DE102010023843A1 - Solar thermal power plant i.e. parabolic trough power plant, for producing electric current, has intermediate absorber comprising straight-line pipe that is component of receivers of linear concentrating collector system - Google Patents

Abstract

The power plant has an intermediate absorber delivering concentrated solar radiation as heat energy to a working medium. A gas turbine transforms solar thermal energy into mechanical and/or electricity. The absorber comprises a straight-line pipe that is a component of receivers of a linear concentrating collector system. A micro turbine (4) and a compressor (1) are axially coupled, where the compressor is driven by an electric motor. The turbine runs on a shaft by a generator (6) or the generator runs on the shaft of another micro turbine that is driven by the former micro turbine.

Description

Die Erfindung betrifft ein solarthermisches Kraftwerk zur Erzeugung von elektrischem Strom mittels Sonnenenergie in einem Leistungsbereich unter 100 kW. Die bisher erfolgreichste Technologie zur solarthermischen Stromproduktion, bzw. die Technologie mit der größten, weltweit installierten elektrischen Leistung sind die Parabolrinnenkraftwerke. Die Konzentratoren (Spiegel) sind hier Rinnenförmig mit parabolischem Querschnitt, wobei das Sonnenlicht in einer linienförmigen Brennlinie gebündelt wird (Linienkonzentrator). In der Brennlinie liegt der Receiver, der das Sonnenlicht absorbiert und als Wärmeenergie an Thermoöl, ein Wärmeträgermedium, abgibt. Linienkonzentratoren haben durch ihren Aufbau geringere Konzentrationsfaktoren als punktförmig konzentrierende Systeme (z. B. Paraboloidspiegel, Heliostaten), was deren Wirkungsgrad gerade bei hohen Absorbertemperaturen verschlechtert. Dennoch haben sie sich wegen ihres einfachen Aufbaus und der damit verbundenen Möglichkeit zur kostengünstigen Komponentenfertigung gegen hochkonzentrierende Systeme durchgesetzt. Durch die großen Stückzahlen der Komponenten verringert sich deren Preis zusätzlich. Parabolrinnenkraftwerke werden derzeit nur in Leistungsbereichen über 1 MW eingesetzt. Dabei wird die im Kollektorsystem gewonnene Wärmeenergie von einem Thermoöl, das durch den Receiver geführt wird, aufgenommen und über einen Wärmetrauscher an das Arbeitsmedium (Wasser) abgegeben, um damit Wasserdampf zu erzeugen. Der Wasserdampf wird zum Betrieb einer Dampfturbine verwendet. Mit diesem Dampfkraftprozess können große Leistungen umgesetzt werden, er ist aber technisch aufwendig und wird für Leistungen < 100 kW nicht genutzt. Parabolrinnenkraftwerke sind bei kleinen, dezentralen Investitionsprojekten nicht bekannt.The The invention relates to a solar thermal power plant for the production of electricity using solar energy in a power range under 100 kW. The most successful solar thermal technology ever Electricity production, or the technology with the largest, worldwide installed electrical power are the parabolic trough power plants. The concentrators (mirrors) are here channel-shaped with Parabolic cross-section, with the sunlight in a linear Focal line is bundled (line concentrator). In the Focal line is the receiver, which absorbs the sunlight and as thermal energy to thermal oil, a heat transfer medium, emits. Line concentrators have lower construction Concentration factors as point-concentrating Systems (eg Paraboloidspiegel, Heliostaten), what their efficiency deteriorated especially at high absorber temperatures. Still have They themselves because of their simple structure and the associated Possibility for cost-effective component production enforced against highly concentrated systems. By the big ones Numbers of components reduces their price additionally. Parabolic trough power plants are currently only available in Power ranges over 1 MW used. Here is the heat energy from a thermal oil, obtained in the collector system, which is passed through the receiver, taken and over a heat noise to the working fluid (water) delivered to to generate water vapor. The water vapor becomes the operation a steam turbine used. With this steam power process can great benefits are implemented, but it is technically complex and will be for services <100 kW not used. Parabolic trough power plants are small, decentralized Investment projects unknown.

