Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase.

Un sistema para el almacenamiento y recuperación de energía térmica empleando como medio al menos un material de cambio de fase (sólido-líquido) y un material sólido de calor sensible que se encargan de almacenar/recuperar el calor obtenido desde una fuente externa en forma de calor sensible y calor latente de cambio de fase.

Dichos materiales están debidamente contenidos en un único tanque, en cuyo interior existen al menos dos zonas, cada una conteniendo un material diferente, y diferenciadas por el rango de temperaturas a las que son sometidas. La configuración más usada consiste en tres diferentes zonas configuradas al interior del tanque: zona caliente, en la parte superior del tanque, donde un material de cambio de fase encapsulado caracterizado por una temperatura de fusión alta está encerrado; zona fría, ubicada en la parte inferior, donde un material de cambio de fase con baja temperatura de fusión está colocado; y una zona media, que contiene un material sólido de calor sensible.

Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase

Objeto de la Invención

La presente invención describe un sistema de almacenamiento y recuperación de energía térmica, haciendo uso de la capacidad del material sólido para contener energía térmica en forma de calor sensible y de la capacidad del material de cambio de fase para contener energía térmica tanto en forma de calor sensible como latente de cambio de fase. La invención que se describe en este documento aprovecha el calor proveniente de una fuente externa o el calor residual de un proceso, cargando un dispositivo (tanque) de energía térmica durante un periodo de tiempo establecido y descargando este dispositivo (tanque) en un período posterior en el que la fuente de energía no está disponible (o no es suficiente), suministrando de manera continua energía térmica a un sistema externo. Uno de los propósitos de la invención es minimizar el tamaño del tanque de almacenamiento sin perjudicar la eficacia del mismo.

Estado de la técnica

El aprovechamiento de la energía térmica proveniente de una fuente externa (e.g., la radiación solar, el calor residual de un proceso de fabricación, etc.) para la generación de energía eléctrica o simplemente el uso de esta en un proceso (e.g., generación de vapor, calentamiento de agua, etc.) se ha convertido desde hace un par de décadas en un campo importante de estudio, debido a la necesidad de conseguir procesos de transformación de energía con menor dependencia de recursos no renovables tales como los combustibles fósiles.

Los mecanismos de obtención de energía térmica presentan la limitación que son generalmente procesos no continuos. Estos procesos solo ocurre durante un número específico de horas al día, frente a una demanda que generalmente es continua o simplemente está desfasada en el tiempo. Es por ello que se ha de emplear algún medio que facilite suplir esta demanda de energía. A lo largo de los últimos años se han propuesto diferentes maneras de almacenar la energía térmica que se ha obtenido durante el tiempo que está disponible la fuente externa de calor y no esta supliendo necesariamente la unidad de consumo. En general la estrategia empleada para almacenar la energía térmica se basa en la utilización de un medio calor portador que está resguardado en un tanque y que almacena la energía térmica adquirida durante las horas de disponibilidad de fuente externa para ser luego aprovechada durante las horas de demanda por parte de una unidad de consumo.

Dos tipos de montaje posibles para el almacenamiento y aprovechamiento de la energía térmica adquirida desde una fuente externa son aquellos que emplean dos tanques de almacenamiento, uno caliente y otro frió, o bien un solo tanque (termoclina), el cual se caracteriza por tener dos zonas delimitadas, zona caliente y zona fría. La termoclina se define como una capa dentro de un cuerpo fluido donde la temperatura cambia rápidamente con la

profundidad o altura, y donde hace presencia el fenómeno de estratificación del fluido que está contenido en el interior del tanque.

Es conocido que mantener a lo largo de un período largo de tiempo el efecto de estratificación en el interior del tanque de almacenamiento de energía térmica (termoclina) presenta dificultades. Esto es debido a la constante incorporación de fluido en la parte superior, o zona caliente, y sustracción de fluido frío por la parte inferior del tanque, al efecto de conducción entre capas del fluido a diferente temperatura y a la mezcla de dichas capas como consecuencia de la turbulencia del fluido. Se han seguido algunas estrategias para favorecer la estratificación del fluido en el interior del tanque. Algunas de ellas han sido: membrana separadora que flota entre la interface caliente y fría en función de la densidad del fluido que esta descrita en la patente no. US4523629, titulada "Method and apparatus for operating an improved thermocline storage unit"; incorporación de bafles fijos propuesto en la patente no. US2010301062, titulada "Single bi-temperature thermal storage tank for application in solar thermal plant"; utilización de bafles móviles que es propuesta en la patente no. EP2141432, titulada "Dual thermal energy storage tank"; o métodos de seguimiento de temperatura del fluido a diferentes alturas del tanque explicada en la patente no. US20120118554, titulada "Thermal energy storage system comprising optimal thermocline management". Cada una de estas patentes propone estrategias para evitar que el mezclado del fluido a diferentes temperaturas favorezca la degradación del sistema de almacenaje térmico. Una mejora en el diseño de la boca de entrada y salida del fluido calor portador al tanque de almacenamiento es propuesta en la patente no. US2012104003, titulada "Horizontal extraction and return extensions in liquid storage tanks", donde se busca reducir la velocidad del fluido al entrar o salir del tanque evitando la agitación del fluido y posterior mezcla.

El medio calor portador o medio empleado para absorber la energía térmica, o calor de la fuente externa, es una sustancia fluida y puede evacuar así el calor que está concentrado en la fuente externa de calor. Dicho fluido calor portador puede ser, por ejemplo, agua, aire, o algún fluido de la familia de los hidrocarburos (aceites térmicos), sales fundidas (nitratos de sodio, nitratos de potasio, cloruro de magnesio, entre otras) o una mezcla de las sales mencionadas. Estos últimos deben tener como característica especial un punto de fusión bajo que no permita la solidificación del material en el interior del circuito durante el proceso.

