Que utilizando un fluido caloportador, en cualquier ciclo termodinámico o sistema de aprovechamiento de calor de proceso,

comprende;

medios de concentración solar bidimensional, para calentar el fluido caloportador desde una temperatura T1 a una temperatura T2,

medios de concentración solar tridimensional, para recalentar el fluido caloportador desde la temperatura T2 hasta una temperatura T3,

de tal manera que se aprovechen las ventajas del trabajo a alta temperatura de los medios de concentración solar tridimensional con costes globales similares a los de los sistemas de concentración solar bidimensional.

En una aplicación particular a la generación de energía eléctrica los medios de concentración solar bidimensional consisten en un colector cilindroparabólico (1) mientras que los medios de concentración solar tridimensional consisten en un campo de helióstatos y torre central (2) para generación de vapor de agua sobrecalentado que se expande en una turbina (6) acoplada a un generador eléctrico (7)

Planta de concentración solar.

La presente invención se refiere a una instalación que pretende un resultado más eficiente y menos costoso de las actuales tecnologías de concentración solar. Su aplicación esta especialmente indicada en los campos de la producción de electricidad, calor de proceso, y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos.

Antecedentes de la invención

Si bien la radiación solar es una fuente térmica de elevadas temperatura y energía en origen, la utilización de la misma en las condiciones del flujo que llega a la superficie terrestre anula prácticamente todo su potencial de convertirse en trabajo, debido a la drástica reducción de la temperatura disponible en el fluido. Por esta razón, se hace uso en las centrales solares termoeléctricas (CST), de sistemas de concentración óptica, que permiten lograr mayores densidades de flujo y con ello temperaturas más elevadas. Supongamos un modelo simplificado de un sistema termosolar de concentración, formado por un concentrador óptico ideal, un receptor solar que se comporte como un cuerpo negro presentando únicamente pérdidas por emisión (un receptor de cavidad o un receptor volumétrico se aproximarían teóricamente a esta condición) y una máquina o motor térmico con un rendimiento ideal de Carnot. El rendimiento total de dicho sistema vendrá marcado principalmente por el rendimiento del sistema receptor y por el rendimiento del ciclo termodinámico. El rendimiento del sistema receptor solar puede expresarse de manera muy simplificada por la Ecuación 1, siendo Q_in el aporte de energía entrante y Q_loss las perdidas térmicas del sistema. Dado que la energía entrante es proporcional a la concentración y las pérdidas térmicas dependen principalmente de la temperatura de trabajo, podemos afirmar que cuanto mayor sea la concentración, mayor será el rendimiento del sistema receptor solar para una temperatura de trabajo determinada, o dicho de otra manera si queremos trabajar a altas temperaturas y mantener el rendimiento de nuestro sistema receptor debemos entonces incrementar la concentración. Es decir, los rendimientos de los receptores solares serán tanto mayores cuanto mayores sean las concentraciones y menores las temperaturas de trabajo.

Por otra parte en la Ecuación 2 se representa el rendimiento de un ciclo termodinámico ideal (ciclo de Carnot) cuyo rendimiento es mayor cuanto mayor es la temperatura. El rendimiento global del sistema termosolar vendrá determinado por el producto de ambos tal como se muestra en la Ecuación 3. Si queremos elevar la eficiencia global del sistema necesitaremos forzosamente elevar la concentración, para poder trabajar a altas temperaturas y a unas altas eficiencias globales.

Desde el punto de vista termodinámico existen unos límites de concentración que son diferentes si la concentración se hace tridimensionalmente (3D) o bidimensionalmente (2D), de tal manera que el limite de concentración depende del ángulo de aceptancia, es decir de la forma tamaño y distancia del objeto a concentrar, en nuestro caso el sol, cuyo ángulo es 4.65 mrad.

Siendo los límites teóricos de concentración mucho más altos en el caso de los sistemas de concentración tridimensional que en el de los de los sistemas bidimensionales, Por qué las primeras experiencias comerciales de aplicación de sistemas de concentración solar a la producción de electricidad se han basado en conceptos bidimensionales, como es el caso de los concentradores cilindroparabólicos?. La razón estriba en que en los sistemas de concentración de tipo bidimensional es suficiente la utilización de dispositivos de seguimiento en un único eje alcanzando concentraciones del orden de 20-80X y temperaturas de trabajo del orden de los 400ºC. Por el contrario, los sistemas de concentración tridimensional requieren de dispositivos de seguimiento en dos ejes, más complejos, y suelen tener concentraciones entre 300-2000X y temperaturas de trabajo de hasta 1000ºC. Recordaremos que, en la actualidad, existen tres tecnologías diferentes desarrolladas para su uso en Plantas Solares Termoeléctricas. Estas tecnologías, denominadas colectores cilindro-parabólicos, de receptor central, y discos Stirling, hacen uso solamente de la componente directa de la radiación solar, lo que les obliga a tener dispositivos de seguimiento solar.

En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el disponer de un sistema más eficiente técnicamente y más competitivo económicamente.

Descripción de la invención

El concepto de planta de concentración solar de la invención se basa en integrar las ventajas de los sistemas de concentración de tipo bidimensional, como por ejemplo los colectores cilindroparabólicos (CCP), para aumentar la temperatura del fluido caloportador hasta las temperaturas medias donde son mas eficientes este tipo de sistemas, con las ventajas de los sistemas de concentración de tipo tridimensional, por ejemplo sistemas de torre y campo de helióstatos que permiten alcanzar elevadas temperaturas, usando éstos principalmente para sobrecalentar el fluido caloportador desde la temperatura ya suministrada por los sistemas bidimensionales hasta aquellas que hagan posible su integración en el ciclo termodinámico de manera más eficiente. Desde el punto de vista del coste de la instalación, el uso de tecnologías de concentración tridimensionales para la etapa del calentamiento inicial resulta más costoso que el uso de sistemas de concentración bidimensionales para dicha etapa. Actualmente se emplean para ambas etapas sistemas de concentración bidimensionales que no llegan a alcanzar las temperaturas óptimas de operación de los ciclos termodinámicos o sistemas de concentración tridimensionales, más costosos. La combinación de ambos permite alcanzar altas temperaturas y por tanto altos rendimientos en los ciclos termodinámicos sin necesidad de que todo el sistema solar de concentración requiera de altas precisiones ni de seguimiento en dos ejes,...

1. Planta de concentración solar, que utiliza un fluido caloportador en cualquier ciclo termodinámico o sistema de aprovechamiento de calor de proceso, caracterizada por comprender;

de tal manera que se aprovechen las ventajas del trabajo a alta temperatura de los medios de concentración solar tridimensional con costes globales similares a los de los sistemas de concentración solar bidimensional.

2. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por qué los medios de concentración solar bidimensional comprenden un colector cilindroparabólico (1).

3. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por qué los medios de concentración solar tridimensional comprenden un campo de helióstatos y torre central (2).

4. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por incorporar dispositivos de almacenamiento térmico (3) (4),

5. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por incorporar un dispositivo de apoyo fósil (5), complementario de los dispositivos de concentración (1) (2).

6. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por qué el ciclo termodinámico es un ciclo Rankine, para generación de vapor de agua sobrecalentado.