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung von solarthermischen Anlagen in kleinen Leistungsbereichen (< 100 kW), bei der Komponenten von Parabolrinnenkraftwerken (Konzentrator, Receiver) verwendet werden können, um von deren Vorteilen (niedriger Preis, bewährt, langlebig) zu profitieren. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gekennzeichneten Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. In einem offenen Gasturbinenprozess wird Umgebungsluft angesaugt und verdichtet. Die komprimierte Luft wird anschließend in dem Absorber eines Parabolrinnenkollektors erhitzt und einer Turbine zugeführt. Die dadurch an der Turbine frei werdende Arbeit wird genutzt, um direkt oder indirekt einen Generator anzutreiben. Ein Anlagenbeispiel ist schematisch in dargestellt. In dem Beispiel wird die Abgasluft der Turbine einem Wärmetauscher zugeführt. Hier wird ein Teil der Abwärme an die zuvor verdichtete Arbeitsluft abgegeben, wodurch ein besserer Gesamtwirkungsgrad erreicht wird. In dem Anlagenbeispiel 1 liegen Verdichter, Turbine und Generator auf einer gemeinsamen Welle. Es ist auch eine Zusammenstellung nach Beispiel 2 denkbar, bei der Verdichter und Turbine auf getrennten Wellen laufen, wobei der Verdichter von einem Elektromotor angetrieben wird ( ). Des Weiteren können nach Beispiel 3 auch die Turbine in der die Arbeitsluft entspannt wird und der Generator auf getrennten Wellen laufen, wobei dann eine zweite Turbine benötigt wird, die mittels der Abgasluft der ersten den Generator antreibt ( ). Sowohl in der Einwellen- als auch in der Zweiwellenbauweise ist es vorteilhaft den Generator mit einer Leistungselektronik zu verbinden, mit der die Stromcharakteristik (Frequenz, Spannung) an den Verbraucher angepasst werden kann. Im einfachsten Fall besteht die Leistungselektronik aus einem AC/DC Wandler und einem nachgeschalteten DC/AC Wandler. Durch die Verwendung der Leistungselektronik kann ein Getriebe entfallen und die Drehzahl der Turbine und des Generators sind variabel, wodurch der Wirkungsgrad im Teillastbereich verbessert werden kann.The aim of the invention is the provision of solar thermal systems in small power ranges (<100 kW), in which components of parabolic trough power plants (concentrator, receiver) can be used to benefit from their advantages (low price, proven, durable). The object is achieved by the characterized features of claim 1. In an open gas turbine process, ambient air is sucked in and compressed. The compressed air is then heated in the absorber of a parabolic trough collector and fed to a turbine. The work thus released at the turbine is used to directly or indirectly drive a generator. An installation example is schematically in shown. In the example, the exhaust gas of the turbine is supplied to a heat exchanger. Here, a part of the waste heat is released to the previously compressed working air, whereby a better overall efficiency is achieved. In the plant example 1 compressor, turbine and generator are on a common shaft. It is also conceivable a combination according to Example 2, run in the compressor and turbine on separate shafts, wherein the compressor is driven by an electric motor ( ). Furthermore, according to example 3, the turbine in which the working air is expanded and the generator run on separate shafts, in which case a second turbine is required, which drives the generator by means of the exhaust air of the first ( ). Both in the single-shaft and in the two-shaft design, it is advantageous to connect the generator with a power electronics, with which the current characteristic (frequency, voltage) can be adapted to the consumer. In the simplest case, the power electronics consists of an AC / DC converter and a downstream DC / AC converter. Through the use of power electronics, a transmission can be omitted and the speed of the turbine and the generator are variable, whereby the efficiency in the partial load range can be improved.

