DE10248068A1

DE10248068A1 - Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung und Verfahren zur solarthermischen Erzeugung von Dampf

Info

Publication number: DE10248068A1
Application number: DE10248068A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Dr. Steinmann; Markus Dr. Eck
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2002-10-11
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2022-10-12
Also published as: DE10248068B4

Abstract

Um eine Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung, umfassend einen zentralen Empfänger und mindestens einen Heliostaten zur Konzentration von Solarstrahlung auf den zentralen Empfänger, wobei der zentrale Empfänger in einer vertikalen Höhe zu dem Heliostaten angeordnet ist, zu schaffen, bei welcher die thermomechanischen Belastungen des Systems minimiert sind, ist vorgesehen, daß der zentrale Empfänger einen Verdampferabschnitt und einen Überhitzerabschnitt aufweist, daß Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt mit Strahlungsabsorptionsflächen versehen sind und daß Solarstrahlung durch den Heliostaten auf Strahlungsbeaufschlagungsflächen von Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt konzentrierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung, umfassend einen zentralen Empfänger und mindestens einen Heliostaten zur Konzentration von Solarstrahlung auf den zentralen Empfänger, wobei der zentrale Empfänger in einer vertikalen Höhe zu dem Heliostaten angeordnet ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur solarthermischen Erzeugung von Dampf, bei dem ein Medium durch einen zentralen Empfänger geführt wird, welcher mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt wird.

Derartige Anlagen und Verfahren beruhen auf dem Turmkonzept, bei dem solare Direktstrahlung auf einen zentralen Empfänger konzentriert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung mit zentralem Empfänger der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welcher die thermomechanischen Belastungen des Systems minimiert sind.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Anlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zentrale Empfänger einen Verdampferabschnitt und einen Überhitzerabschnitt aufweist, daß Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt mit Strahlungsabsorptionsflächen versehen sind und daß Solarstrahlung durch den Heliostaten auf Strahlungsbeaufschlagungsflächen von Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt konzentrierbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich durch das Vorsehen eines Verdampferabschnitts und eines Überhitzerabschnitts die örtliche Position eben zwischen Verdampfung und Überhitzung festlegen. Dadurch führen Schwankungen in der solaren Einstrahlung nicht zur Variation der örtlichen Position der Phasenübergänge; solch eine Variation führt zu einer erheblichen thermomechanischen Belastung des Systems, die erfindungsgemäß vermieden ist.

Dadurch, daß Solarstrahlung durch den Heliostaten auf insbesondere einstellbare Strahlungsbeaufschlagungsflächen von Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt konzentrierbar ist, lassen sich bei entsprechender Einstellung des optischen Systems Wärmestromdichten erreichen, die geringer sind als die Wärmestromdichten bei üblichen Turmkonzepten (800 kW/m² bis 1500 kW/m²). Erfindungsgemäß lassen sich Wärmestromdichten unterhalb ca. 400 kW/m² einstellen. Dies bedeutet, daß konventionelle Rohrsysteme verwendet werden können, um das Medium, insbesondere Wasser, durch den zentralen Empfänger zu führen. Die thermomechanischen Belastungen entsprechender Rohrsysteme lassen sich minimieren.

Bei Parabolrinnenkollektoren lassen sich Konzentrationsfaktoren der Solarstrahlung im Bereich von 90 erreichen, während bei Konzepten mit zentralen Empfängern (Turmreceiver-Konzepte) sich Konzentrationsfaktoren bis zu 1000 erreichen lassen. Umgerechnet weisen konventionelle fossile Dampferzeuger einen Konzentrationsfaktor von etwa 200 bis 300 auf. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Konzentration auf solche Konzentrationsfaktoren von 200 bis ca. 300 eingestellt, so daß Rohrsysteme verwendet werden können, wie sie bei konventionellen fossilen Dampferzeugern benutzt werden. Die Anlage ist aber bezüglich des zentralen Empfängers kompakter aufgebaut als im Zusammenhang mit Parabolrinnenkollektoren.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt in Reihe angeordnet sind.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem Verdampferabschnitt und dem Überhitzerabschnitt ein Flüssigkeitsabscheider angeordnet. In dem Verdampferabschnitt wird ein Zweiphasengemisch aus Flüssigkeit und Dampf gebildet. Über den Flüssigkeitsabscheider läßt sich zumindest ein Teil der Flüssigkeit abscheiden, so daß ein hoher Dampfanteil in den Überhitzerabschnitt eintreten kann. Dies hat zur Folge, daß die im Zusammenhang mit Zwei-Phasen-Strömungen auftretenden Probleme verringert sind. Über einen Flüssigkeitsabscheider wird auch die Grenze zwischen Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt örtlich definiert festgelegt, so daß diese Position nicht variieren kann.

