KOLLEKTORFELD Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drainagesystem für ein mit einer Salzschmelze als Wärmeübertragungsmedium betriebenes solarthermisches Kollektorfeld, umfassend zumindest eine Absorberleitung, welche wenigstens einen Ablauf aufweist, über den das Wärmeübertragungsmedium einem Drainagetank oder einer Sammelleitung zuführbar ist, sowie ein zugehöriges Verfahren zum Entleeren einer Absorberleitung sowie der Sammelleitungen.

Ein Betrieb von Hochtemperatur-Solarfeldern wie beispielsweise in solarthermischen Kraftwerken ist mit mehreren unterschiedlichen Wärmeübertragungsmedien möglich. So ist es bereits seit längerem bekannt, anstelle der weit verbreiteten Thermoöle nunmehr Salzschmelzen einzusetzen, die bei noch höheren Temperaturen einsetzbar sind. Grundsätzlich besteht hierbei der Wunsch, möglichst hohe Temperaturen bedienen zu können und ein Wärmeträgermedium mit einem möglichst niedrigen Schmelzpunkt zu verwenden, so dass sichergestellt ist, dass auch bei einem Ausfall des Systems das sich in den Rohrleitungen befindliche Salz möglichst lange im flüs- sigen Zustand bleibt.

In dem Kollektorfeld wird das Wärmeträgermedium, insbesondere hier die Salzschmelze, über eine Sammelleitung an einzelne Absorberleitungen verteilt, wobei diese Absorberleitungen mithilfe von konzentrierenden Spiegeln erhitzt werden und damit auch das Wärmeträgermedium aufheizen. Das aufgeheizte Wärmeträgermedium wird über Sammelleitungen in einen Heißspeicher geleitet, aus dem ein Dampferzeuger gespeist werden kann, welcher dann bedarfsweise mittels Dampfturbine und Generator zur elektrischer Energie dient. Wird nun beispielsweise wegen Wartungsarbeiten oder dem Ausfall von Betriebsmitteln eine Absorberleitung nicht mehr erwärmt, so würde die Salzschmelze in der Absorberleitung abkühlen und gegebenenfalls erstarren. Nachdem das erstarrte Salz eine größere Dichte hat als das geschmolzene Salz, wird noch geschmolzenes Salz zu dem erstarrten Salz nachfließen und ebenfalls in demselben Leitungsabschnitt erstarren, so dass im Falle eines Wiederauftauens das schmelzende Salz aufgrund seiner geringeren Dichte die Absorberleitung zur plastischen Deformation oder gar zum Bersten bringen könnte.

Um dem vorzubeugen, soll die vorliegende Erfindung nun dazu beitragen, geeignete Verfahren zur Entleerung der Rohrleitungen in einem solarthermischen Kraftwerk anzugeben und geeignete Vorrichtungen zu benennen. Angesichts der Möglichkeit einer Außerbetriebnahme lediglich einzelner Absorberleitungen eines gesamten Systems soll die vorliegende Erfindung darüber hinaus Möglichkeiten aufzeigen, eine variable Entleerung einzelner Absorberabschnitte zu realisieren.

Durch die Aufbewahrung der Salzschmelze in einem möglichst kompakten Behältnis ist es möglich, die Temperatur des Salzes im flüssigen Aggregatszustand möglichst lange beizubehalten. Während die Salzschmelze in den langgestreckten Absorberleitungen relativ schnell abkühlen würde, da eine sehr große Oberfläche vorhanden ist welche die Kühlung beschleunigt solange keine Beaufschlagung mit konzentriertem Sonnenlicht erfolgt, wird so der Reaktionsspielraum des Systems bei weitem vergrö- ßert. Auch das gegebenenfalls notwendige Wiederaufschmelzen des Salzes stellt sich ebenfalls einfacher dar, wenn sich das Salz in einem kompakten Behältnis anstatt in einer verteilten Rohrleitung befindet.

Die Erfindung löst dieses Problem mit einem Drainagesystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Ebenfalls wird dies durch ein Drainagesystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Schließlich lösen die Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 13 und 14 ebenfalls die gestellte Aufgabe.

