DE4447591C2 - Solaranlage zur Erzeugung von Dampf mittels konzentrierter Sonnenstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Solaranlage zur Erzeugung von Dampf mittels konzentrierter Sonnenstrahlung mit einem rundum mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagbaren Lufterhitzer einschließlich eines von der konzentrierten Sonnenstrahlung erwärmten Absorbers, einem dem Lufterhitzer luftseitig nachgeschalteten Dampferzeuger und einem Gebläse zur Förderung der Luft durch den Lufterhitzer und den Dampferzeuger, wobei Lufterhitzer, Dampferzeuger und das zugeordnete Gebläse auf einem Turm angeordnet sind.

Aus dem DE-Buch von Becker/Klimas "Second Generation Central Reiceiver Technologies", herausgegeben von der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt, Verlag C.F. Müller GmbH, Karlsruhe (1993), S. 1-2, Fig. 1-2 ist der Einsatz eines volumetrischen Lufterhitzers bekannt, wobei unter dem Einfluß von Gebläsen die erwärmte Luft direkt dem Dampferzeuger und/oder einem Thermocline-Speicher zugeführt. Der Speicher dient dem Ausgleich im zeitlichen Unterschied zwischen Energieangebot und -bedarf und ist dem Dampferzeuger parallel geschaltet.

Bei projektierten Anlagen ist es gemäß Fig. 4-17 auf S. 4-41 des DE-Buches vorgesehen, der Dampferzeugung einen mit fossilen Brennstoffen betriebenen Brenner vorzuschalten. Mit diesem Brenner kann die Stromerzeugung im Zusammenwirken mit dem Thermocline-Speicher aufrechterhalten werden, wenn keine Sonnenenergie zur Verfügung steht oder keine Wärmeenergie mehr aus dem Speicher ausgespeichert werden kann. Bei den bekannten Anlagen ist der Empfänger, auf den die Sonnenstrahlung von einem Heliostatenfeld konzentriert wird, auf einem hohen Turm angeordnet, während der Dampferzeuger am Fuße des Turmes angeordnet ist.

Der für die Dampferzeugung eingesetzte Dampferzeuger benötigt im Hinblick auf seine Lebensdauer und auf den Schutz der von ihm beaufschlagten Dampfturbine eine zumindest in kurzen Zeitschritten im wesentlichen konstante Lufteintrittstemperatur und einen im wesentlichen konstanten Luftmassenstrom. Dies kann von dem Lufterhitzer nicht gewährleistet werden, da dieser nur entweder mit konstantem Massenstrom oder mit konstanter Luftaustrittstemperatur gefahren werden kann. Bei konstantem Luftmassenstrom ändert sich die Luftaustrittstemperatur mit der sich ändernden Einstrahlungsleistung des Heliostatenfeldes. Temperaturschwankungen der Heißluft können auftreten, wenn plötzlich Wolken das großflächige Heliostatenfeld abschatten, da dann die Temperatur der den Lufterhitzer verlassenden Luft entsprechend abfällt. Damit ändert sich sowohl die mittlere Temperatur, mit der der Dampferzeuger beaufschlagt wird, als auch das räumliche Temperaturprofil, insbesondere wenn nur Teile des Heliostatenfeldes abgeschattet werden. Es hat sich herausgestellt, daß der in dem Lufterhitzer üblicherweise eingesetzte Absorber in Form eines Metallgestrick oder -gewirks eine zu geringe Speicherwirkung hat, so daß sich eine Änderung der Einstrahlleistung sehr schnell auf die Luftaustrittstemperatur auswirkt. Bei konstant geregelter Luftaustrittstemperatur ist der Massenstrom die variable Größe.

Aus der US-PS 4,546,758 ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt, bei dem Lufterhitzer vom Hohlraumtyp eingesetzt werden, wie sie insbesondere in den Fig. 2-4 der US-PS 4,546,758 dargestellt sind. In den Hohlraum tritt konzentrierte Sonnenstrahlung ein und erwärmt die als Rohrwände ausgebildeten Wände des Hohlraums. Die Strahlungseintrittsöffnung wird von einem umlaufenden Rohrbündelwärmetauscher begrenzt, der gemäß den Fig. 5-8 in Sektoren unterteilt ist. Die in den Wärmetauschern erwärmte Luft wird in einer Entspannungsgasturbine entspannt und vollständig an die Atmosphäre abgegeben. Die bekannte Solaranlage arbeitet somit mit einem offenen Kreislauf. Eine Massenstromregelung der einzelnen die Strahlungseintrittsöffnung begrenzenden Sektoren ist nicht vorgesehen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Solaranlage so auszugestalten, daß sie für den Einsatz eines volumetrischen Lufterhitzers bei Rundumbeaufschlagung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Lufterhitzer ein volumetrischer Lufterhitzer mit einem Absorber ist, auf dessen Anströmseite zumindest ein Teilstrom des abgekühlten Heißluftstromes rückführbar ist, und daß der Lufterhitzer in Umfangsrichtung in mehrere Sektoren mit separater Luftmassenstromregelung unterteilt ist.

