DE2553283A1

DE2553283A1 - Solarthermisches kraftwerk

Info

Publication number: DE2553283A1
Application number: DE19752553283
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Ing Seidel; Dietmar Dipl Ing Wolf
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-11-27
Filing date: 1975-11-27
Publication date: 1977-06-02
Also published as: US4167856A; ES453729A1; IT1064432B; FR2333136A1

Description

Me ο β er s chmitt-Bölkow-Blohm Gesellschaft mit beschränkter Haftung, 1Ί ü η c ii e η

Ottobrumi, 17. Nov. 1975

Bi¹ 013 Im/er 7912

Solarthermisches Kraftwerk

Die Erfindung "bezieht sich auf ein solarthermisches -Kraftwerk mit offenen Iiuftkreislauf, bei dem dem Luftstrom zwischen Verdichter und Expansionsmaschine aus Sonnenenergie gewonnene ITutzwärme

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zugeführt wird.

Solarthermische Kraftwerke dieser Art haben gegenüber solchen mit geschlossenem Dampfkreislauf den Vorteil, daß sie keine Kühleinrichtungen benötigen und im allgemeinen leichter zu regeln sind. Sie sind daher für den Einsatz in wasserarmen 'und windstillen G-ebieten mit hoher Sonneneinstrahlung, also etwa Wüstengebieten, besonders geeignet.

Bekannte solarthermische Anlagen mit offenem Luftkreislauf (DT-OS 1 476 7H), bei denen die mit Hilfe von Sonnenreflektoren gewonnene Nutzwärme durch einen zirkulierenden Wärmeträger an den Arbeitsluftstrom in einem von diesem durchsetzten, abströmseitig des Verdichters gelegenen Wärmetau-rscher übertragen wird, haben jedoch neben einer komplizierten Bauweise ein träges Ansprechverhalten, was sich bei dem häufigen Betriebswechsel (Wolkenflug, Tag- und Nachtwechsel) und insbesondere beim Anfahren der Anlage nachteilig auswirkt.

Ferner ist ein Sonnenkraftwerk mit einem offenen Gasturbinenprozeß bekannt (US-PS 3 203 167), bei dem der Hauptluftstrom zwischen Verdichter und Turbine einen als Strahlpumpe wir~ kenden Überschalldiffusor passiert, wo er durch Beimischung einer in· diesen angesaugten, zuvor in einem Sonnenkollektor hocherhitzten Luftteilmenge erwärmt wird. Diese Anlage erfordert 3edoch ebenfalls einen großen Bauaufwand und ihre spezifische Leistung, bezogen auf den Luftdurchsatz, ist gering.

Demgegenüber soll erfindungsgemäß ein solarthermisches Kraftwerk mit offenem Luftkreislauf geschaffen werden, das mit geringem Maschinenaufwand eine hohe Nutzleistung liefert und zugleich eine rasche Anpassung an Schwankungen in der Sonneneinstrahlung, und insbesondere ein rasches Anfahren

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ermöglicht·

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein solarthermisches Kraftwerk der "beanspruchten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß" zur direkten solaren Erwärmung des vom Verdichter zur Expansionsmaschine geförderten Luftstroms ein von diesem durchströmter, der Sonnenstrahlung unmittelbar ausgesetzter Solarerhitzer vorgesehen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Kraftv/erk wird durch die "besondere Art der luftaufheizung ein Intensitätszuwachs in der Sonneneinstrahlung rasch und vollständig ausgenutzt und vor allem ein schnelles Anfahren der Anlage garantiert, v/as bei den häufig wechselnden Betriebsbedingungen solarthermischer Kraftwerke von ganz entscheidender Bedeutung ist, mit der Besonderheit, daß eine hochgradige, nahezu verlustfreie Erwärmung des verdichteten luftströme auf das im Solarerhitzer jeweils vorhandene Temperaturniveau erreicht und eine hohe spezifische leistung bei geringem Bauaufwand erzielt wird.

Um im Solarerhitzer eine möglichst hohe Betriebstemperatur zu erhalten, ist dieser zweckmäßigerweise ein durch gebündelte Sonnenstrahlung beheizter Hochtemperatur-Wärmetauscher.