Eine erste Lösung sieht ein Drainagesystem vor, bei dem eine Absorberleitung mit einem Drainagetank verbunden ist. Aus der Absorberleitung wird die verwendete Salzschmelze über einen Ablauf, welcher sich in einem lokalen geodätischen Tiefpunkt oder einem ebenen Leitungsabschnitt der Absorberleitung befindet, in den Drainagetank verbracht. Dies erfolgt unter Nutzung einer zwischengeschalteten Sammelleitung, über die mehrere Absorberleitungen mit dem Drainagetank verbun- den sind. Bei der Sammelleitung handelt es sich um ein Rohr zur Versorgung der Absorberleitungen mit Salzschmelze als Wärmeträgermedium, von dem die Absorberleitungen seitlich abzweigen. Im Normalbetrieb dient eine erste zuführende Sammelleitung im Sinne einer Verteilerleitung hierbei üblicherweise der Zuführung der Salzschmelze zu den Absorberleitungen, während eine zweite, analog geformte rückführende Sammelleitung zur Rückführung der Salzschmelze dient. Hierbei sind die Absorberleitungen gegenüber den Sammelleitungen erhöht gelagert, so dass die Salzschmelze in der Absorberleitung aufgrund der Schwerkraft in die Sammelleitungen fließen kann. Die Sammelleitungen sind beispielsweise endständig mit dem Drainagetank verbunden, wobei die Verbindung mit dem Drainagetank über eine Mehrzahl von Zuläufen realisiert ist, die jeweils in unterschiedlicher Höhenlage mit dem Drainagetank verbunden sind. So ist aufgrund der Schwerkraft bei einem Öffnen eines über der Höhenlage der Sammelleitung angeordneten Zulaufs ein Entleeren sämtlicher höher gelegener Absorberleitungen im System realisierbar, während die Sammelleitungen oder deren Teile, deren Niveau unterhalb des Zulaufs liegen, nicht entleert werden. Die Entleerung erfolgt hierbei nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren.

Umgekehrt ist auch ein reines Entleeren nur der Sammelleitungen in die Drainage- oder Speichertanks möglich, insbesondere wenn die Absorberleitungen bereits zuvor beziehungsweise anderweitig, z.B. über die mobile Drainage, entleert worden sind.

Wird hingegen ein unterhalb des Niveaus der Sammelleitung liegender Zulauf zum Drainagetank geöffnet, so wird über diesen Zulauf auch die Sammelleitung entleert werden können.

Auch andere Strategien zur Entleerung bestimmter Rohrleitungs- und Absorberabschnitte sind in Abhängigkeit der geodätischen Verhältnisse denkbar, gegebenenfalls auch mit Tank-Einlaufrohren auf mehr als zwei Niveaus. Eine Entleerung einzelner Absorberleitungen kann durch ein Absperren der nicht zu entleerenden Absorberleitungen realisiert werden. Nach dem Leerlaufen der zu entleerenden Absorberleitung wird diese ebenfalls verschlossen und die anderen Absorberleitungen können wieder geöffnet werden um den Betrieb bzw. den Salzfluss wieder in Gang zu setzen. Der Drainagetank weist mindestens das Volumen auf, das für eine Entleerung einzelner oder mehrerer Teile des Solarfeldes und seiner Leitungen benötigt wird.

Mit einigem Vorteil ist es möglich, den Drainagetank als solchen mithilfe einer Drainagepumpe seinerseits in einen Rohrleitungsabschnitt, der nicht dem zu drainieren- den Solarfeldabschnitt zugeordnet ist oder direkt in eine Speichertankanordnung bestehend aus wenigstens einem Speichertank zu entleeren.

Bei der Drainagepumpe kann es sich insbesondere um eine Tauchpumpe handeln. Für den Auslegungs- und Betriebs-Fall, dass das drainierte Salz schon während der Drainage in einen anderen Rohrleitungsabschnitt beziehungsweise in einen der großen Speicherbehälter befördert wird, ist es nicht zwingend notwendig, den Drainagetank so groß zu dimensionieren, dass er die gesamte Salzmenge der zu drainieren- den Rohrleitungen fassen kann. Es ist dann eine Behältergröße ausreichend, die lediglich den Mindestfüllstand für den Pumpenbetrieb sicherstellt. Aus Sicherheitsgründen kann für diesen Auslegungs- und Betriebsfall die Drainagepumpe redundant ausgeführt sein, wobei zur weiteren Erhöhung der Sicherheit auch deren Stromversorgung mehrfach vorgesehen sein kann. Um die Betriebssicherheit dieses Drai- nagesystems stets und nicht nur im seltenen Drainagefall sicherstellen zu können, ist es besonders vorteilhaft, die Drainagepumpe auch im Normalbetrieb zur Salzförderung zu nutzen und damit bereits auf Temperatur zu halten, indem die Pumpen im Salz-Hauptstrom eingebracht werden. Die Ausführungen zur Anwendung einer Drainagepumpe gelten mithin für alle Varianten der Erfindung, wenngleich sie im vorstehenden Text lediglich mit einer der Varianten ausdrücklich verknüpft sind.