Insbesondere ist dabei eine Rezirkulationsleitung vorgesehen, über welche abgeschiedene Flüssigkeit dem Verdampferabschnitt rückführbar ist. Dadurch läßt sich der Verdampfungsendpunkt der Flüssigkeitsverdampfung gut festlegen.

Insbesondere ist der Verdampferabschnitt bezüglich einer Strömungsführung vertikal ausgerichtet angeordnet. Es wird dann keine Pumpe benötigt, um Medium durch den Verdampferabschnitt zu führen, da dieser Transport aufgrund der Dichteunterschiede im Naturumlauf erfolgt.

Gleiches gilt, wenn der Überhitzerabschnitt bezüglich einer Strömungsführung vertikal ausgerichtet angeordnet ist.

Insbesondere ist der zentrale Empfänger an einem Turm angeordnet, um auf einfache Weise den zentralen Empfänger erhöht über dem Heliostaten positionieren zu können, damit dieser wiederum Solarstrahlung auf den zentralen Empfänger hin konzentrieren kann.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn Spiegel des Heliostaten individuell steuerbar sind, so daß die Strahlungsbeaufschlagung des Verdampferabschnitts und/oder Überhitzerabschnitts einstellbar ist. Durch entsprechende Einstellung des optischen Systems, d. h. der Spiegel des oder der Heliostaten, läßt sich erreichen, daß die Wärmestromdichte im Verdampferabschnitt und/oder Überhitzerabschnitt keinen oberen Grenzwert überschreitet und bei verringerten Einstrahlungsbedingungen auch keinen unteren Grenzwert unterschreitet. Dadurch läßt sich zum einen erreichen, daß thermomechanische Probleme insbesondere bezüglich Rohren der Strömungsführung vermieden sind und daß andererseits eine genügend große flächenspezifisch eingekoppelte Leistung vorliegt, wobei letztere insbesondere so gewählt wird, daß diese auch bei schwankenden Einstrahlungsbedingungen im wesentlichen konstant ist. Es läßt sich dann eine Anpassung der Wärme aufnehmenden Flächen (der strahlungsbeaufschlagten Flächen) entsprechend den zeitlich variierenden Beheizungsbedingungen, d. h. den Einstrahlungsbedingungen, realisieren.

Insbesondere sind Spiegel des oder der Heliostaten zweiachsig beweglich, um so eine entsprechende Strahlungskonzentration auf den zentralen Empfänger hin zu erreichen.

Es kann vorgesehen sein, daß Schwenkachsen, um die ein Spiegel beweglich ist, eine vertikale Ebene aufspannen.

Insbesondere ist ein Naturumlauf vorgesehen, d. h. kein Zwangsumlauf für das Medium. Dieses wird durch Dichteunterschiede transportiert, ohne daß eine Pumpe vorgesehen werden muß.

Günstig ist es, wenn eine strahlungsbeaufschlagte Fläche an einer Strahlungsabsorptionsfläche des Verdampferabschnitts und/oder Überhitzerabschnitts einstellbar ist. Es läßt sich dann verhindern, daß zu große Wärmestromdichten vorliegen, die thermomechanische Probleme verursachen können.

