Central helio-térmica con gestión exergética del calor para funcionar en condiciones nominales un amplio plazo de horas diarias,

estructurada en sectores con funciones de calentamiento diferenciadas, y en la que cada sector tiene su propio fluido calorífero, pero todos los sectores tienen consecutivamente el mismo fluido de trabajo del ciclo termodinámico, constando cada sector de una batería de captadores solares(1), un intercambiador principal (2) de contacto térmico con el fluido de trabajo, un sistema de almacenamiento térmico indirecto, y otro directo, y de las bombas, válvulas e instrumentación precisas para configurar cada sector según tres circuitos diferentes, lo que permite almacenar la energía térmica cuando la irradiación solar captada está por encima del valor nominal, y utilizar este calor para hacer funcionar el ciclo termodinámico también en condiciones nominales cuando el valor de la irradiación decae por debajo del nominal

Central helio-térmica con gestión exergética del calor.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el campo de las centrales térmicas cuya fuente térmica es la radiación solar, concentrada por algunos de los posibles modos de concentración óptica, y particularmente mediante campos de colectores cilindro-parabólicos con tubo absorbedor en el eje focal, o mediante espejos de concentración de la radiación sobre un receptor central ubicado en una torre. Denominaremos batería de captadores solares al conjunto de elementos, sea cual sea la configuración, en los que se produce la absorción de la radiación solar. Estas centrales están dedicadas a la generación de electricidad, o de energía mecánica de rotación, mediante un ciclo termodinámico, que puede usar un ciclo tipo Rankine, con un vapor que se condense en el foco frío del ciclo, o un ciclo tipo Brayton, con un gas que no se condense, como fluido de trabajo.

La invención se refiere al modo de estructurar los diversos componentes de la central, para que ésta aproveche al máximo la capacidad de captación de energía solar que tenga su batería de captadores solares, en función del tipo de ciclo y de las prestaciones nominales del mismo. Respecto de esto último, se tiene especialmente en cuenta que la turbina del ciclo tendrá su mejor rendimiento cuando el fluido de trabajo entre en ella con la temperatura, presión y caudal nominales.

En particular la invención tiene en cuenta la variación de la potencia de la irradiación solar, tanto con carácter diario como estacional, y la pertinencia, por tanto, de disponer de un almacenamiento térmico, que a su vez puede ser de diversos tipos, pero que se ha de ajustar adecuadamente para que, durante el mayor tiempo posible, la central funcione en condiciones nominales.

Antecedentes de la invención

Existe una amplia variedad de sistemas para estructurar las centrales solares. Una alternativa esencial es si se utiliza el mismo fluido en el ciclo termodinámico y en la batería de captadores solares, entendiendo por ésta el conjunto de elementos donde se produce la absorción de la radiación solar. En esta invención se puede utilizar el mismo fluido, o fluidos distintos, para la batería de captadores y para el ciclo, en función del tipo de ciclo especialmente.

En este documento designaremos por fluido calorífero al que extrae el calor de la batería de captadores solares, y por fluido de trabajo al que evoluciona en el ciclo termodinámico.

Por ejemplo, en la tecnología convencional actual de colectores cilindro-parabólicos, el fluido calorífero, es un aceite térmico, como el Therminol VP; mientras que el fluido de trabajo del ciclo termodinámico es agua, que sigue un ciclo de Rankine, donde se encuentran típicamente tres niveles de actuación térmica; el de precalentamiento del agua; el de ebullición de ésta; y el de sobrecalentamiento. En el caso de receptor en torre, el fluido calorífero suele ser una sal fundida; usando típicamente agua como fluido de trabajo.

Una alternativa es utilizar gas (no condensable) como fluido de trabajo (ciclo Brayton), y en tal caso el gas puede utilizarse así mismo como fluido calorífero. En este caso, el gas se ha de comprimir hasta la presión nominal de alta, y hacerse circular por la batería de captadores solares para que se caliente, enviándose a la turbina de gas para su expansión, con la consiguiente conversión en energía mecánica.