Eine weitere Lösung sieht eine dezentrale Entleerung der Absorberleitung vor, wel- che über optional abnehmbare Drainagetanks der einzelnen Absorberleitungen realisiert werden soll. Auch in diesem Fall weist eine Absorberleitung einen Ablauf auf, über den das Wärmeübertragungsmedium Salzschmelze in den Drainagetank einläuft. Hier ist jedoch dem Ablauf ein Verschlussventil zugeordnet, an dem der Drainagetank abnehmbar befestigt sein kann. Es kann also in dem Solarfeld mit einem oder mehreren abnehmbaren Drainagetanks gearbeitet werden, die bedarfsweise an die Absorberleitung, die zu entleeren ist, angeschlossen werden. Das Salz kann dann mit dem Tank zu dem zentralen Speicher verbracht und dort umgeleert werden. Sobald die Absorberleitung wieder im Betriebszustand ist, kann das Wärmeübertragungsmedium wieder in die Absorberleitung hineingepumpt werden.

Konkret kann in einen Drainagetank, ob feststehend oder abnehmbar, ein Tauchrohr zur Entleerung des Drainagetanks einragen. Die Mündung des Tauchrohrs befindet sich hierbei im Bodenbereich des Tankbehälters, so dass durch ein Einpressen eines Gases in den oberen Bereich des Druckbehälters die Flüssigkeit, also die Salz- schmelze, über das Tauchrohr nach oben steigen und in die Rohrleitung zurücklaufen kann. Eine Druckentleerung ist nicht nur über ein Tauchrohr möglich sondern auch über eine Tanköffnung im Bereich des geodätischen Tiefpunkts des Tanks.

Ein Ventil im oberen Bereich des Tankbehälters dient dazu, ein gegenüber der Salzschmelze inertes Gas zu deren Verdrängung in den Drainagetank einzuleiten. Das Gas kann hierbei beispielsweise aus einem Gastank oder aus Gasflachen stammen, welche mit dem Drainagetank verbunden werden können. Eine Verwendung eines mit dem Salz chemisch nicht oder wenig reagierenden Gases verhindert, dass sich die gewünschten Salzeigenschaften verändern.

Dem Drainagetank kann zudem eine Heizschleife zur Beheizung zugeordnet sein, mit deren Hilfe das flüssige Salz warmgehalten werden kann. Hierdurch kann es entfallen, den Drainagetank in einen Speichertank zu entleeren. Vielmehr kann der Drainagetank direkt vor Ort bleiben. Alternativ ist ein Wiederbefüllen auch direkt über die Sammelleitung möglich.

Grundsätzlich ist jedoch vorgesehen, die Absorberleitung, sei es in einen dezentralen Tank oder über die Sammelleitung in den zentralen Tank, zu entleeren. Soweit dies geschieht, kann in der Absorberleitung ein Überdruck erzeugt werden, mit dessen Hilfe eine Entleerung der Absorberleitung erleichtert und beschleunigt wird. Das Erzeugen dieses Überdrucks kann hierbei ebenfalls aus den oben genannten Gründen mithilfe einer Zuführung eines gegenüber der verwendeten Salzschmelze inerten Gases erfolgen, was über ein Gasventil, beispielsweise im Bereich eines lokalen o- der auch globalen geodätischen Hochpunkts der Absorberleitung oder in einem ebe- nen Leitungsabschnitt realisiert werden kann. Es ist hierbei insbesondere in konkreter Ausgestaltung vorgesehen, ein Solarfeld in mehrere Subfelder zu unterteilen. Jedem Subfeld ist ein eigenes Paar Sammelleitungen zugeordnet und es kann jedem Subfeld ein eigener Drainagebehälter zugeord- net sein, in den die jeweiligen Sammelleitungen und die damit verbundenen Absorberleitungen drainiert werden können.