In kleinen Leistungsbereichen ist es sinnvoll, einen Zentrifugalverdichter mit einer Radialturbine zu kombinieren. Diese kompakte Bauweise ist z. B. bei Turboladern bekannt. Zur Erhitzung der Luft dient ein Absorber, welcher die gebündelte Sonnenstrahlung eines Parabolrinnenkollektors oder von Fresnelkollektoren unter möglichst geringen Verlusten absorbiert. Für die linienförmigen Brennpunkte dieser Kollektoren ist es vorteilhaft, den Absorber als gerades Rohr auszuführen. Durch die einfache Geometrie, durch welche das Gas geführt wird, sind die Strömungsverluste minimal. Der Absorber und der Kollektor sind leicht auszulegen und zu berechnen. Die komprimierte Luft wird in dem Absorber auf ein höheres Temperaturniveau erhitzt. Um die Absorption des Sonnenlichtes auf dem Absorberrohr zu verbessern, ist dies mit einer speziellen Beschichtung versehen. Das Emissionsspektrum dieser Schicht weist gleichzeitig niedrige Werte im Bereich der infraroten Wellenlängen auf, um Wärmeverluste durch Infrarotstrahlung gering zu halten. Bekannt ist dies z. B. aus dem Patent DE 10 2006 056 536 B3 . Das Absorberrohr ist zusätzlich mit einem für das Sonnenlicht transparenten Hüllrohr umgeben, mit dem ein Vakuum zwischen Absorberrohr und Hüllrohr eingeschlossen wird. Damit werden konvektive Wärmeverluste zwischen Absorberrohr und Umgebung vermieden. Das Absorberrohr zusammen mit dem Vakuumhüllrohr und den Haltevorrichtungen wird als Receiver bezeichnet. Bei der Verwendung von Thermoöl als Wärmeträgermedium entsteht ab Temperaturen von 400°C zunehmend Wasserstoff als Zerfallsprodukt des Thermoöls. Der Wasserstoff kann durch die Wand des Absorberrohres in das Vakuum diffundieren, wodurch sich die isolierenden Eigenschaften des Receivers mit der Zeit verschlechtern.In small power ranges, it makes sense to combine a centrifugal compressor with a radial turbine. This compact design is z. B. in turbochargers known. To heat the air is an absorber, which absorbs the bundled solar radiation of a parabolic trough collector or Fresnel collectors with minimal losses. For the linear foci of these collectors, it is advantageous to design the absorber as a straight tube. Due to the simple geometry through which the gas is guided, the flow losses are minimal. The absorber and the collector are easy to design and to calculate. The compressed air is heated in the absorber to a higher temperature level. In order to improve the absorption of sunlight on the absorber tube, this is provided with a special coating. At the same time, the emission spectrum of this layer has low values in the range of the infrared wavelengths in order to minimize heat losses due to infrared radiation. This is known z. B. from the patent DE 10 2006 056 536 B3 , The absorber tube is additionally surrounded by a cladding tube which is transparent to sunlight and with which a vacuum is enclosed between the absorber tube and the cladding tube. This avoids convective heat losses between the absorber tube and the surrounding area. The absorber tube together with the vacuum tube and the holding devices is referred to as a receiver. When using thermal oil as a heat transfer medium, hydrogen is increasingly produced as a decomposition product of the thermal oil from temperatures of 400 ° C. The hydrogen can diffuse through the wall of the absorber tube into the vacuum, whereby the insulating properties of the receiver deteriorate over time.

Die Prozesstemperaturen sind daher bei herkömmlichen Anlagen auf maximal 400°C limitiert. Integriert man den Absorber in einen Gasturbinenprozess, so wird kein Thermoöl benötigt, da das Arbeitsmedium (Luft/Gas) gleichzeitig als Wärmeträgermedium dient. Da der Anteil von niedermolekularen Gasen in der Luft sehr gering ist, wird die Prozesstemperatur bei der hier vorgeschlagenen Anlage hautsächlich durch die thermische Stabilität des Absorbermaterials und der Beschichtung begrenzt. Der Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses nimmt mit steigender Prozesstemperatur zu. Gleichzeitig sinkt der thermische Wirkungsgrad des Receivers aufgrund der zunehmenden Wärmeverluste. Das Optimum für die Prozesstemperatur bei der hier vorgeschlagenen Anlage wird bei etwa 650°C bis 700°C erwartet (zur Ermittlung dieser Werte wurden die Wärmeverlustcharakteristiken von Receiver verschiedener Hersteller verwendet). Liegen die zulässigen Temperaturen des Absorbermaterials und der Beschichtung darunter, so sind die Prozesstemperaturen entsprechend anzupassen.The process temperatures are therefore at her conventional systems limited to a maximum of 400 ° C. Integrating the absorber in a gas turbine process, so no thermal oil is needed because the working medium (air / gas) also serves as a heat transfer medium. Since the proportion of low molecular weight gases in the air is very low, the process temperature in the system proposed here is limited mainly by the thermal stability of the absorber material and the coating. The efficiency of the gas turbine process increases with increasing process temperature. At the same time, the thermal efficiency of the receiver decreases due to increasing heat losses. The optimum for the process temperature in the proposed system here is expected at about 650 ° C to 700 ° C (to determine these values, the heat loss characteristics of receivers from different manufacturers were used). If the permissible temperatures of the absorber material and the coating are lower, the process temperatures must be adjusted accordingly.

Damit die optischen Verluste des Kollektorsystems bei variierendem Sonnenstand gering bleiben, ist dies dem Sonnenstand mindestens einachsig nachzuführen. Um den Wirkungsgrad der Turbine im Teillastbereich zu verbessern, sollte diese entweder mit einer Drehzahlregelung versehen sein oder verstellbare Leitschaufeln aufweisen. Mit beiden Maßnahmen kann der Anströmwinkel an den Turbinenschaufeln bei variablem Gas- bzw. Luftmassenstrom optimiert werden. Die Drehzahlregelung der Turbine ist gerade in der Einwellenbauweise ( ) vorteilhaft, da die Regelung über das Lastmoment des Generators erfolgen kann.So that the optical losses of the collector system remain low with varying sun position, this is at least uniaxially track the sun's position. In order to improve the efficiency of the turbine in the partial load range, this should either be provided with a speed control or have adjustable vanes. With both measures, the angle of attack on the turbine blades can be optimized with variable gas or air mass flow. The speed control of the turbine is currently in the single shaft design ( ) advantageous because the control can be done via the load torque of the generator.