Ferner ist es günstig, wenn eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher das optische System des Heliostaten so einstellbar ist, daß eine bestimmte Strahlungsbeaufschlagungsfläche des Verdampferabschnitts und/oder Überhitzerabschnitts strahlungsbeaufschlagt ist. Auf diese Weise läßt sich die Wärmestromdichte und damit die spezifisch eingekoppelte Leistung an die Strahlungsbedingungen anpassen, wobei wiederum die eingekoppelte Leistung im wesentlichen konstant gehalten werden kann, wenn entsprechend die Strahlungsbeaufschlagungsflächen eingestellt werden.

Günstig ist es, wenn eine oder mehrere Wärmeabdeckungen für eine Strahlungsabsorptionsfläche vorgesehen sind. Über diese Wärmeabdeckungen lassen sich Teilbereiche der Strahlungsabsorptionsflächen abdecken, welche nicht strahlungsbeaufschlagt sind. Es lassen sich dann thermische Verluste in diesen Teilbereichen reduzieren. Insbesondere sind dabei die Wärmeabschirmungen beweglich an einem Turm angeordnet und insbesondere vertikal verschiebbar, um so eine stufenlose Anpassung und damit optimierte Steuerung bzw. Regelung der Strahlungsbeaufschlagungsflächen zu erreichen.

Insbesondere ist einstellbar, daß Teilflächen der Gesamtstrahlungsabsorptionsflächen des Verdampferabschnitts und/oder Überhitzerabschnitts strahlungsbeaufschlagbar sind.

Günstigerweise weisen Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt getrennte Strahlungsabsorptionsflächen auf, um eine Optimierung bezüglich Verdampfung und Überhitzung getrennt erreichen zu können.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß ein Eingang für zu verdampfendes Medium im Verdampferabschnitt und/oder Überhitzerabschnitt einstellbar ist. Ferner kann es vorgesehen sein, daß ein Ausgang von Medium aus dem Verdampferabschnitt und/oder Überhitzerabschnitt einstellbar ist. Dadurch läßt sich dann eine Strömungsstrecke des Mediums jeweils durch den Verdampferabschnitt und/oder Überhitzerabschnitt einstellen und damit wiederum die Wärme aufnehmende Fläche. Die Wärme aufnehmende Fläche läßt sich damit über den Strömungsweg des Mediums einstellen oder auch über die strahlungsbeaufschlagte Fläche.

Es ist vorgesehen, daß die Strahlungsbeaufschlagungsflächen von Verdampferstrang und Überhitzerstrang proportional gesteuert einstellbar sind, um bei variierenden Einstrahlungsbedingungen gleiche Werte für den erzeugten überhitzten Dampf zu erhalten.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß thermomechanische Belastungen der Strömungsführung minimiert sind.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das flüssige Medium durch einen Verdampferabschnitt zur Verdampfung geführt wird und daß verdampftes Medium durch einen Überhitzerabschnitt geführt wird, wobei Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung erläutert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Anlage erläutert.

Insbesondere ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß Strahlungsbeaufschlagungsflächen des Verdampferabschnitts und/oder des Überhitzerabschnitts optisch eingestellt werden. Dadurch lassen sich Wärmestromdichten an dem zentralen Empfänger einstellen, welche derart sind, daß thermomechanische Probleme und insbesondere Materialprobleme vermindert sind.

Insbesondere erfolgt die Einstellung so, daß eine Wärmestromdichte kleiner ist als 450 kW/m². Dadurch lassen sich eben solche thermomechanischen Elemente und insbesondere Belastungen des Rohrsystems reduzieren. Die Auslegung der Anlage erfolgt dabei vorzugsweise so, daß bei Überschreitung dieser Wärmestromdichte nur ein Teil der Solarstrahlung auf den zentralen Empfänger konzentriert wird, um unterhalb dieser Wärmestromdichte zu kommen. Wird diese unterschritten, dann werden nur Teilbereiche des Verdampferabschnitts und Überhitzerabschnitts strahlungsbeaufschlagt, um die eingekoppelte flächenspezifische Leistung im wesentlichen konstant zu halten.

Insbesondere ist es vorgesehen, daß durch den Verdampferabschnitt eine Mediummenge geführt wird, welche ein Mehrfaches der verdampfbaren Mediummenge ist. Dadurch ist für eine ausreichende Kühlung von Rohrwänden des Verdampferabschnitts gesorgt.

