Método y sistema de energía solar químico-térmico asociado.

Método y sistema de energía solar químico-térmico para un sistema CSP que asocia una vía de energía térmica y una vía de energía química.

La vía de energía térmica utiliza un fluido de trasferencia de calor para captar la luz del sol concentrada como energía térmica a media temperatura y transferir esta energía a un ciclo de energía de térmica a eléctrica. En paralelo, la vía química utiliza un material rédox que experimenta una fotoreducción directa en el receptor para almacenar la energía solar como potencial químico. Este material rédox es después oxidado a temperaturas muy elevadas en el ciclo de energía en serie con el intercambiado de calor de vía química. Esta asociación permite que el receptor funcione a muy elevadas eficiencias típicas de las torres de energía térmicas del estado de la técnica a la vez que se consigue simultáneamente eficiencias de ciclo de energía típicas de plantas de combustión de gas natural y se consigue un eficiencia de conversión total de solar a eléctrica muy elevada.

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Método y sistema de energía solar químico-térmico asociado.

Campo técnico

Las realizaciones expuestas aquí incluyen sistemas y métodos en el campo de la generación de energía solar de concentración ("CSP") , también conocidos como generación de energía solar térmica. Los sistemas y métodos expuestos generalmente utilizan dos vías de energía paralelas combinadas, una térmica y otra química, para convertir la energía solar en energía eléctrica con elevada eficiencia. Específicamente, las realizaciones expuestas incluyen un receptor solar en combinación con un material de almacenamiento de energía química separado y un fluido de trasferencia de calor que fluye o es transportador en las vías separadas. El material de almacenamiento de energía química sufre fotoreducción de baja temperatura en el receptor. Además, el fluido de transferencia de calor ("HTF") es calentado hasta una temperatura operacional en el receptor solar. El material de almacenamiento de energía química y el HTF son utilizados para activar un ciclo de energía que funciona a temperaturas relativamente altas debido a que el material de almacenamiento de energía química es oxidado exotérmicamente como, o en secuencia con, el HTF que está siendo enfriado.

Antecedentes

Las técnicas solares de concentración generalmente se pueden dividir en sistemas térmicos para la generación de energía eléctrica y sistemas químicos para la producción de combustibles y procesamiento químico. Son bien conocidas en la técnica variaciones en las plantas de CSP térmicas que utilizan diferentes tipos de configuraciones de reflector tales como, superficies deprimidas, platos parabólicos, y campos de heliostatos. Sistemas CSP conocidos utilizan muchas fluidos de transferencia de calor alternativos tales como aceites, sales fundidas, y vapor y se pueden utilizar para realizar distintos ciclos de energía tales como los ciclos de Rankine de vapor, de Rankine de vapor supercrítico, y de Brayton de dióxido de carbono supercrítico.

El estado actual de la técnica en torres de CSP de alta temperatura está representado por las torres de generación de vapor directo tales como las mostradas en la Solicitud de Patente de Estados Unidos 2008/0302314 y las torres de sal de nitrato fundida tales como las mostradas en la Solicitud de patente de Estados Unidos 2008/0000231. Estos tipos de torres normalmente funcionan a temperaturas de hasta aproximadamente 600ºC. La eficiencia de generación de energía más grande se podría conseguir con temperaturas operacionales de más de 600 ºC.

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Es difícil conseguir temperaturas operacionales por encima de 600 ºC con estrategias CSP convencionales.

Las torres solares de concentración para realizar reacciones químicas han sido sugeridas en varias formas. Un concepto conocido utiliza luz solar concentrada para generar calor para descomponer biomasa, tal como el descrito en la Solicitud de Patente de Estados Unidos 2010/0249468. Otro método conocido se caracteriza por el uso de luz solar concentrada para hacer que el agua sufra fotolisis a través de la interacción con catalizadores, tal como el descrito en la patente de Estados Unidos 4.045.315. Otras tecnologías utilizan luz solar concentrada y un ciclo de oxidación/reducción para crear gas de hidrogeno a partir de agua o gas de monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono, tal como las descritas en la Solicitud de patente de Estados Unidos 2009/0107044. Los métodos químicos anteriores no son particularmente adecuados para la generación de energía eléctrica utilizando turbinas de energía basadas en ciclo de energía.

La maximización de la eficiencia de una planta de energía para un sistema de energía solar de concentración es de gran importancia debido a que produce una reducción en el coste total del sistema la requerir un campo solar y receptor más pequeños para la misma producción de energía neta. En una torre de energía solar concentrada, la eficiencia solar a eléctrica total es el producto de la eficiencia del campo solar, la eficiencia (solar a térmica) del receptor, la eficiencia del almacenamiento, y la eficiencia (solar a eléctrica) del ciclo de energía. El sistema de conversión térmica a eléctrica es muy similar a los sistemas de combustibles fósiles a temperaturas comparables, sin embargo, la eficiencia de conversión de un ciclo de energía solar es típicamente mucho menor que el de una planta de gas de ciclo combinado debido a las bajas temperaturas operacionales.