La incorporación de materiales de cambio de fase (Phase Change Materials - PCM) en los sistemas de almacenamiento de energía térmica han surgido como una alternativa de mejora en la que se busca obtener un sistema de almacenamiento con menores dimensiones. En estos se aprovecha el calor latente de cambio de fase del material cuando cambia de estado sólido a líquido o viceversa durante el tiempo de almacenamiento/recuperación de energía térmica. El uso y aplicación de materiales de cambio de fase para altas temperaturas se expone inicialmente en la patente no. 4512388, titulada "High-temperature direct-contact thermal energy storage using phase-change media", donde se propone utilizar este tipo de materiales en aplicaciones para almacenar energía térmica a temperaturas entre 400 a 3000oF (aproximadamente 205 a 1650oC). Posteriormente se ha presentado la patente no. US20100230075, titulada "Thermal storage system" que describe una aplicación donde se emplea material de cambio de fase como medio de almacenamiento de energía térmica. Dicho material se encuentra depositado en el interior de un tanque, en el cual se encuentran

sumergidos una serie de intercambiadores de calor que son el medio para suministrar o remover el calor al PCM. Se menciona algunos problemas de deterioro de la eficiencia de los intercambiadores en este tipo de montaje.

El contacto directo del PCM con los intercambiadores de calor se puede evitar si dicho material es encapsulado. Una propuesta basada en esta alternativa es explicada en la patente no. US2012018116, titulada "Thermal energy storage system comprising encapsulated phase change material", donde además se describe una manera para realizar el proceso de encapsulamiento del PCM en esferas. Se menciona como al emplear PCM encapsulado se obtiene un área de transferencia mayor, lo cual favorece la transferencia de calor entre el medio y el PCM.

El proceso de encapsulamiento del material de cambio de fase, el PCM, para aplicaciones de alta temperatura se presenta en la patente no. US20110259544, titulada "Encapsulated phase change apparatus for thermal energy storage", donde se explica la técnica empleada para fabricar PCM contenido en cápsulas de forma cilindrica. Posteriormente en la patente no. US20120055661, titulada "High temperature thermal energy storage system", se presenta una innovación para encapsular el PCM en el interior de tuberías redondas evitando posibles fallas o fracturas en la superficie de la misma. El método consiste en hacer una serie de hendiduras helicoidales a lo largo de la tubería que contiene el PCM, esto facilita la deformación de la cápsula sin riesgo de daños como consecuencia del cambio del volumen del PCM durante la fusión.

Finalidad de la invención

La presente invención tiene como finalidad perfeccionar el diseño de un sistema de almacenamiento de energía térmica empleando al menos un material sólido de calor sensible y un grupo de materiales de cambio de fase (PCM) que tienen diferente punto de fusión y que están debidamente contenidos. Ambos tipos de materiales,...

1. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", que se utiliza con el fin de almacenar energía térmica obtenida desde una fuente externa durante un período de tiempo y posteriormente, recuperar parte de esta energía y llevarla hacia una unidad de consumo externo que la necesite. La invención descrita está formada por:

Una cavidad o tanque (2), la función del cual es contener los materiales de relleno (8) y (9), y el fluido calor portador (10).

Al menos un grupo de materiales de cambio de fase encapsulado (9).

Al menos un material sólido de calor sensible (8), que está localizado en la zona media del tanque de almacenamiento o en la zona superior o inferior.

Al menos un par de tomas (11) y (12) de entrada y salida al tanque de almacenamiento (2), para el ingreso y salida del fluido calor portador (10).

2. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por cápsulas (que contienen la substancia de material de cambio de fase PCM (9) impermeable y resistente al desgaste y corrosión, evitando que el PCM entre en contacto directo con el fluido calor portador, que podría degradar el PCM.

3. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por el material sólido que acumula calor en forma sensible (8) y que separa al menos un grupo de PCMs encapsulados (9).

4. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por una cavidad de almacenamiento o tanque (2) que cuenta con una pared lateral y dos cerramientos, uno superior y otro inferior, cada uno de ellos está aislado térmicamente mediante material de aislamiento (3).

5. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por contar con un grupo de materiales de cambio de fase, el cual es seleccionado desde sales inorgánicas y/o mezclas eutécticas de ellas (tales como nitrato de sodio, nitrato de potasio, cloruro de manganeso, entre otras), diferentes tipos de metales o aleaciones metálicas (tales como el zinc o níquel-zinc, entre otras), diferentes tipos de parafinas, o cualquier otro material adecuado para el rango de temperaturas de trabajo.

6. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 5,

caracterizado por utilizar diferentes PCMs encapsulados (9), todos ellos en función de las temperaturas o puntos de fusión, de la temperatura de operación o trabajo del sistema de almacenamiento de energía térmica y de la temperatura de la zona fría y caliente del tanque termoclina.

7. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por un grupo de cápsulas (9) que contienen en su interior un PCM, las cápsulas deben tener como característica primordial una temperatura de punto de fusión mucho mayor que la del PCM y ser impermeable evitando fugas del material PCM.

8. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por una toma (11) de acceso o salida del fluido calor portador (10) desde la zona caliente (4) del tanque que se encuentra ubicadanormalmente en la parte superior.

9. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por una toma (12) de acceso o salida del fluido calor portador (10) desde la zona fría (5) del tanque que se encuentra ubicada normalmente en la parte inferior.

10. "Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase", según la reivindicación No. 1, caracterizado por el fluido calor portador utililizado (10) que puede estar en estado líquido, gaseoso o mezcla líquido-vapor por todo el circuito que conforma el sistema de almacenamiento de energía térmica, la fuente externa y la unidad de consumo externo.