Es kann vorgesehen sein, daß ein Teilbereich der gesamten Strahlungsabsorptionsfläche des Verdampferabschnitts und/oder Überhitzerabschnitts strahlungsbeaufschlagt wird, wenn geringe Einstrahlungsbedingungen vorliegen. Beispielsweise erfolgt die Auslegung der Anlage derart, daß bei einem Arbeitspunkt die gesamte Strahlungsabsorptionsfläche strahlungsbeaufschlagt wird. Liegen erhöhte Einstrahlungsbedingungen vor, so erfolgt keine erhöhte Strahlungsbeaufschlagung, vielmehr wird Solarstrahlung bezüglich der Beaufschlagung des zentralen Empfängers abgekoppelt. Wenn geringe Einstrahlungsbedingungen vorliegen, dann wird nur ein Teilbereich der gesamten Strahlungsabsorptionsfläche strahlungsbeaufschlagt, um die eingekoppelte flächenspezifische Leistung und damit die Wärmestromdichte konstant zu halten.

Die Teilbereiche werden dabei über das optische System zur Strahlungsbeaufschlagung eingestellt, insbesondere über Positionierung von Spiegeln eines oder mehrerer Heliostaten.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung in schematischer Darstellung und
2 die Anlage gemäß 1 bei Teilbeaufschlagung von Strahlungsabsorptionsflächen.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung, welches in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt einen Turm 12, an welchem ein als Ganzes mit 14 bezeichneter zentraler Empfänger angeordnet ist. Der zentrale Empfänger ist in einem vertikalen Abstand zu einer Bodenfläche 16 angeordnet. Er wird deshalb auch als Turmreceiver bezeichnet.
An der Bodenfläche 16 sitzt ein Heliostat 18 oder sitzen mehrere Heliostaten. Diese umfassen Spiegel 20, durch welche Solarstrahlung 22 auf den zentralen Empfänger 14 konzentrierbar ist.
Der zentrale Empfänger 14 ist in einem vertikalen Abstand zu den Spiegeln 20 des Heliostaten 18 bzw. der Heliostaten angeordnet, so daß eine Konzentration von solarer Direkteinstrahlung durch den Heliostaten 18 auf den zentralen Empfänger 14 ermöglicht ist.
Die Spiegel 20 sind in zwei Achsrichtungen beweglich und insbesondere schwenkbar. Eine Achsrichtung ist dabei vorzugsweise parallel zur Bodenfläche 16 (senkrecht zur Zeichenebene gemäß 1). Die andere Schwenkachse ist senkrecht zur Bodenfläche 16. Die beiden Achsen spannen dadurch eine Vertikalebene zur Bodenfläche 16 auf.
Die Spiegel 20 des oder der Heliostaten 18 sind individuell beweglich, so daß eine Strahlungsbeaufschlagungsfläche an dem zentralen Empfänger 14 über das optische System, d. h. die Spiegel 20 des Heliostaten 18, einstellbar ist.
Zur individuellen Steuerung der Schwenkposition der Spiegel 20 des Heliostaten 18 ist eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 24 vorgesehen. Vorzugsweise werden dabei Meßdaten, welche die solaren Einstrahlungsbedingungen erfassen, an die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 24 weitergegeben, so daß diese die Position der Spiegel 20 in Abhängigkeit der solaren Einstrahlungsbedingungen regeln kann.
Der erfindungsgemäße zentrale Empfänger 14 umfaßt einen Verdampferabschnitt 26 und einen Überhitzerabschnitt 28. Verdampferabschnitt 26 und Überhitzerabschnitt 28 sind in Reihe geschaltet. Der Verdampferabschnitt 26 weist dabei eine Strömungsführung 30 für das zu verdampfende Medium, insbesondere Wasser, auf, welche im wesentlichen in einer Längsrichtung 32 des Turms 12 ausgerichtet und insbesondere vertikal ausgerichtet ist.
Ebenso weist der Überhitzerabschnitt 28 eine Strömungsführung 34 für zu überhitzendes Medium auf, welche in Längsrichtung 32 des Turms 12 angeordnet ist und insbesondere vertikal ausgerichtet angeordnet ist.
Der Verdampferabschnitt 26 weist eine Strahlungsabsorptionsfläche 36 auf, auf die konzentrierte Solarstrahlung von dem Heliostaten 18 richtbar ist. Diese Strahlungsabsorptionsfläche bildet dann, wenn sie mit Strahlung beaufschlagt ist, eine Wärme aufnehmende Fläche des Verdampferabschnitts 26, wobei bei der Durchströmung des Verdampferabschnitts 26 dann das Medium Wärme aufnehmen kann.
Ebenso weist der Überhitzerabschnitt 28 eine Strahlungsabsorptionsfläche 38 auf, welche, wenn sie mit konzentrierter Solarstrahlung vom Heliostaten 18 her beaufschlagt wird, eine Wärme aufnehmende Fläche bildet, um das Medium weiter zu erhitzen.
Medium, insbesondere Speisewasser, wird über eine Leitung 40 durch den Turm 12 zu einem Eingang 42 des Verdampferabschnitts 26 geführt. Ein vertikal über dem Eingang 42 angeordneter Ausgang 44 des Verdampferabschnitts 26 steht in fluidwirksamer Verbindung mit einem Eingang 46 des Überhitzerabschnitts 28. Zwischen dem Ausgang 44 des Verdampferabschnitts 26 und dem Eingang 46 des Überhitzerabschnitts 28 ist ein Flüssigkeitsabscheider 48 angeordnet, mittels dem sich aus einer sich im Verdampferabschnitt 26 ausbildenden Zwei-Phasen-Strömung (Flüssigkeit und Dampf) Flüssigkeit abscheiden läßt. Der Dampfanteil wird dem Eingang 46 des Überhitzerabschnitts 28 zugeführt.
Ein Ausgang 50 des Flüssigkeitsabscheiders 48 ist an den Eingang 42 des Verdampferabschnitts 26 gekoppelt, so daß abgeschiedene Flüssigkeit in dem Verdampferabschnitt 26 rezirkulierbar ist. Dazu ist zwischen dem Ausgang 50 des Flüssigkeitsabscheiders 48 und dem Eingang 42 des Verdampferabschnitts 26 eine Rezirkulationsleitung 52 angeordnet.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird frisches Speisewasser in die Rezirkulationsleitung 52 eingekoppelt, d. h. rezirkuliertes Medium und frisches Medium (frisches Speisewasser) werden in der Rezirkulationsleitung 52 gemischt und dem Eingang 42 des Verdampferabschnitts 26 zugeführt.
Der Überhitzerabschnitt 28 weist einen Ausgang 54 auf, welcher oberhalb seines Eingangs 46 liegt. (Der Eingang 46 des Überhitzerabschnitts 28 liegt oberhalb des Ausgangs 44 des Verdampferabschnitts 26.)
Von dem Ausgang 54 des Überhitzerabschnitts 28 ist eine Leitung 56 durch den Turm nach unten, zu der Bodenfläche 16 hin, geführt. Über diese Leitung wird der solarthermisch erzeugte überhitzte Dampf, der einen typischen Druck von 100 bar bei einer Temperatur von 550°C aufweist, ausgekoppelt. Bei diesen Vorgaben beträgt der Anteil der Verdampferstrecke 63 % und der Anteil der Überhitzerstrecke 57 % der Gesamterhitzungsstrecke.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur solarthermischen Erzeugung von Dampf funktioniert wie folgt:
Solarstrahlung 22 wird über den oder die Heliostaten 18 auf den zentralen Empfänger 14 gerichtet und dabei konzentriert. Medium wie Wasser durchströmt den zentralen Empfänger 14 in einem Naturumlauf, d. h. die Dichteunterschiede in dem Wasser genügen, um dieses durch den zentralen Empfänger 14 zu treiben; es muß keine Pumpe vorgesehen werden. Ferner wird das Medium direkt verdampft und überhitzt, d. h. es ist kein Zwischenkreislauf vorgesehen.
Das Medium durchströmt zuerst den Verdampferabschnitt 26, es wird zumindest teilweise Flüssigkeit über den Flüssigkeitsabscheider 48 abgeschieden und rezirkuliert. Dampf durchströmt dann den Überhitzerabschnitt 28 und wird dort überhitzt.
Durch diese erfindungsgemäße Lösung sind Probleme bezüglich einer Zwei-Phasen-Strömung stark reduziert; die örtliche Position der Grenze zwischen Verdampferabschnitt 26 und Überhitzerabschnitt 28 ist definiert festgelegt, insbesondere durch den Flüssigkeitsabscheider 48 (der eine Abscheidetrommel umfassen kann).
Das optische System, d. h. die Spiegel 20 des oder der Heliostaten 18, werden so gesteuert, daß die Wärmestromdichte des Mediums beim Durchlaufen des Verdampferabschnitts 26 und des Überhitzerabschnitts 28 unterhalb einer Materialprobleme verursachenden Grenze bleibt. Insbesondere erfolgt die Strahlungskonzentration über die Spiegel 20 auf die Strahlungsabsorptionsflächen 36 und 38 des Verdampferabschnitts 26 und des Überhitzerabschnitts 28 derart, daß eine Wärmestromdichte von ca. 450 kW/m² nicht überschritten wird. Bei konventionellen Naturumlaufsystemen mit fossilen Brennstoffen liegt die Wärmestromdichte üblicherweise zwischen 200 kW/m² bis 400 kW/m². Die Materialprobleme hierzu sind gelöst. Erfindungsgemäß wird nun das optische System, d. h. der Heliostat 18, so eingestellt, daß die genannte Wärmestromdichte nicht überschritten wird. Dadurch sind Materialprobleme bei dem zentralen Empfänger 14 vermieden.
Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß eine Strahlungsbeaufschlagungsfläche 58 (2) des Verdampferabschnitts 26 und eine Strahlungsbeaufschlagungsfläche 60 des Überhitzerabschnitts 28 einstellbar sind, wobei diese auch nur Teilflächen der gesamten möglichen Strahlungsabsorptionsflächen 36 und 38 sein können.
Bei geringerer Einstrahlung wird dann nur ein Teil der Strahlungsabsorptionsflächen 36, 38 genutzt, nämlich die Strahlungsbeaufschlagungsflächen 58, 60, welche über den Heliostaten 18 eingestellt werden.
Es sind dann Wärmeabschirmungen 62, 64 jeweils für den Verdampferabschnitt 26 und den Überhitzerabschnitt 28 vorgesehen, über welche sich der nicht strahlungsbeaufschlagte Teil der Strahlungsabsorptionsflächen 36, 38 abdecken läßt, um über diese Abstrahlungsverluste möglichst gering zu halten.
Diese Wärmeabschirmungen 62, 64 sind dabei insbesondere in der Längsrichtung 32 des Turms 12 beweglich an diesem angeordnet, so daß sie in Abhängigkeit von der strahlungsbeaufschlagten Fläche den anderen Teil der Strahlungsabsorptionsfläche 36 abdecken können. Die Steuerung erfolgt dabei über die Steuerungs- und Regelungsvorrichtung 24.