Como condicionante común a todas las centrales solares térmicas, hay que señalar de nuevo la variación de la potencia solar. En un día soleado habitual, la batería de captadores solares irá recibiendo y absorbiendo cada vez mayor potencia térmica, tal como el sol se alce en su órbita diurna, y de igual manera se irán calentando el fluido calorífero y el fluido de trabajo; hasta que éste alcance el mínimo técnico de funcionamiento de la turbina, que es cuando comienza a funcionar verdaderamente la central. A partir de ahí va aumentando la potencia, gracias al aumento de temperatura en la batería de captadores y en los fluidos, que van además aproximando sus caudales másicos a los valores nominales correspondientes. A ellos, y a las temperaturas nominales, se llega cuando la irradiación solar alcanza el valor para el que se ha diseñado nominalmente la planta; pero la potencia absorbida en la batería de captadores sigue ascendiendo, porque la máxima potencia alcanzable por la batería de captadores de la central es mayor que la nominal, especialmente en días de primavera y, sobre todo, verano. Llegada a esa situación, la tecnología convencional es la de enviar la potencia térmica excedente a un almacenamiento térmico. Concretamente lo que se realiza en el estado actual del arte es lo siguiente: se sigue aumentando el caudal de la batería de captadores, y una vez que se ha llegado a temperatura nominal, se desvía el excedente de caudal de fluido calorífero a un intercambiador con el almacenamiento térmico, que típicamente consiste en dos tanques de sales fundidas, uno a temperatura menor, y otro a temperatura mayor. En el proceso de carga térmica del almacenamiento, se transfieren sales del tanque de menor temperatura al de mayor, en un intercambiador a contracorriente, cuyo fluido caliente (que se enfría) es el fluido calorífero, que se devuelve a la batería de captadores solares. Dicho proceso de carga térmica del almacenamiento prosigue mientras la potencia absorbida por la batería de captadores solares es mayor que la potencia nominal de la planta. Cuando esta última, por declinar la potencia solar, es rebasada hacia abajo, el proceso de carga del almacenamiento acaba, y da comienzo el proceso de descarga, en el cual el calor aportado al ciclo termodinámico por la batería de captadores solares, se suplementa por el calor extraído del almacenamiento térmico. Para esto, las funciones de los fluidos se alternan en el intercambiador a contracorriente antes mencionado, y las sales fundidas son ahora el fluido caliente, que se enfría al tiempo que es transferido del tanque de alta temperatura al de baja, calentándose el fluido calorífero que va a alimentar térmicamente al ciclo termodinámico. Ahora bien, en ambos procesos de intercambio de calor, en la carga y en la descarga térmica del almacenamiento, se pierde temperatura, por lo que el fluido calorífero calentado en la fase de extracción de calor del almacenamiento (descarga) no llega a su temperatura nominal, que es para la cual funciona la turbina en sus mejores prestaciones. Análogamente ocurre con otros tipos de almacenamientos convencionales, tales como los que almacenan directamente vapor a presión, o calor en lechos sólidos, de tipo cerámico, pues tanto en la carga como en la descarga se produce una disminución de la calidad de la energía térmica disponible. Es decir, en ese proceso de gestión del calor se ha producido un deterioro exergético, y de hecho la turbina deja de funcionar nominalmente en esa fase de aprovechamiento del calor almacenado. El problema, a resolver con la invención, es posibilitar que ese funcionamiento siga siendo nominal, durante el tiempo en que haya energía térmica en el almacenamiento.

Descripción de la invención

La invención consiste en configurar la central termosolar con una sectorización de su batería de captadores solares y otros elementos, de modo que cada sector atienda una finalidad de calentamiento del fluido de trabajo termodinámico, pudiendo eventualmente haber un único sector, por identificarse sólo una función de calentamiento del fluido de trabajo. En todo caso, el fluido de trabajo es el mismo en todos los sectores que tenga la central, y están conectados entre sí a través de un único circuito de fluido de trabajo; al contrario que el fluido calorífero, que tendrá una corriente específica para cada sector, lo cual incluye su batería de captadores y su propio sistema de almacenamiento térmico, y las bombas o compresores, válvulas y detectores de instrumentación que constituyen también el circuito termo-fluido de cada sector del campo de colectores; que como circuito cuenta también con los intercambiadores de calor para conectarse térmicamente con el sistema de almacenamiento térmico indirecto en su carga y en su descarga, y con el intercambiador principal de calor para conectarse térmicamente con el circuito del fluido de trabajo termodinámico. Es fundamental a este respecto establecer un criterio técnico sobre cuando se han de disponer sectores independientes para dos funciones de calentamiento distintas en la misma central, y este criterio es que se dispondrán sectores independientes para dos funciones de calentamiento distintas, cuando...

1. Central helio-térmica con gestión exergética del calor, basada en una configuración de central solar térmica con captadores solares de concentración de la radiación que sirven para calentar un fluido calorífero, que a su vez alimenta energéticamente a un fluido de trabajo de un ciclo termodinámico, que se estructura en un conjunto de sectores por los que consecutivamente circula el fluido de trabajo, identificándose los sectores necesarios por aplicación del criterio de que las especificidades de calentamiento en los sectores comporten valores del factor de concentración solar, o del coeficiente global de transmisión de calor entre la superficie de absorción y el fluido calorífero, que difieran entre sectores consecutivos más de un 25%; pudiendo eventualmente haber un único sector, por identificarse sólo una función de calentamiento dei fluido de trabajo, que en todo caso es el mismo en todos los sectores que potencialmente tenga la central, y están conectados entre sí a través de un único circuito de fluido de trabajo; y teniendo el fluido calorífero, una corriente o circuito especifico para cada sector, lo cual incluye sus propios sistemas de almacenamiento térmico, indirecto o de alta temperatura y directo o de relativamente baja temperatura, realizándose el proceso de carga térmica del almacenamiento de baja temperatura cuando el caudal de fluido calorífero procedente de la batería de colectores solares es mayor que el caudal demandado por el bloque de potencia de la central, derivando hacia dicho almacenamiento el exceso de caudal que se dé; existiendo además una pluralidad de bombas o compresores, válvulas y detectores de instrumentación que constituyen también el circuito termo-fluido de cada sector de la central; que como circuito cuenta también con una pluralidad de intercambiadores de calor (13, 20) que conectan térmicamente con el sistema de almacenamiento térmico indirecto en su carga y en su descarga, y con el intercambiador de calor principal (2) entre el fluido calorífero y el fluido de trabajo que conecta térmicamente con el circuito del fluido de trabajo termodinámico, caracterizada por que cada sector de la central consiste en un gran circuito termo-fluido que contiene: