Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural en la que ésta se emplea a su vez como sistema de refrigeración.

La torre alberga receptores de vapor saturado o sobrecalentado en cavidades con distintas orientaciones contando con un control dinámico adaptativo del campo de helióstatos para el enfoque de estos hacia diferentes puntos de enfoque, para la producción de electricidad, producción de calor de proceso, producción de combustibles solares o aplicación a procesos termoquímicos

Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural.

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a plantas de concentración solar de tecnología de torre con sistema de tiro natural y separación física del evaporador y el sobrecalentador así como control dinámico adaptativo del campo de helióstatos, para producción de electricidad, producción de calor de proceso, producción de combustibles solares o aplicación a procesos termoquímicos.

Antecedentes de la invención

Dentro de los sistemas de alta concentración solar podemos distinguir los discos Stirling, los colectores cilindro-parabólicos y la tecnología que actualmente nos ocupa, tecnología de receptor central.

Los sistemas de receptor central están constituidos por un campo de helióstatos, siendo estos espejos de gran superficie (40-125 m² por unidad) denominados helióstatos con seguimiento solar, que reflejan la radiación solar directa sobre uno o varios receptores centrales situados en la parte superior de una torre de gran altura. Estos receptores se encuentran habitualmente albergados en cavidades "escavadas" en la propia torre.

La radiación solar concentrada calienta en el receptor un fluido, cuya energía térmica puede después utilizarse para la generación de electricidad.

En los sistemas de receptor central la tecnología agua-vapor es actualmente la más habitual, empleándose como fluido calo portador tanto vapor saturado como sobrecalentado. La apuesta es clara hacia este tipo de fluido por dos motivos: en primer lugar, puede afirmarse con total rotundidad que el vapor es uno de los fluidos más conocidos en este ámbito, con menor riesgo tecnológico. En segundo lugar, es el fluido final con el que trabaja la turbina para la generación de electricidad por lo que se ahorra en equipos de intercambio y se eliminan las pérdidas asociadas a éstos.

Para este tipo de plantas de torre de energía solar termoeléctrica se necesita por lo tanto una localización en la que vaya unida la existencia de dos recursos: alta irradiancia solar y aporte de agua suficiente. Generalmente aquellas zonas que cumplen con altos índices de irradiancia son zonas en las que el recurso de agua es limitado, es por ello que en la búsqueda de plantas de receptor solar más eficientes, y con la utilización de la mínima cantidad de agua posible, surge la invención que actualmente se plantea, con el fin de recircular y aprovechar la mayor cantidad de agua posible con el menor autoconsumo eléctrico.

Actualmente las plantas de concentración solar para la producción de electricidad funcionan de la siguiente manera: los helióstatos reflejan la radiación solar hacia los receptores que se encuentran en la parte alta de la torre, con esa energía se evapora un fluido, dicho vapor se envía a una turbina para producir electricidad y a la salida de la turbina se trata de recuperar el agua del vapor, que se encuentra todavía a una temperatura elevada. Para ello reconducen el vapor que sale de la turbina hacia un condensador. Por este condensador circula agua de red a temperatura más baja que la del vapor, de manera que el vapor cede su calor al agua de red condensándose y pudiéndose a continuación bombear para recircularlo de nuevo al receptor.

El agua de red que circula por el condensador para enfriar el vapor sale a una temperatura más elevada de la que entró.

Con el fin de reutilizar de nuevo este agua en el circuito del condensador, debemos bajar la temperatura de ésta. Para ello se utilizan actualmente torres de refrigeración de circulación forzada mediante grandes ventiladores que permiten la circulación de aire y el intercambio de calor entre éste y el agua. En estas torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene del circuito de condensación mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre.

A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado "relleno". El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.

El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia dicho aire. Ésta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación.

En la transmisión de calor por convección, se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos.

La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90% es debida al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire húmedo que circula por la torre, produciéndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire.

Estos sistemas anteriormente planteados presentan varios inconvenientes como son los autoconsumos eléctricos que generan la utilización de ventiladores en las torres de refrigeración y el alto consumo de agua que se requiere.