Zum Ausgleich eines vorübergehenden Intensitätsschwunds der einfallenden Sonnenstrahlung empfiehlt es sich, zwischen Solarerhitzer und Expansionsmaschine einen Wärmespeicher anzuordnen. In diesem Pail ist in besonders zweckmäßiger Weise * eine den Wärmespeicher überbrückende Umgehungsleitung für den der Expansionsmaschine zugeführten Heißluftstrom vorgesehen, so daß der Heißluftstrom in bestimmten Betriebsphasen, in denen seine Temperatur die des Wärmespeichers übersteigt, etv/a beim Anfahren der Anlage oder bei einer raschen Zunahme der Sonneneinstrahlung, ohne vorherige Abkühlung im Wärmespeicher und'Umgehung desselben unmittelbar der Expansionsmaschine zugeführt und daher der Wärmespeicher durch den

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Heißluftstrom erst zu einem späteren Zeitpunkt auf dessen höheres Semperatumiveau aufgeheizt werden kann. Eine "besonders günstige Aufheizung des Wärme Speichers, "bei der dem Heißluftstrom möglichst wenig nutzbare Wärme entzogen wird, wird durch Torwärmen des Wärmespeichers durch die Auspuffluft der Expansionsmaschine bei auf die Umgehungsleitung umgeschaltetem Heißluftstrom erzielt.

Zur weiteren Ausnutzung der mit. der Auspuff luft anfallenden Abwärme ist zweckmäßigerweise zum Vorheizen der vom Verdichter angesaugten Luft ein von der Auspuffluft der Expansionsmaschine beheizter Gegenstrom-Wärmetauseher vorgesehen.

In besonders bevorzugter Weise ist schließlich zur Luftaufheizung zwischen Yerdichter und Expansionsmaschine zusätzlich zum Solarerhitzer eine parallel oder in Reihe zu diesem geschaltete Brennkammer angeordnet, so daß die Anlage bei nicht a.usx"eichender Sonnenstrahlung zusätzlich oder ersatzweise zum solarthermischen Betrieb mit üblichen Brennstoffen betrieben v/erden kann, etwa bei Nacht oder wenn die Sonneneinstrahlung durch Wolkenbildung für längere Zeit nachläßt oder ausfällt und die Wärmekapazität eines ggf. vorhandenen Wärmespeichers erschöpft ist.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausfülirungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, die ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sonnenkraftwerks in schematischer Darstellung zeigt«

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gelangt die nach Vorwärmen in einem G-egenstrom-Wärmetauscher 2 in dem Verdichter 4 komprimierte Arbeitsluft über eine Druckleitung 6 zu einem Solarerhitzer 8 in Form eines Hochtemperatur-Wärmetauschers, der aus hochwarmfesteii Rohren aufgebaut und unmittelbar der über eine nachfahrbare Spiegelanordnung 10 gebündelten Sonnenstrahlung ausgesetzt ist. Der Solarer-

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hitzer 8 ist so ausgebildet, daß er eine möglichst geringe Rückstrahlung, insbesondere im Infrarotbereich, aufweist.

Zusätzlich zum Solarerhitzer 8 ist zum Aufheizen des Arbeitsluxtstroms eine abschaltbare Brennkammer 12 angeordnet, die einen kontinuierlichen Betrieb der Anlage auch bei einem Ausfall oder einem stärkeren Absinken der einfallenden Sonnenstrahlung,-also etwa auch nachts, ermöglicht und.von einem Tank 14 mit Brennstoff, beispielsweise Kerosin, versorgt wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die Brennkammer 12 parallel zum Solarerhitzer 8, und eine mit absinkender Sonnenintensität zunehmende luftteilmenge bis hin zum gesamten Arbeitsluftstrom wird durch ein Regelventil 16 vor dem Solarerhitzer 8 zur Brennkammer 12 umgeschaltet. Wahlweise kann die Brennkammer 12 auch in Reihe zum Solarerhitzer 8 hinter diesem angeordnet sein, wobei das Regelventil 16 entfällt und die Brennkammer 12 den gesamten Arbeitsluftstrom aufheizt, wenn die Wämezufuhr im Solarerhitzer 8 unter den zum Betrieb der Anlage erforderlichen Wert abfällt. Auch beim Starten der Anlage kann die Brennkammer 12 eingeschaltet werden, um zusätzlich zur direkten Luftaufheizung im Solarerhitzer 8 ein schnelles Anfahren zu ermöglichen.