Durch die separate Luftmassenstromregelung für die Absorber ist es möglich, in Umfangsrichtung die Wärmeabfuhr von den Absorbern zu regeln. Durch die Einteilung in mehrere Sektoren kann der Lufterhitzer an die während des Tageslauf mit der Sonne um den Lufterhitzer wandernde Strahlungsflußdichteverteilung angepaßt werden.

Vorzugsweise ist der Dampferzeuger ebenfalls auf dem Turm angeordnet.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die im Lufterhitzer erwärmte Luft im oberen Bereich des Lufterhitzers über einen mittigen Heißluftkanal abziehbar ist und dem unterhalb des Lufterhitzers angeordneten Dampferzeuger zuführbar ist, und daß die aus dem Dampferzeuger an seiner Unterseite austretende Warmluft mittels mindestens eines auf der Außenseite des Dampferzeugers angeordneten Kanals zum Lufterhitzer zurückführbar ist.

Die Abfuhr der erwärmten Luft im oberen Bereich des Lufterhitzers kann konstruktiv auf besonders einfache Weise gelöst werden, wenn der Lufterhitzer eine sich nach unten verjüngende konische Konfiguration aufweist, da im oberen Bereich dann Einzelkanal-Einströmung in den mittigen Heißluftkanal möglich ist.

Der Ringraum zwischen dem mittigen Heißluftkanal und der Innenseite des Absorbers im Lufterhitzer kann durch eine Naturbelüftung kühlbar sein, um durch Wärmestrahlung und -leitung eingeführte Wärme ableiten zu können.

Vorzugsweise ist dem Dampferzeuger ein ebenfalls auf dem Turm angeordneter Kurzzeitspeicher nachgeschaltet derart, daß eine kurzzeitige Temperaturänderung am Speicheraustritt zu einer stetigen monoton fallenden Temperatur am Speicheraustritt führt, wobei die Länge des Kurzzeitspeichers in Strömungsrichtung gesehen in etwa der Länge der durch Material, Wärmeübergangszahl und Querschnitt bestimmten Länge der Thermocline-Zone bei Vollast des Dampferzeugers entspricht.

Zum Ausgleich kurzfristiger Temperaturschwankungen der erwärmten Luft in dem Heißluftkanal kann es zweckdienlich sein, daß in dem Heißluftkanal - und somit auch auf dem Turm - eine Kanalbrennereinrichtung angeordnet ist und/oder der Heißluftkanal mit dem Abgasauslaß einer Gasturbinenanordnung verbunden ist. Die Gasturbinenanordnung kann in Abhängigkeit von ihrem Gewicht ebenfalls mit auf dem Turm angeordnet sein. Falls dies aus Gewichtsgründen nicht möglich ist, müßte eine Abgaszuleitung von der Gasturbine auf den Turm geführt werden.

Die erfindungsgemäße Solaranlage soll anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Solaranlage mit den vorzugsweise als Baugruppe auf einem Turm angeordneten Komponenten,

Fig. 2 eine konstruktive Anordnung der auf dem Turm angeordneten Komponenten einer erfindungsgemäßen Solaranlage und

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch die Baugruppe gemäß Fig. 2 in Blickrichtung der Pfeile III-III.

Bei der Verfahrensführung gemäß Fig. 1 wird atmosphärische Luft L in einen volumetrischen Lufterhitzer 1 eingesaugt und Heißluft HL über einen Heißluftkanal 2 und einen Kurzzeitwärmespeicher 3 einem Dampferzeuger 4 zugeführt. Die im Dampferzeuger 4 unter Erzeugung von Dampf abgekühlte Warmluft WL wird über mindestens einen Warmluftkanal 5, in dem vorzugsweise ein Axialgebläse 6 angeordnet ist, vor die Ansaugseite des Lufterhitzers zurückgeführt. Der Kurzzeitwärmespeicher 3 wird also fortlaufend von der Heißluft durchströmt und Temperaturschwankungen in dem im Speicher 3 zugeführten Heißluftstrom werden ausgeglichen. Der Dampferzeuger 4 kann ein in Naturumlauf, Zwangsumlauf oder Zwangsdurchlauf betriebener Dampferzeuger sein.

Zwischen dem Lufterhitzer 1 und dem Dampferzeuger 4 ist für einen quasi­ stationären Betrieb des Dampferzeugers und der diesem nachgeschalteten Turbine (nicht mit dargestellt) eine mit Brennstoff B, vorzugsweise Gas beaufschlagte Verbrennungseinrichtung 7 vorgesehen. Die Verbrennungseinrichtung erzeugt unmittelbar vor dem Dampferzeuger 4 die Wärme, die für den quasi-stationären bzw. kontinuierlichen Betrieb des Dampferzeugers benötigt wird. Vorzugsweise ist die Verbrennungseinrichtung als Eigenluftbrenner ausgebildet, d. h. der zugeführte Brennstoff wird mit der Heißluft verbrannt. Dies ermöglicht es, sowohl die Temperatur als auch den Massenstrom unabhängig von der Leistungsaufteilung zwischen Lufterhitzer 1 und Verbrennungseinrichtung 7 konstant zu halten. Eine Meß- und Regeleinheit 8 erfaßt die Temperatur am Eingang des Dampferzeugers und steuert die Brennstoffzufuhr zur Verbrennungseinrichtung in Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann anstelle der Verbrennungseinrichtung 7 eine Gasturbinenanordnung eingesetzt werden. In diesem Falle wird in den Heißluftkanal 2 zwischen Lufterhitzer 1 und Dampferzeuger 4 ein Regelventil angeordnet, das zusammen mit einer Meß- und Regeleinheit eine konstante Austrittstemperatur am Auslaß des Ventils ermöglicht, indem der durch den Lufterhitzer geführte Luftmassenstrom an die augenblickliche Einstrahlungsleistung der konzentrierten Sonnenstrahlung angepaßt wird.

Der Massenstrom des Turbinenabgases wird so nachgeregelt, daß der Gesamtmassenstrom des in den Heißgaskanal 2 eingespeisten Abgasstroms, der auf den Dampferzeuger auftritt, konstant bleibt, d. h. die Gasturbinenanordnung liefert immer genau so viel Abgas, wie der Lufterhitzer gerade weniger an Luftmassenstrom bei der augenblicklichen Einstrahlungsleistung verlangt.

In der Fig. 1 sind die Schaltungskomponenten, die als Baugruppe auf dem Turm eines Solarkraftwerks angeordnet werden sollen, von einer strich­ punktierten Linie umgeben, d. h. es ist beabsichtigt alle Komponenten des Wärmeträgerkreislaufs als eine Baugruppe auf dem Turm anzuordnen, d. h. Lufterhitzer 1, Kurzzeitwärmespeicher 3, soweit vorhanden Verbrennungseinrichtung 7, Dampferzeuger 4, Gebläse 6 sowie Heißluftkanal 2 und Warmluftkanal 5.

In der Fig. 2 ist eine solche Baugruppe konstruktiv dargestellt. Der Lufterhitzer 1 weist vorzugsweise eine konische Außenkontur auf, die von dem im Lufterhitzer eingesetzten Absorber 20 bestimmt wird. Die konische Außenkontur verjüngt sich nach unten. Die durch den Absorber hindurchgesaugte Luft wird über eine in mehrere Sektoren 21a unterteilte Ringkammer 21 nach oben in Gaskanäle 22 eingeleitet. Diese führen die Heißluft über einen mittigen Heißluftkanal 23 nach unten ab. Den einzelnen Sektoren 21 bzw. den Gaskanälen 22 sind Stellklappen 24 zugeordnet, die den Luftdurchsatz durch den einzelnen Sektor 21a einstellen können. Durch Verstellung der Klappen 24 kann die Durchströmung einzelner Absorberabschnitte an die während des Tageslaufs mit der Sonne um den Lufterhitzer wandernde Strahlungsflußdichteverteilung angepaßt werden.

Der zwischen dem mittigen Heißluftkanal 23 und den sektoralen Gasluftführungskammern 21 aufgespannte Ringraum 25 kann einer Naturbelüftung unterzogen werden. Der der Naturbelüftung dienende Luftstrom tritt durch unterhalb des Lufterhitzers in dem Baugruppengehäuse vorgesehene Öffnungen 26 ein und strömt über die Freiräume 27 zwischen Gaskanälen 22 nach oben ab. Unterhalb des eine kreissymmetrische Anordnung aufweisenden Lufterhitzers ist ein vorzugsweise quaderförmig gestalteter Dampferzeuger 4 angeordnet, dem über den sich in seinem Querschnitt erweiternden Heißgaskanal 23 die Heißluft zugeführt wird. Im Heißluftkanal ist ein Kurzzeitwärmespeicher 3 und ein Kanalbrenner 7 angeordnet, wie er im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben ist. Unterhalb des Dampferzeugers ist das Axialgebläse 6 angeordnet. Die von dem Axialgebläse 6 angesaugte Warmluft wird über zwei Warmluftkanäle 6a und 6b, die sich an den beiden Längsseiten des Dampferzeugers 4 erstrecken in einen Ringkanal 28 eingeleitet, der umlaufend unterhalb des Lufterhitzers angeordnet ist. Der Ringkanal 28 ist auf seiner Oberseite mit einem Austrittsschlitz versehen, der die Luft parallel zur Oberfläche des Absorbers 20 nach oben ausströmen läßt. Die Schlitzbreite ist vorzugsweise in Umfangsrichtung verstellbar, um eine Anpassung der Verteilung der Warmluft WL an das azimutale Strahlungsflußdichteprofil und an den ggfl. den Lufterhitzer umströmenden Wind anzupassen.

Claims (10)

1. Solaranlage zur Erzeugung von Dampf mittels konzentrierter Sonnenstrahlung mit einem rundum mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagbaren Lufterhitzer einschließlich eines von der konzentrierten Sonnenstrahlung erwärmten Absorbers, einem dem Lufterhitzer luftseitig nachgeschalteten Dampferzeuger und einem Gebläse zur Förderung der Luft durch den Lufterhitzer und den Dampferzeuger, wobei Lufterhitzer, Dampferzeuger und das zugeordnete Gebläse auf einem Turm angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Lufterhitzer (1) ein volumetrischer Lufterhitzer mit einem Absorber (20) ist, auf dessen Anströmseite zumindest ein Teilstrom des abgekühlten Heißluftstromes rückführbar ist, und daß der Lufterhitzer in Umfangsrichtung in mehrere Sektoren (21a) mit separater Luftmassenstromregelung (24) unterteilt ist.

2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (4) ebenfalls auf dem Turm angeordnet ist.

3. Solaranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Lufterhitzer (1) erwärmte Luft im oberen Bereich (22) des Lufterhitzers über einen mittigen Heißluftkanal (23) abziehbar ist und der Dampferzeuger (4) unterhalb des Lufterhitzers angeordnet ist und daß die aus dem Dampferzeuger (4) an seiner Unterseite austretende Warmluft mittels mindestens eines auf der Außenseite des Dampferzeugers (4) angeordneten Kanals (6a; 6b) zum Lufterhitzer (1) zurückführbar ist.

4. Solaranlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (25) zwischen dem Heißluftkanal (23) unter der Innenseite des Absorbers (20) im Lufterhitzer durch Naturbelüftung kühlbar ist.

5. Solaranlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Förderung der Luft eingesetzte Gebläse ein Axialgebläse (6) ist.

6. Solaranlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmluftrückführungskanal (6a; 6b) in einen den Lufterhitzer (1) an seinem unteren Ende umgebenden Ringkanal (28) mündet, der die Luft vorzugsweise durch einen nach oben geöffneten Austrittsschlitz zur Oberfläche des Absorbers ausströmen läßt.

7. Solaranlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite des Austrittsschlitzes in Umfangrichtung veränderbar ist.

8. Solaranlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dampferzeuger (4) ein ebenfalls auf dem Turm angeordneter Kurzzeitspeicher (3) nachgeschaltet ist derart, daß eine kurzzeitige Temperaturänderung am Speicheraustritt zu einer stetigen monoton fallenden Temperatur am Speicheraustritt führt, wobei die Länge des Kurzzeitspeichers in Strömungsrichtung gesehen in etwa der Länge der durch Material, Wärmeübergangszahl und Querschnitt bestimmten Länge der Thermocline-Zone bei Vollast des Dampferzeugers entspricht.

9. Solaranlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Heißluftkanal (2; 23) eine Kanalbrennereinrichtung (7) angeordnet ist und/oder der Heißluftkanal (2) mit dem Abgasauslaß einer Gasturbinenanordnung verbunden ist.

10. Solaranlage nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalbrennereinrichtung (7) aus mehreren kammartig ineinandergreifenden Brennermodulen besteht.