Bei verringerter Einstrahlung wird erfindungsgemäß nur ein Teil der Strahlungsabsorptionsflächen 36, 38 verwendet, nämlich die Strahlungsbeaufschlagungsflächen 58, 60, wobei diese Flächen wiederum über das optische System eingestellt werden. Die in den zentralen Empfänger 14 in dessen Verdampferabschnitt 26 und seinen Überhitzerabschnitt flächenspezifisch eingekoppelte Leistung kann dadurch unabhängig von längerfristigen Schwankungen im solaren Strahlungsangebot im wesentlichen konstant gehalten werden.
In dem Verdampferabschnitt 26 strömt eine Speisewassermenge, welche erheblich größer ist als die Menge, die überhaupt verdampft werden kann. Dadurch ist dafür gesorgt, daß eine ausreichende Kühlung der Strömungsführung 30 vorhanden ist und somit ebenfalls Materialprobleme bezüglich Rohrwänden der Strömungsführung 30 vermieden sind.
Der zentrale Empfänger 14 kann beispielsweise durch eine Glasabdeckung gegen die Umgebung abgeschirmt sein, um konvektive Wärmeverluste zu verringern (in der Zeichnung nicht gezeigt).
Es kann auch vorgesehen sein, daß der Eingang 42 und/oder der Ausgang 44 des Verdampferabschnitts 26 fixierbar verschiebbar sind, um so eine Verdampferlänge einstellen zu können, d. h. eine Strecke in der Strömungsführung 30, durch welche Speisewasser den Verdampferabschnitt 26 durchströmt.
Ebenso kann es vorgesehen sein, daß der Eingang 46 und/oder der Ausgang 50 des Überhitzerabschnitts 28 fixierbar verstellbar sind, um so eine Wegstrecke der Strömungsführung 34 von überhitztem Dampf durch den Überhitzerabschnitt 28 einstellen zu können.
Insbesondere ist es vorgesehen, daß die Teilflächenbeaufschlagung des Verdampferabschnitts 26 und des Überhitzerabschnitts 28 proportional zueinander erfolgt, d. h. daß das Verhältnis der Strahlungsbeaufschlagungsfläche 58 zu der gesamten möglichen Strahlungsabsorptionsfläche 36 des Verdampferabschnitts 26 dem Verhältnis der Strahlungsbeaufschlagungsfläche 60 zu der gesamten möglichen Strahlungsabsorptionsfläche 38 des Überhitzerabschnitts 28 entspricht.
Sinngemäß das gleiche gilt für die entsprechenden Wegstrecken in den Strömungsführungen 30 und 34, wenn eine Verstellung der Eingänge 42, 46 und/oder Ausgänge 44, 50 jeweils des Verdampferabschnitts 26 und des Überhitzerabschnitts 28 erfolgt.
Der zentrale Empfänger 14 der erfindungsgemäßen Anlage 10 ist gegenüber einem Parabolrinnenkollektorabsorber kompakter aufgebaut; dies ist vorteilhaft bezüglich der Beherrschung von Transienten. Da der Verdampferabschnitt 26 und der Überhitzerabschnitt 28 vertikal verläuft, ist die Zwei-Phasen-Problematik, die in Parabolrinnenkollektoren auftritt, reduziert. Weiterhin ist keine Pumpe erforderlich. Bei einem Parabolrinnenkollektor ist auch eine Variation der aufgeprägten Wärmestromdichte (über Einstellung der Strahlungsbeaufschlagungsflächen 58, 60) nicht möglich, da die eingekoppelte Leistung von der Breite der Spiegel der Parabolrinnenkollektoren abhängt und diese Breite konstant ist.
Weiterhin lassen sich erheblich höhere Wärmestromdichten realisieren; bei Parabolrinnenkollektoren lassen sich üblicherweise Wärmestromdichten nur unterhalb ca. 40 kW/m² erhalten.

