Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor con aplicación en los campos de la producción de electricidad,

calor de proceso, y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos, producido a partir de la combinación de un receptor solar de aire no presurizado, un receptor solar de vapor saturado y un intercambiador de calor separado del aporte solar y cuya finalidad es la producción de vapor sobrecalentado

Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor.

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a una planta solar con aplicación en los campos de la producción de electricidad, calor de proceso y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos, en la que se pretende combinar las tecnologías de receptor solar de aire y receptor solar de vapor saturado para la producción de vapor sobrecalentado.

Antecedentes de la invención

La tecnología dentro de la que se encuadra la invención y de la que es objeto esta patente es la de tecnología de plantas de energía solar termoeléctrica de torre, en las que un campo de helióstatos (espejos de grandes dimensiones, 40-125 m² por unidad) dotados de un seguimiento de la posición solar en todo momento (elevación y acimut), orientan los rayos reflejados hacia un foco colocado en la parte superior de una torre.

La energía solar directa es concentrada en un receptor situado en la parte superior de una torre. Estos receptores cuentan con un fluido caloportador que se calienta a partir de la energía solar concentrada.

Posteriormente éste u otro fluido calentado a partir del anterior pasa por una turbina, para la producción de electricidad.

Existe gran variedad de tipos de receptores que cumplen la misión de recoger la energía solar concentrada y transmitirla a un fluido caloportador, pero todos ellos cuentan aún con una serie de inconvenientes.

A continuación vamos a hacer referencia a tres tipos de receptores según el tipo de fluido caloportador empleado: receptores solares de vapor saturado, receptores solares de vapor sobrecalentado y receptores solares de aire.

Los receptores solares de vapor saturado generalmente tubulares calientan el agua que se hace pasar por el receptor produciéndose en ellos el cambio de fase y obteniendo vapor a determinada temperatura. Estos receptores sin embargo alcanzan como máximo temperaturas de vapor de 330ºC; para las cuales el rendimiento de la turbina puede considerarse bajo.

Como solución a esto, se planteó la utilización de receptores solares de vapor sobrecalentado cuyo uso permite la implementación de ciclos termodinámicos de mayor eficiencia en las plantas. Sin embargo, estos receptores cuentan con una gran dificultad tecnológica debido a las exigentes condiciones de temperatura a las que se hace trabajar el receptor.

Las paredes de los tubos del receptor solar de vapor sobrecalentado se someten a ciclos térmicos de forma continuada entre la temperatura ambiente, la temperatura del vapor con que se alimenta este receptor (250 a 310ºC) y la temperatura necesaria en la pared para la generación de vapor sobrecalentado a 540ºC, próxima a 600ºC, esto unido a la falta de controlabilidad del sistema especialmente ante transitorios, (paso de nubes etc.) y a las malas propiedades térmicas del vapor sobrecalentado, hace que los materiales del receptor estén expuestos a importantes tensiones, sufriendo una mayor tensión y fatiga y provocando la aparición de grietas debido a las grandes diferencias de temperatura en las distintas partes del receptor.

Por otra parte existe el problema de trabajar a altas presiones, lo que exige espesores de pared de tubo mayores, que a la hora de transferir altas densidades de potencia al fluido caloportador implican necesariamente altos gradientes térmicos.

Por tanto las dificultades que se encuentran actualmente en los sistemas de vapor sobrecalentado están principalmente ligadas a la resistencia de los materiales debido a las condiciones de aporte solar.

Otro tipo de receptores que encontramos son los receptores de aire con o sin presurización.

Estos receptores son generalmente receptores volumétricos que están específicamente concebidos para optimizar el intercambio de calor con aire como fluido térmico, siendo el absorbedor iluminado que constituye el receptor, una matriz o medio poroso (malla metálica o monolito cerámico), a través del cual fluye el gas de refrigeración.

Estos receptores consiguen trabajar entre 700ºC y 850ºC de temperatura de salida para absorbedores metálicos y más de 1.000ºC con absorbedores cerámicos pero con eficiencias térmicas inferiores a las de los receptores tubulares (70-80%).

Los receptores de aire presurizados utilizan aire calentado por la radiación solar e inyectado a continuación en una turbina de gas a una determinada presión.

En estos receptores nos encontramos de nuevo con la condición de trabajar a presiones muy altas, con las dificultades de control que esto supone en una planta de energía solar, en la que no se cuenta además con un aporte de calor constante.

Es importante considerar además que en un receptor solar, la distribución del flujo incidente, incluso en estado cuasi-estacionario, no es uniforme sobre la superficie del receptor. Además, el flujo incidente presenta discontinuidades debido a la variación del paso de nubles, denominadas transitorios. Estos dos factores nos proporcionan una idea más real de las tensiones térmico-estructurales a las que ha de someterse un receptor solar.