Ferner kann die zuführende Sammelleitung über eine Kurzschlussleitung mit der rückführenden Sammelleitung verbunden sein, so dass auch bei einem Entleeren bzw. Abschalten sämtlicher Absorberleitungen eine Zirkulation in den Sammelleitungen ermöglicht ist. Ferner kann mithilfe der Kurzschlussleitung das solarthermische Kollektorfeld angefahren werden, indem zunächst die Sammelleitungen beschickt und erst nach und nach die Absorberleitungen zugeschaltet werden. Zwar stellt eine Absorberleitung prinzipiell auch eine Kurzschlussleitung dar, die Kurzschlussleitung im Sinne der Erfindung ist aber durch ihre im Verhältnis zu den Absorberleitungen deutlich verkürzte Länge und ihr deutlich größeres Querschnitts- zu-Länge-Verhältnis gekennzeichnet. Zudem kann die Kurzschlussleitung besonders isoliert und/oder beheizt werden. Für alle oben genannten Drainage-Varianten kann, um die Drainage zu beschleunigen oder überhaupt erst zu ermöglichen, insbesondere an einem lokalen geodätischen Hochpunkt oder an einem ebenen Abschnitt der Leitung ein Belüftungsventil vorgesehen sein, welches das ausgetriebene Salzvolumen durch Luft oder ein anderes mit dem jeweiligen Salztyp inerten Gas erlaubt. Optional kann dieses Gas auch mit erhöhtem Druck eingeführt werden, um die Drainage zu beschleunigen. Es kann sich hierbei aus oben genannten Gründen um ein speziell eingefülltes Gas handeln, aber auch um Umgebungsluft, die zum Druckausgleich in die zu entleerende Absorberleitung oder Sammelleitung einströmt. Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung eines solarthermischen

Kollektorfelds mit einer Absorberleitung, einem Paar Sammelleitungen, zwei Speichertanks und einem Dampfgenerator, sowie eine Drainagepumpe, welche das Salz im Drainagefall in einen der großen Salz-Speicher- Behälter befördert,

Figur 2 eine schematische, die Höhenverhältnisse in der Seitenansicht skizzierende Darstellung einer Absorberleitung mit angeschlossener Sammelleitung und deren Ablauf in einen Drainagetank, mit zwei Tankeinläufen in unterschiedlicher Höhenlage,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines abnehmbaren Drai- nagetanks zur Verbindung mit einer Absorberleitung in einer seitlichen Querschnittsdarstellung, sowie

Figur 4 eine Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes Solarfeld, das in vier Subfelder unterteilt ist.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Solarfeldes eines solarthermischen Kraftwerks, welches prinzipiell aus einem Paar Sammelleitungen 30, 31 sowie einer Vielzahl von Absorberleitungen 10 besteht. Eine zuführende Sammelleitung 31 ist hierbei im Normalbetrieb für die Zuführung des als Wärmeträgermedium verwendeten geschmolzenen Salzes aus einem kalten Speichertank 41 vorgesehen. Die Absorberleitung 10 bildet hierbei eine Schleife von einem Zulauf 12 aus der zuführenden Sammelleitung 31 bis hin einem Ablauf 1 1 in eine rückführende Sammelleitung 30, welche zu einem heißen Speichertank 40 führt. Das in der Absorberleitung 10 erhitzte Wärmeträgermedium kann dann aus dem heißen Speichertank 40 entnommen und einem Dampfgenerator 50 zugeführt werden, welcher der Salzschmelze ihre Wärmeenergie entzieht und Dampf zur Herstellung von elektrischer Energie erzeugt.

Im Falle einer Außer-Betrieb-Setzung einer Absorberleitung 10, welche von je einer Vielzahl an Kollektorspiegeln mit reflektiertem Sonnenlicht beschickt wird, ist eine Entleerung der jeweiligen Absorberleitung 10 bzw. Absorberleitungsschleife vorgesehen. Diese kann durch ein Abziehen der Salzschmelze über die rückführende Sammelleitung 30 mithilfe einer Pumpe 23 in die Speichertankanordnung 40, 41 verbracht werden. Durch ein Öffnen des Verschlussventils am Ablauf 1 1 der Absorber- leitung 10 kann die Absorberleitung 10 in die rückführende Sammelleitung 30 leerlaufen. Dies kann dadurch unterstützt werden, dass der Absorberleitung 10 in einem Hochpunkt ein Gasbehälter oder eine separate Gasleitung, angeschlossen wird, über den ein unter Druck stehendes Gas in die Absorberleitung 10 geleitet und das Wärmeübertragungsmedium Salzschmelze hierdurch aus der Absorberleitung 10 her- ausgedrückt wird.

