
Ventil
Leitung
Turbineneinrichtung
Ventil
Hochdruckdampfturbine
Eingang
Ausgang
Leitung
Erster Eingang
Zwischenüberhitzer
Erster Ausgang
Erhitzungsstrecke
Niederdruckdampfturbine
Eingang
Leitung
Generator
Speichereinrichtung
Leitung
Ventil
Zweiter Eingang
Zweiter Ausgang
Leitung
Abscheidetrommel
Ausgang
Leitung
Kondensator
Ausgang
Leitung
Niederdruckvorwärmer
Pumpe 126 Leitung
128 Hochd ruckvorwärmer
130 Pumpe
132 Vorwärmerbereich
134 Verdampferbereich
136 Ü berhitzerbereich
138 Speicherelement
140 Eingang/Ausgang
142 Leitung
144 Ventil
146 Leitung
148 Ventil
150 Pumpe
152 Ausgang
153 Leitung
154 Ventil
156 Stellventil
158 Ventil
160 Leitung
162 Elektrische Heizeinrichtung
164 Heizelement
166 Rohr
167 Rohr mit Heizelement
168 Stab
170 Richtung
172 Innenraum
174 Platte
176 Temperatursensor
178 Bypassstrang
180 Einsteileinrichtung
Ti Temperatur des Wärmeträgermed ium- Dampfs beim Austritt aus der Solareinrichtung
T2 Temperatur des flüssigen Wärmeträgermed iums beim Eintritt in d ie Solareinrichtung
Druck des flüssigen Wärmeträgermediums beim Eintritt in die
Solareinrichtung
Massenstrom des Wärmeträgermedium-Dampfs beim Austritt aus der Solareinrichtung
Massenstrom des Wärmträgermedium-Dampfs beim Eintritt in die Hochdruckdampfturbine