Hasta ahora los receptores anteriormente descritos han sido considerados de manera independiente en plantas solares de producción eléctrica o constituyendo un único receptor. La combinación de ambos receptores ubicados de manera independiente en torres albergados en una o varias cavidades supondría una enorme ventaja de cara a solucionar los distintos problemas técnicos anteriormente planteados.

La invención que a continuación se presenta trata de aglutinar las ventajas de la utilización de vapor sobrecalentado en plantas de energía solar, solventando los riesgos actualmente existentes, consiguiendo un mayor control de la planta y favoreciendo de esta manera la estabilidad y durabilidad de ésta.

Descripción de la invención

Esta invención se propone como alternativa a las tecnologías existentes que usan un único receptor para la generación de vapor sobrecalentado mediante el aporte de energía solar.

Se incluyen mejoras a las tecnologías actuales gracias a que el objetivo principal (obtener vapor sobrecalentado a determinadas condiciones para alimentar una turbina), es alcanzado realizando un proceso por etapas que tienen lugar en componentes solares independientes físicamente, razón por la cual pueden aprovecharse las ventajas tecnológicas proporcionadas por cada uno de ellos. La implementación de un sistema como el aquí descrito, permitirá obtener una mayor eficiencia en el proceso global de producción de energía eléctrica.

La invención consiste en la producción de vapor sobrecalentado de alta eficiencia mediante la combinación de tres elementos: receptor solar de aire no presurizado, receptor solar de vapor saturado y un intercambiador de calor. El sistema cuenta también con un calderín donde se produce la separación de fases de la mezcla agua-vapor proveniente del receptor de vapor saturado.

En este sistema combinado de receptor de aire y vapor saturado, ambos receptores se encuentran separados físicamente, así cada receptor puede ubicarse en una sola cavidad o en cavidades distintas de la torre, lo que puede dar lugar al establecimiento de estrategias independientes de apunte del campo de helióstatos. La estrategia de apunte de los helióstatos consiste en un control dinámico adaptativo del campo según los requerimientos de densidad de flujo de calor de cada receptor, manteniendo así estables las condiciones de temperatura de entrada de los fluidos al intercambiador. De esta manera, parte del campo de helióstatos se enfoca al receptor de vapor saturado y otra parte al receptor de aire, permitiendo ejercer un mayor control de la planta y favoreciendo la estabilidad de operación de la misma.

En el sistema propuesto, el sobrecalentamiento del vapor saturado (proveniente del calderín) tiene lugar en un intercambiador de calor, que se encuentra separado del aporte solar, y en el que el fluido de transferencia es el aire no presurizado a alta temperatura proveniente de un receptor solar a presión atmosférica. De esta forma, la elevación de la temperatura del vapor se obtiene como resultado de la transferencia de energía entre los fluidos provenientes de los dos receptores en el intercambiador.

Lo anterior, supone una enorme ventaja para el sistema propuesto frente a los receptores de vapor sobrecalentado,...

1. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor, que utiliza como fluido caloportador agua/vapor y aire, caracterizada por contar con tres subsistemas: un primer subsistema de evaporación y un segundo subsistema de aire, situados físicamente de forma independiente en una misma cavidad o en cavidades distintas de una torre; y un tercer subsistema de sobrecalentamiento mediante intercambiador de calor aire-vapor independiente de los subsistemas anteriores e incluyendo un calderín a modo de conexión entre el subsistema de evaporación y el de sobrecalentamiento.

2. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 1, caracterizada por llevar a cabo un control de estrategias de apunte del campo de helióstatos independiente para los primeros dos subsistemas.

3. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 2, caracterizada porque el intercambio de calor se produce en un elemento externo no sometido al aporte de energía solar.

4. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 2, caracterizada porque combina la utilización de uno o varios receptores de aire no presurizado y uno o varios receptores de vapor saturado.

5. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 4, caracterizada porque el receptor de vapor saturado es tubular o exterior.

6. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 4, caracterizada porque los receptores de aire no presurizado y los receptores de vapor saturado están situados en una misma cavidad.

7. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 4, caracterizada porque los receptores de aire no presurizado y los receptores de vapor saturado están situados en distintas cavidades.

8. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicaciones 6 ó 7, caracterizada porque la planta solar termoeléctrica cuenta con uno o varios sistemas de almacenamiento térmico.

9. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicaciones 6 ó 7 caracterizada porque se utiliza un sistema de intercambio entre el aire que sale del intercambiador y el agua de alimentación al calderín a modo de precalentamiento.

10. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicaciones 6 ó 7 caracterizada porque se utiliza un sistema de intercambio entre el aire a la salida del intercambiador y el vapor que sale de una turbina de alta presión para su recalentamiento y su posterior alimentación a una turbina de media presión.