Bei zu geringem Sonnenlicht ist es möglich, über eine vor dem Turbineneintritt liegende Brennkammer, Kraftstoff einzuspritzen und die Turbine herkömmlich zu befeuern, um einen Ausfall zu vermeiden. Sinnvollerweise können mit der heißen Abluft Sekundärprozesse unterstützt werden, wie z. B. Verdampfungsprozesse, Heißwasserbereitstellung oder Klimatisierung. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Darlegung zur Lösung.at too little sunlight is possible over one In front of the turbine inlet combustion chamber to inject fuel and traditionally firing the turbine to a failure to avoid. Meaningfully, with the hot Exhaust secondary processes are supported, such as z. B. evaporation processes, hot water supply or air conditioning. Further features of the invention will become apparent from the description of Solution.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Verdichtercompressor

22

Wärmetauscherheat exchangers

33

Parabolrinnenkollektor (bestehend aus Rinnenspiegel und Receiver)parabolic trough collector (consisting of gutter mirror and receiver)

44

Mikroturbinemicroturbine

55

Achseaxis

66

Generatorgenerator

77

Luftstromairflow

88th

Elektromotorelectric motor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - DE 102006056536 B3 [0003] DE 102006056536 B3 [0003]

Claims (7)

Solarthermisches Kraftwerk mit einem Gasturbinenprozess zur Umwandlung solarthermischer Energie in mechanische und/oder elektrische Energie, bestehend aus mindestens einer Mikroturbine, mindestens einem Verdichter und mindestens einem zwischengeschalteten Absorber, der konzentrierte Sonnenstrahlung als Wärmeenergie an das Arbeitsmedium abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber aus einem vorzugsweise geradlinigen Rohr besteht, das Bestandteil des Receivers eines linear konzentrierenden Kollektorsystems ist.Solar thermal power plant with a gas turbine process for converting solar thermal energy into mechanical and / or electrical energy, consisting of at least one microturbine, at least one compressor and at least one intermediate absorber, the concentrated solar radiation as heat energy to the working medium, characterized in that the absorber from a preferably rectilinear tube, which is part of the receiver of a linearly concentrating collector system. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Turbine und Verdichter axial gekoppelt sind, oder der Verdichter über einen Elektromotor angetrieben wird.Solar thermal power plant according to claim 1, characterized characterized in that turbine and compressor are axially coupled, or the compressor is driven by an electric motor becomes. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass die Turbine auf einer Welle mit einem Generator läuft oder dass der Generator auf der Welle einer zweiten Turbine läuft, die von der ersten Turbine angetrieben wird.Solar thermal power plant according to claim 1 and 2, characterized in that the turbine on a shaft with a Generator is running or that the generator is on the shaft of a second turbine is running, powered by the first turbine becomes. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufeln variabel einstellbar sind oder die Drehzahl der Turbine über das Lastmoment des Generators gesteuert werden kann.Solar thermal power plant according to claim 1 to 3, characterized in that the turbine blades are variably adjustable or the speed of the turbine over the load torque of the generator can be controlled. Solarthermisches Kraftwerk nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Wärmetauscher ein Teil der Wärme aus der Abgasluft der Turbine zurückgewonnen wird. Dieser Wärmeanteil wird genutzt um die verdichtete Arbeitsluft vor dem Eintritt in den Absorber aufzuwärmen.Solar thermal power plant according to claim 1 to 4, characterized in that via a heat exchanger recovered some of the heat from the exhaust air of the turbine becomes. This heat share is used around the condensed Warm working air before entering the absorber. Solarthermisches Kraftwerk nach den Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor mindestens einachsig der Sonne nachgeführt wird.Solar thermal power plant according to claims 1 to 5, characterized in that the collector is at least uniaxial the sun is tracked. Solarthermisches Kraftwerk nach den Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator an eine Leistungselektronik angeschlossen ist, mit der der Generatorstrom an einen Verbraucher angepasst werden kann.Solar thermal power plant according to claims 1 to 6, characterized in that the generator to a power electronics is connected, with the generator current to a consumer can be adjusted.

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