Estos autoconsumos están formados por el conjunto de equipos de la instalación que necesitan de un consumo eléctrico para su funcionamiento, por lo que este consumo debe ser restado del producido de forma bruta por la instalación. Si se avanza en pro de equipos con autoconsumos cada vez menores, se estará igualmente trabajando en el aumento de la rentabilidad de la instalación.

Con el fin de reducir el autoconsumo eléctrico en las plantas térmicas convencionales se utiliza lo que se denomina torres de tiro natural o de tiro hiperbólico.

El flujo de aire a través de la torre de tiro natural se debe en su mayor parte a la diferencia de densidad entre el aire fresco de la entrada y el aire tibio de la salida. El aire expulsado por la columna es más ligero que el ambiente y el tiro se crea por el efecto chimenea, eliminando con ello la necesidad de ventiladores mecánicos.

La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la chimenea también ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas y, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. La velocidad media del aire a través de la torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. En este tipo de torres de tiro natural no se utilizan "rellenos" de gran compacidad, debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo más pequeña posible.

Como ya hemos comentado, estas torres son muy utilizadas en centrales térmicas; en las que a pesar de que la construcción de la torre supone una fuerte inversión la creación de este se compensa con el menor gasto eléctrico.

Descripción de la invención

La invención que actualmente se plantea es la de una planta solar termoeléctrica de alta concentración de receptor central o torre con campo de heliostatos, en la que la torre se emplea como torre de refrigeración mediante tiro natural.

Con esta planta se logrará reducir tanto el autoconsumo eléctrico como el consumo de agua, de manera que se podrá instalar en lugares áridos, como pueden ser los desiertos, que son zonas tremendamente favorables para la energía solar, pero en las que hasta ahora ha sido imposible su instalación porque el recurso del agua es muy limitado.

La planta solar que la invención plantea consiste en una torre rodeada de un campo de helióstatos que tiene instalados en su parte alta varios receptores solares. Pueden ser receptores de vapor saturado y/o de vapor sobrecalentado (más adelante se explicará...

1. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural formada por un campo de helióstatos que reflejan la radiación solar hacia varios receptores situados en la parte alta de la torre y en los que se calienta un fluido calo portador, caracterizada porque comprende una torre (2) hueca de estructura hiperboloide y de altura suficiente para minimizar el efecto coseno y que cuenta en su tramo final superior con varios balcones o voladizos exteriores en los que se ubican los distintos receptores solares (3) y en su base con una serie de intercambiadores de calor o condensadores (1) por los que circula el vapor (9) que se pretende refrigerar, estando dicho condensador rodeado por aire a temperatura ambiente (6) que baja la temperatura del vapor que circula en su interior, condensándolo (10). El aire se eleva por la torre debido al tiro natural de la misma (7) y el vapor ya condensado (10) del interior del intercambiador (1) se bombea (5) para su reutilización.

2. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 1 caracterizada porque se combina la utilización de receptores de vapor saturado y vapor sobrecalentado situados de manera independiente en los distintos balcones o voladizos e incluyendo un calderín (4) a modo de conexión entre ellos.

3. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 1 caracterizada porque los balcones o voladizos que albergan los receptores presentan distintas orientaciones.

4. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 3 caracterizada porque la configuración del campo de heliostatos es de orientación Norte y la torre solar cuenta con tres cavidades de distintas orientaciones.

5. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 3 caracterizada porque la configuración del campo de heliostatos es de orientación circular y la torre solar cuenta con cuatro o más cavidades con distintas orientaciones.

6. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 3 caracterizada porque se lleva a cabo un control de estrategias de apunte del campo de helióstatos independiente para las distintas cavidades contando por tanto con varios puntos de enfoque.

7. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 1 caracterizada porque cuenta con un sistema de almacenamiento (25) en agua-vapor en tanques esféricos o de cualquier tipo de configuración o mediante sales fundidas en tanques esféricos.