Las realizaciones expuestas aquí están dirigidas a superar uno o más de los problemas expuestos aquí.

Sumario de realizaciones

Las realizaciones expuestas aquí incluyen sistemas y métodos de energía solar de concentración (CSP) que combinan una vía de energía térmica y una química. La vía térmica utiliza un fluido de trasferencia de calor para recoger la luz de sol concentrada como energía térmica a una temperatura media y trasferir esta energía a un ciclo de energía térmico a eléctrico. En paralelo, la vía química utiliza un material rédox que experimenta fotoreducción directa en el receptor para almacenar la energía solar como potencial químico. Este material rédox es después oxidado a unas temperaturas muy elevadas en el ciclo de energía en serie P201590033

con el intercambiador de calor de vía térmica. Esta combinación permite que el receptor trabaje a unas eficiencias elevadas típicas de las torres de energía térmicas el estado de la técnica mientras que a la vez se consiguen eficiencia de ciclo de energía típica de plantas de combustión de gas natural y se consigue una elevada eficiencia total de conversión de solar a eléctrico.

Una realización expuesta es un sistema CSP que comprende un receptor solar configurado para recibir flujo luminoso solar concentrado y una cantidad de fluido de transferencia de calor (HTF) en comunicación térmica con el receptor solar de manera que el flujo luminoso solar concentrado calienta el HTF. El sistema incluye también un intercambiador de calor en comunicación térmica con el HTF que proporciona intercambio de calor entre el HTF y el fluido de trabajo de un ciclo de generación de energía. Además, el sistema incluye también un material de almacenamiento de energía química que fluye en una vía química combinada con la vía térmica. El material de almacenamiento de energía química está también en comunicación con el receptor solar de manera que el flujo luminoso solar concentrado reduce una cantidad de material de almacenamiento de energía química en la parte de reducción de una reacción de oxidación-reducción. De este modo, el material de almacenamiento de energía química se puede denominar alternativamente como material rédox.

El sistema además incluye un oxidador en comunicación con el material de almacenamiento de energía química, proporcionando el oxidador la oxidación exotérmica del material de almacenamiento de energía química y proporcionando además el intercambio de calor entre el material de almacenamiento de energía química y el fluido de trabajo del ciclo de energía. De este modo, el sistema utiliza vías de energía paralelas, una térmica y una química. El uso de dos vías combinadas en el receptor solar da lugar a una planta de CSP de alta eficiencia.

El sistema puede incluir además almacenamiento de energía química operativamente asociado con un conducto HTF. Además el sistema puede incluir almacenamiento de energía química separada que incluye un sistema de almacenamiento químico reducir que recibe operativamente el material de almacenamiento de energía química desde el receptor solar; y/o un sistema de almacenamiento químico oxidado que recibe el material de almacenamiento de energía química procedente del oxidador.

Una realización alternativa expuesta aquí comprende un método de generación de energía que tiene ciertas etapas que se puede realizar en cualquier orden adecuado y que típicamente se realizaran de una forma cíclica. Las realizaciones del método se inician proporcionando un receptor solar configurado para recibir el flujo luminoso solar concentrado. El HTF de cualquier tipo adecuado es hecho fluir, transportado o llevado de otra forma a comunicación térmica con P201590033

el receptor solar en donde el HTF es calentado con el flujo luminoso solar concentrado. El HTF calentado es entonces hecho fluir o transportado desde el receptor solar a un intercambiador de calor en el conducto de fluido de transferencia de calor. En el intercambiado de calor, el calor es intercambiado entre el fluid de trasferencia de calor calentado y el fluido de trabajo de un ciclo de energía.

En un ciclo...

1. Un sistema de energía solar de concentración que comprende: un receptor solar configurado para recibir flujo luminoso solar concentrado;

un fluido de transferencia de calor en comunicación térmica con el receptor solar de manera que el flujo luminoso solar concentrado caliente una cantidad de fluido de trasferencia de calor;

un intercambiador de calor en comunicación térmica con el fluido de trasferencia de calor, proporcionando el intercambiador de calor el intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y un fluido de trabajo de un ciclo de energía;

un conducto de fluido de transferencia de calor que proporciona el flujo o transporte del fluido de transferencia de calor entre el receptor solar y el intercambiador de calor;

un material de almacenamiento de energía química en comunicación con el receptor solar de manera que el flujo luminoso solar concentrado reduce una cantidad de material de almacenamiento de energía química;

un oxidador en comunicación con el material de almacenamiento de energía química, proporcionando el oxidador la oxidación del material de almacenamiento de energía química y proporcionando además el intercambio de calor entre el material de almacenamiento de energía química y el fluido de trabajo del ciclo de energía; y un conducto de material de almacenamiento de energía química que proporciona el flujo o transporte del material de almacenamiento de energía química entre el receptor solar y el oxidador.

2. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 1, que además comprende un sistema de almacenamiento de energía térmica operativamente asociado 25 con el conducto de fluido de transferencia de calor.

3. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 2, que además comprende:

un sistema de almacenamiento de energía térmica que recibe el fluido de trasferencia 30 de calor calentado desde del receptor solar; y

un sistema de almacenamiento de energía térmica que recibe el fluido de transferencia de calor enfriado desde el intercambiador de calor.

4. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 1, que además comprende:

un sistema de almacenamiento de material de almacenamiento de energía química reducido operativamente asociado con el conducto de material de almacenamiento de energía química y que recibe el material de almacenamiento de energía química reducido desde el receptor solar; y un sistema de almacenamiento de material de almacenamiento de energía química oxidado asociado operativamente con el conducto de material de almacenamiento de energía química y que recibe el material de almacenamiento de energía química oxidado procedente del oxidador.

5. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 1, en el que el fluido de transferencia de calor comprende uno o más de agua, una sal sólida; una sal 15 fundida, un metal sólido; un metal fundido y un aceite.

6. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 1, en el que el fluido de transferencia de calor comprende un material de cambio de fase de silicio de aluminio.

7. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 1, que además 20 comprende:

una torre que soporta el receptor solar; y un campo de heliostatos que tiene heliostatos situados para enfocar la luz del sol sobre el receptor.

8. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 1, en el que el ciclo de 25 energía comprende:

un ciclo de energía superior de Brayton de aire abierto; y un ciclo de cola o "bottoming" de Rankine de vapor.

9. El sistema de energía solar de concentración de la reivindicación 1, en el que el fluido 30 de trabajo del ciclo de energía contiene un agente oxidante.

10. Un método de generación de energía que comprende las etapas de:

proporcionar un receptor solar configurado para recibir flujo luminoso solar concentrado;

calentar un fluido de transferencia de calor en comunicación térmica con el receptor solar con el flujo luminoso solar concentrado;

hacer fluir o transportar el fluido de transferencia de calor entre el receptor solar y un intercambiador de calor en el conducto de fluido de transferencia de calor;

intercambiar el calor entre el fluido de transferencia de calor calentado y un fluido de trabajo de un ciclo de energía dentro del intercambiador de calor;

reducir un material de almacenamiento de energía química en comunicación con el receptor solar irradiando el material de almacenamiento de energía química con el flujo solar concentrado;

hacer fluir o transportar el material de almacenamiento de energía química entre el receptor solar y un oxidador en un conducto de material de almacenamiento de energía química;

oxidar el material de almacenamiento de energía química reducido en un oxidador, proporcionando el oxidador además intercambio de calor entre el material de almacenamiento de energía química y el fluido de trabajo del ciclo de energía; y generar energía con el fluido de trabajo del ciclo de energía.

11. El método de la reivindicación 10 que además comprende almacenar el fluido de transferencia de calor en un sistema de almacenamiento de energía térmica operativamente asociado con el conducto de fluido de trasferencia de calor.

12. El método de la reivindicación 10 que además comprende:

almacenar el fluido de transferencia de calor calentado recibido desde el receptor solar en un sistema de almacenamiento de energía térmica caliente; y

almacenar el fluido de transferencia de calor enfriado recibido desde el intercambiador de calor en un sistema de almacenamiento de energía térmica frío.

13. El método de la reivindicación 10, que además comprende:

almacenar el material de almacenamiento de energía química reducido procedente del receptor en un sistema de almacenamiento de material de almacenamiento de energía química reducido; y almacenar el material de almacenamiento de energía química oxidado recibido desde el 5 oxidador en un sistema de almacenamiento de material de almacenamiento de energía química oxidado.

14. El método de la reivindicación 10, en el que el fluido de trasferencia de calor comprende uno o más de los siguientes materiales: agua, una sal sólida; una sal fundida, un metal sólido; un metal fundido y un aceite.

15. El método de la reivindicación 10, en el que el fluido de transferencia de calor comprende un material de cambio de fase de silicio de aluminio.

16. El método de la reivindicación 10, que comprende además las etapas de:

proporcionar una torre para soportar el receptor solar; y proporcionar un campo de heliostatos que tiene heliostatos situados para enfocar sobre 15 el receptor.

17. El método de la reivindicación 10, que comprende además generar energía con un ciclo de energía que comprende:

un ciclo de energía superior de Brayton de aire abierto; y un ciclo de cola o "bottoming" de Rankine de vapor.

18. El método de la reivindicación 10, que comprende oxidar el material de almacenamiento de energía química reducido en el oxidador con un agente oxidante en el fluido de trabajo del ciclo de energía.