Abströmseitig von Solarerhitzer 8 und Brennkammer 12 liegt im Zuge der Druckleitung 6 ein Wärmespeicher 18 mit einer parallel zu diesem verlaufenden Umgehungsleitung 20 und einem Schaltventil 22, das die Umschaltung des Heißluftstroms zwischen "Wärmespeicher 18 und Umgehungsleitung 20 auf die unten beschriebene Weise reguliert.

Hinter dem Wärmespeicher 18 wird die verdichtete Heißluft unter Arbeitsleistung in einer Expansionsmaschine 24 in Form einer ein- oder "^Jöistufigen G-asturbine entspannt, die einerseits den Verdichter 4 über eine Welle 26 und andererseits einen Verbraucher 28 in Form eines stromerzeugenden Generators 6- antreibt.

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Um die Abwärme des Kreisprozesses auszunutzen,wird die Auspuffluft der Expansionsmaschine 24 unter Steuerung eines Regelventils 30 zum einen zum Vorwärmen der vom Verdichter 4 angesaugten Arbeitsluft im Gegenstrom-Wärmetauscher 2 und zum anderen da,zu benutzt, den Wärmespeicher 18 vorzuheizen, wenn dessen Temperatur unter der der Auspuffluft liegt. Der restliche Seil der Auspuffluft wird über das Regelventil 30 ins Freie ausgeblasen.

Solange der Wärmespeicher 18 durch die Auspuffluft vorgeheizt v/ird, schaltet das Schaltventil 22 den Arbeitsluftstrom auf die Umgehungsleitung 20 um, um zu verhindern, daß der Arbeitsluft nutzbare Wärme beim Vorheizen des Wärmespeichers 18 entzogen wird. Nach Abschaltender Auspuff luft und Umschalten des Ventils 22 wird der Wärmespeicher 18 durch die heißere Arbeitsluft weiter aufgeheizt und dient zum Ausgleich von je nach Wärmekapazität mehr oder weniger kurzzeitigen Temperaturschwankungen des -Arbeitsluftstroms.

Auch in bestimmten anderen Betriebsphasen, in denen die Auspuffluft vom Wärmespeicher 18 abgeschaltet ist'und dieser durch die Arbeitsluft bereits über die Vorheiztemperatur erwärmt wurde,, kann es zweckmäßig sein, den Arbeitsluftstrom mit Hilfe des Schaltventils 22 unter Überbrückung des Wärmespeichers 18 über die Umgehungsleitung 20 zu führen, nämlich etwa dann, wenn die Temperatur der Arbeitsluft über der des Wärniespeichers 18 liegt und die Enthalpie des Heißluftstroms nicht zum Auffüllen des Wärmespeichers 18,sondern vorrangig zur Deckung des Leistungsbedarfs des Verbrauchers 28 benötigt v/ird. Zur feinfühligeren Regulierung kann das Ventil 22 auch stufenlos verstellbar sein.

- Patentansprüche -

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Claims

Pat entansprüche

Solarthermisches Kraftwerk mit offenem Luftkreislauf, bei aern dein Luftstrom zwischen Verdichter und Expansionsmaschine aus Sonnenenergie gewonnene Wutzwärme zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur direkten solaren Erwärmung des vom Verdichter (4) zur Expansionsmaschine (24) geförderten Luftstroms ein von diesem durchströmter, der Sonnenstrahlung unmittelbar ausgesetzter Solarerhitζer (8) vorgesehen ist.

2» Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Solarerhitzer (8) ein durch gebündelte Sonnenstrahlung beheizter Hochtemperatur-Wärmetauscher ist.

3. Kraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Solarerhitzer (8) und Expansionsmaschine (24) ein Wärmespeicher (18) angeordnet ist.

4. Kraftwerk nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine den Wärmespeicher (18) überbrückende Umgehungsleitung (20) für den der Expansionsmaschine (24) zugeführten Heißluftstrom.

5.. Kraftwerk nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Vorheizen des Wärmespeichers (18) durch die Auspuffluft der Expansionsmaschine (24) bei auf die Umgehungsleitung (20) umgeschaltetem Heißluftstrom.

6. Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorheizen der vom Verdichter (4)

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ORIGINAL INSPECTED

.angesaugten Luft ein von der Auspuffluft der Expansionsmaschine (24) beheizter Gegenstroin-Wärmetauselier (2) ■vorgesehen ist.

7. Kraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Luftaufheizung zwischen Verdichter (4) und Expansionsmaschine (24) zusätzlich zum Solarerhitzer (8) eine parallel oder in Reihe zu diesem geschaltete Brennkammer (12) angeordnet ist.

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