Claims

Patentansprüche
1. Solarthermisches Kraftwerk, umfassend eine Solareinrichtung (12), an welcher mittels Solarstrahlung (14) aus einem flüssigen Wärmeträgermedium Wärmeträgermedium-Dampf erzeugbar ist, und eine Turbineneinrichtung (72), welcher der erzeugte Wärmeträgermedium-Dampf bereitgestellt ist, wobei die Solareinrichtung (12) einen Vorwärm er-/ Verdampferbereich (20) und einen Überhitzerbereich (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Solareinrichtung (12) eine elektrische Heizeinrichtung (162) angeordnet ist, welche mindestens ein elektrisches Heizelement (164) aufweist und durch welche Wärmeträgermedium heizbar ist.
2. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) an und insbesondere in einem vom Wärmeträgermedium durchströmten Rohr (166) angeordnet ist.
3. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) ein Umströmungselement ist, an welchem Wärmeträgermedium vorbeiströmt.
4. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) eine Stabform (168) oder Plattenform (174) hat.
5. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Rohr (166) eine Mehrzahl von beab- standeten elektrischen Heizelementen (164) angeordnet ist, wobei insbesondere in einem Zwischenraum zwischen benachbarten elektrischen Heizelementen (164) Wärmeträgermedium strömt.
6. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) eine Längserstreckung in einer Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums aufweist.
7. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) dem Überhitzerbereich (22) zugeordnet ist.
8. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) einem bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung des Wärmeträgermediums letzten Solarkollektor (44) des Überhitzerbereichs (22) nachgeschaltet ist.
9. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) einem Ausgang (18) des Überhitzerbereichs (22) nachgeschaltet ist.
10. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) außerhalb eines Solarkollektors (44) angeordnet ist, welcher von Wärmeträgermedium durchströmt ist und in welchem das Wärmeträgermedium durch die Solarstrahlung erhitzt wird .
11. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64), welche die elektrische Heizeinrichtung (162) ansteuert.
12. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64) die elektrische Heizeinrichtung (162) in Abhängigkeit von einer oder mehreren Zustandsgrößen und insbesondere der Temperatur des von durch die Solareinrichtung (12) erzeugten Wärmeträgermedium-Dampfs ansteuert.
13. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch mindestens einen Temperatursensor (176), welcher eine Temperatur (Ti) von Wärmeträgermedium-Dampf misst und welcher signalwirksam mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64) verbunden ist.
14. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelziel der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (64) eine Vergleichmäßigung der Temperatur (Ti) des Wärmeträgermedium- Dampfs ist, welcher der Turbineneinrichtung (72) bereitgestellt ist, wobei insbesondere die Vergleichmäßigung bezüglich Schwankungen der solaren Einstrahlung erfolgt.
15. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einspritzeinrichtung (56), durch welche flüssiges Wärmeträgermedium in den Überhitzerbereich (22) einspritzbar ist.
16. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) eine Abscheidungsein- richtung (34) für flüssiges Wärmeträgermedium zugeordnet ist, welche flüssiges Wärmeträgermedium der Einspritzeinrichtung (56) bereitstellt.
17. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektrische Heizelement (164) ein Widerstandsheizelement ist.
18. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmer-/Verdampferbereich (20) und/oder der Überhitzerbereich (22) mindestens einen Strang (24a, 24b; 42a, 42b) und insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf die Durchströmung mit Wärmeträgermedium parallelen Strängen aufweist, wobei ein Strang (24a, 24b; 42a, 42b) insbesondere eine Mehrzahl von bezogen auf die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums hintereinander angeordneten Solarkollektoren (28; 44) aufweist.
19. Solarthermisches Kraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Heizeinrichtung (162) an einem oder mehreren Bypasssträngen (178) angeordnet ist, welche parallel zu einem oder mehreren Hauptströmungssträngen (70) zu der Turbineneinrichtung (70) angeordnet sind und deren Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert ist.
20. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass dem oder den Bypasssträngen (178) eine Einsteileinrichtung (180) zugeordnet ist, durch welche die Durchströmung eines Bypassstrangs (178) einstellbar und insbesondere freigebbar oder sperrbar ist.
21. Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks, bei dem mit Solarstrahlung aus flüssigem Wärmeträgermedium überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf erzeugt wird, welcher einer Turbineneinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium- Dampf mittels mindestens einem elektrischen Heizelement gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass überhitzter Wärmeträgermedium-Dampf mittels des mindestens einen elektrischen Heizelements erhitzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium-Dampf so mit dem mindestens einen elektrischen Heizelement gesteuert und/oder geregelt erhitzt wird, dass Temperaturschwankungen im Wärmeträgermedium-Dampf, welcher der Turbineneinrichtung zugeführt wird, als Regelziel minimiert werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zustandsgröße des Wärmeträgermedium-Dampfs und insbesondere eine Temperatur des Wärmeträgermedium-Dampfs gemessen wird .
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Wärmeträgermedium gesteuert und/oder geregelt in einen Wärmeträgermedium-Dampfstrom eingespritzt wird .
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeträgermedium-Dampf über das mindestens eine elektrische Heizelement erhitzt wird, welcher in einen Bypassstrang geführt wird, der parallel zu einem Hauptstrang zu der Turbineneinrichtung ist und dessen Durchströmung gemäß Bedarf gesteuert wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015032384A1 (de) * 2013-09-04 2015-03-12 Novatec Solar Gmbh Verfahren und vorrichtung zur zirkulation eines flüssigen wärmeträgermediums in einem solarfeld
CN114033641A (zh) * 2021-10-08 2022-02-11 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) 电动补偿装置、温差能发电系统及发电系统补偿控制方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012111775B4 (de) 2012-12-04 2016-08-04 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Solarthermische Dampferzeugungsstufe, solarthermisches Kraftwerk und Verfahren zum Betreiben einer solarthermischen Dampferzeugungsstufe
DE102022131970A1 (de) 2022-12-02 2024-06-13 Man Energy Solutions Se System und Verfahren zur Energiewandlung und Energiespeicherung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007052234A1 (de) * 2007-10-22 2009-04-23 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zum Betreiben eines solarthermischen Kraftwerks und solarthermisches Kraftwerk
DE102009025455A1 (de) * 2009-06-15 2011-01-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Dampf an einem solarthermischen Kraftwerk und solarthermisches Kraftwerk
DE102009060911A1 (de) * 2009-12-31 2011-07-07 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), 51147 Vorrichtung und Anlage zum Zwischenspeichern thermischer Energie

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015032384A1 (de) * 2013-09-04 2015-03-12 Novatec Solar Gmbh Verfahren und vorrichtung zur zirkulation eines flüssigen wärmeträgermediums in einem solarfeld
CN114033641A (zh) * 2021-10-08 2022-02-11 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) 电动补偿装置、温差能发电系统及发电系统补偿控制方法
CN114033641B (zh) * 2021-10-08 2022-09-13 南方海洋科学与工程广东省实验室(湛江) 电动补偿装置、温差能发电系统及发电系统补偿控制方法

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