Figur 2 zeigt im Weiteren Einzelheiten des Zulaufs der Salzschmelze in den Draina- getank 20 und skizziert die geodätischen Verhältnisse in der Seitenansicht. Aufgrund der seitlichen Darstellung in der Figur 2 ist erkennbar, dass die Absorberleitung 10 geodätisch oberhalb der rückführenden Sammelleitung 30 liegt. Wird also der Ablauf 1 1 der Absorberleitung 10 geöffnet, so wird, unter der Voraussetzung eines Druckausgleichs, die Salzschmelze aus der Absorberleitung 10 in die Sammelleitung 30 zurücklaufen. Ein unterer Zulauf 22 liegt hierbei in einer Höhenlage unterhalb der Sammelleitung 30, während ein oberer Zulauf 21 in der Höhenlage oberhalb der Sammelleitung 30 liegt. Bei einem Öffnen des oberen Zulaufs 21 wird die Salzschmelze lediglich aus der Absorberleitung 10, welche ebenfalls oberhalb des oberen Zulaufs 21 liegt, nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren in den Draina- getank 20 einlaufen. Wird ausschließlich oder ergänzend der untere Zulauf 22 des Drainagetanks 20 geöffnet, so wird auch die Sammelleitung 30 in den Drainagetank 20 leerlaufen. Der Drainagetank 20 kann wiederum mithilfe der Drainagepumpe 23 entleert werden.

Figur 3 zeigt einen abnehmbaren Drainagetank 60 zur Aufnahme der Salzschmelze aus einer Absorberleitung 10. Die Salzschmelze wird aus der Absorberleitung 10 über ein Verschlussventil 63, welches ein ungewünschtes Auslaufen von Salzschmelze verhindert, in den Drainagetank 60 geführt. In dem Drainagetank 60 vorhandenes Gas wird hierbei über ein Gasventil 64 verdrängt. Nach dem Befüllen kann der Drainagetank 60 an dem Verschlussventil 63 von der Absorberleitung 10 getrennt werden und separat von der Absorberleitung 10 aufbewahrt werden. Verbleibt die Salzschmelze in dem Drainagetank 60, so wird die Salzschmelze darin erkalten. Mithilfe einer Heizschleife zwischen dem Drainagetank 60 und einer Tankisolierung kann die Salzschmelze bedarfsweise warm gehalten werden, so dass sie wieder zurück in das System eingefüllt werden kann. Der Drainagetank 60 kann hierfür optional mobil ausgeführt werden. Das nach einer

Entleerung der Absorberleitung 10 im Drainagetank 60 befindliche flüssige oder bereits erstarrte Salz kann dann dem Flüssigsalzkreislauf an anderer Stelle, z.B. in einem der großen Speichertanks, wieder zugeführt werden oder aber mit Druckgas über das Gasventil 64 wieder herausgedrückt werden, sofern der Zulauf 63 dies ge- odätisch zulässt.

Figur 4 zeigt ein Solarfeld 13, welches eine Vielzahl von nicht näher dargestellten Absorberleitungen 10 umfasst. Diese münden, je nach Lage im Solarfeld 13 in eine von vier Paaren von Sammelleitungen 30, 31 , über welche sie mit Salzschmelze auf einem geringen Temperaturniveau aus einem kalten Speichertank 41 beschickt werden und über welche erhitzte Salzschmelze in einen heißen Speichertank 40 zurückgeführt wird. Hierzu vereinigen sich jeweils zwei rückführende Sammelleitungen 30 bzw. zuführende Sammelleitungen 31 zu einem Paar zentraler Sammelleitungen 32, die in die zentrale Speichertankanordnung 40, 41 münden.

Jedem Subfeld ist hierbei ein eigener Drainagetank 20 zugeordnet, in den die Salzschmelze im Fall einer Entleerung einzelner Absorberleitungen oder des gesamten Subfeldes entleert werden kann. Die Kapazität der Drainagetanks 20 entspricht hierbei zusammen mindestens dem gemeinsamen Volumen aller Absorberleitungen 10 des Subfeldes.

Vorstehend beschrieben ist somit ein Drainagesystem für ein mit einer Salzschmelze als Wärmeübertragungsmedium betriebenes solarthermisches Kollektorfeld und ein Verfahren zum Entleeren von Absorber- und Sammelleitungen in einem Drainage- System, wobei die Entleerung entweder über die Sammelleitungen in einen zentralen Tank oder über spezifische, meist dezentrale Drainage-Tanks erfolgen kann. BEZUGSZE ICH ENLISTE

Absorberleitung

Ablauf

Zulauf

Kollektorfeld

Subfeld 1

Subfeld 2

Subfeld 3

Subfeld 4

Belüftungsventil

Drainagetank

oberer Zulauf

unterer Zulauf

Drainagepumpe

rückführende Sammelleitung

zuführende Sammelleitung

zentrale Sammelleitungen

heißer Speichertank

kalter Speichertank

Dampferzeuger

Drainagetank

Verschlussventil

Gasventil