Claims

Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung, umfassend einen zentralen Empfänger (14) und mindestens einen Heliostaten (18) zur Konzentration von Solarstrahlung (22) auf den zentralen Empfänger (14), wobei der zentrale Empfänger (14) in einer vertikalen Höhe zu dem Heliostaten (18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Empfänger (14) einen Verdampferabschnitt (26) und einen Überhitzerabschnitt (28) aufweist, daß Verdampferabschnitt (26) und Überhitzerabschnitt (28) mit Strahlungsabsorptionsflächen (36, 38) versehen sind und daß Solarstrahlung (22) durch den Heliostaten (18) auf Strahlungsbeaufschlagungsflächen (58, 60) von Verdampferabschnitt (26) und Überhitzerabschnitt (28) konzentrierbar ist.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampferabschnitt (26) und Überhitzerabschnitt (28) in Reihe angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdampferabschnitt (26) und dem Überhitzerabschnitt (28) ein Flüssigkeitsabscheider (48) angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rezirkulationsleitung (52) vorgesehen ist, über welche abgeschiedene Flüssigkeit dem Verdampferabschnitt (26) rückführbar ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferabschnitt (26) bezüglich einer Strömungsführung (30) vertikal ausgerichtet angeordnet ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhitzerabschnitt (28) bezüglich einer Strömungsführung (34) vertikal ausgerichtet angeordnet ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Empfänger (14) an einem Turm (12) angeordnet ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Spiegel (20) des Heliostaten (18) individuell steuerbar sind, so daß die Strahlungsbeaufschlagung des Verdampferabschnitts (26) und/oder Überhitzerabschnitts (28) einstellbar ist.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel (22) des Heliostaten (18) zweiachsig beweglich ist.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Schwenkachsen, um die ein Spiegel (20) beweglich ist, eine vertikale Ebene aufspannen.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Naturumlauf für die Strömungsführung durch den Verdampferabschnitt (26) und den Überhitzerabschnitt (28) vorgesehen ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsbeaufschlagte Fläche (58; 60) einer Strahlungsabsorptionsfläche (36; 38) des Verdampferabschnitts (26) und/oder Überhitzerabschnitts (28) einstellbar ist.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungs- und Regelungsvorrichtung (24) vorgesehen ist, mittels welcher das optische System des Heliostaten (18) so einstellbar ist, daß eine bestimmte Strahlungsbeaufschlagungsfläche (58; 60) des Verdampferabschnitts (26) und/oder Überhitzerabschnitts (28) strahlungsbeaufschlagt ist.
Anlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Wärmeabschirmungen (62; 64) für eine Strahlungsabsorptionsfläche (36; 38) vorgesehen sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß einstellbar ist, daß Teilflächen (58; 60) der Gesamt-Strahlungsabsorptionsflächen (36; 38) des Verdampferabschnitts (26) und/oder Überhitzerabschnitts (28) strahlungsbeaufschlagbar sind.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampferabschnitt (26) und Überhitzerabschnitt (28) getrennte Strahlungsabsorptionsflächen (36, 38) aufweisen.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang (42; 46) für zu verdampfendes Medium in den Verdampferabschnitt (26) und/oder Überhitzerabschnitt (28) einstellbar ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang (44; 50) von Medium aus dem Verdampferabschnitt (26) und/oder Überhitzerabschnitt (28) einstellbar ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsbeaufschlagungsflächen (58, 60) von Verdampferstrang (26) und Überhitzerstrang (28) proportional gesteuert einstellbar sind.
Verfahren zur solarthermischen Erzeugung von Dampf, bei dem ein Medium durch einen zentralen Empfänger geführt wird, welcher mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiges Medium durch einen Verdampferabschnitt zur Verdampfung geführt wird und daß verdampftes Medium durch einen Überhitzerabschnitt geführt wird, wobei Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt mit konzentrierter Solarstrahlung beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsbeaufschlagungsflächen des Verdampferabschnitts und/oder des Überhitzerabschnitts optisch eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung so erfolgt, daß eine Wärmestromdichte kleiner ist als 450 kW/m².
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Medium, welches den Verdampferabschnitt durchlaufen hat, vor Eintritt in den Überhitzerabschnitt Flüssigkeit abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß abgeschiedene Flüssigkeit in den Verdampferabschnitt rezirkuliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Verdampferabschnitt eine Mediummenge geführt wird, welche ein Mehrfaches der verdampfbaren Mediummenge ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich der gesamten Strahlungsabsorptionsfläche des Verdampferabschnitts und/oder Überhitzerabschnitts strahlungsbeaufschlagt wird, wenn verringerte Einstrahlungsbedingungen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich über das optische System zur Strahlungsbeaufschlagung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht strahlungsbeaufschlagter Teil der Strahlungsabsorptionsfläche mit einer Wärmeabschirmung abgedeckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein proportionaler Teil von Verdampferabschnitt und Überhitzerabschnitt strahlungsbeaufschlagt wird.