Receptor solar de torre de vapor sobrecalentado con configuración definida que favorece la transferencia de calor entre la superficie del componente y el fluido de trabajo.

Compuesto por al menos cuatro subpaneles que definen un circuito de circulación para el vapor mediante pasos internos. El componente es alimentado con vapor saturado para cuya producción se puede usar otra tecnología de concentración solar. La configuración propuesta minimiza los riesgos tecnológicos de la tecnología de receptores de vapor sobrecalentado en los que se presentan inconvenientes en la estructura del material por los ciclos térmicos a los que está sometido el componente solar

Receptor solar de vapor sobrecalentado.

Sector técnico de la invención

Esta invención pertenece al campo de tecnologías solares de concentración para la producción de vapor sobrecalentado, más específicamente a tecnología de receptor central de torre con campo de helióstatos para aplicación en generación de electricidad.

Antecedentes de la invención

Dentro de las tecnologías solares de concentración, se encuentran los sistemas de receptor central de torre en los que la radiación solar directa es reflejada por un campo de helióstatos hacia un receptor. El receptor es el componente donde se concentra toda la radiación solar y a través del cual se transfiere la energía a un fluido de trabajo que puede alcanzar una temperatura de hasta 1000ºC; esta energía es usada posteriormente para la generación de electricidad.

En la actualidad, se cuenta con diferentes tipos de receptores en los que puede variar el fluido de trabajo, la forma en la que se transfiere la energía a éste último y la configuración del receptor. Así, hay receptores de tubos, volumétricos, de intercambio directo o indirecto de energía, de vapor saturado y de vapor sobrecalentado, entre otros.

Los receptores de concentración solar de torre pueden ser exteriores o disponerse en una cavidad ubicada en la parte superior de la estructura con el fin de disminuir las pérdidas térmicas. La configuración debe permitir que la potencia incidente supere en magnitud las pérdidas que se presentan por radiación y convección. En los receptores de vapor sobrecalentado, la temperatura alcanzada en la superficie es mayor que en los receptores agua/vapor, razón por la cual las pérdidas por radiación también son mayores, sin embargo, tienen la ventaja de aumentar la eficiencia del ciclo termodinámico, con lo que esas pérdidas quedan compensadas.

De esta forma, la ventaja principal de los receptores de vapor sobrecalentado radica en que al trabajar con un fluido de mayor nivel energético, incrementan el rendimiento de la turbina y la eficiencia del ciclo termodinámico, por lo que los costes de producción de electricidad disminuyen. Se estima que la eficiencia del ciclo puede aumentar un 10%, y que el nivel de producción de energía eléctrica se podría elevar un 20%.

La idea del uso de receptores de vapor sobrecalentado en sistemas de concentración solar de torre fue implementada en los proyectos de Cesa-1 y Solar One en los años 80. El proyecto Cesa-1, ubicado en la Plataforma Solar de Almería, contaba con un receptor de cavidad conformado por un evaporador y dos haces sobrecalentadores superpuestos al evaporador. El receptor de Solar One era de configuración cilíndrica abierta, más fácil de construir que el de Cesa-1 pero con mayores pérdidas térmicas.

En ambos proyectos se presentaron inconvenientes técnicos al operar las plantas, relacionados principalmente con la resistencia de los materiales y con el control del sistema ante estados transitorios. En Solar One, aparecieron grietas en la parte superior de los subpaneles del receptor, causadas por la diferencia de temperatura entre un panel y otro, lo que ocasionó fugas del fluido de trabajo; la solución planteada, fue la disminución del gradiente de temperatura entre paneles con algunas modificaciones estructurales. En Cesa-1, los problemas experimentados fueron causados por la inercia térmica del sistema que causaban inundaciones en los colectores del sobrecalentador.

Según lo expuesto anteriormente, los receptores de vapor sobrecalentado pueden presentar daños en su estructura debido a las altas temperaturas de operación, a la distribución del flujo incidente (no uniforme) y a las tensiones térmicas a las que está sometido el material. Los ciclos térmicos, son generados por la exposición de la superficie al ambiente, a la radiación reflejada por los helióstatos (con la que se alcanzan temperaturas cercanas a 600ºC), y al gradiente de temperatura del fluido de trabajo entre la entrada y la salida del componente (se alimenta vapor entre 250-310ºC y sale a 540ºC).

Los mencionados inconvenientes de los receptores de vapor sobrecalentado, pueden reducirse eliminando la coexistencia de fases líquido-vapor en el interior de los tubos y mediante una configuración adecuada de los elementos que conforman el componente solar. Es aquí donde radica la importancia del diseño y configuración del receptor, a través de la que se pueda operar correctamente, con la que se facilite el control del sistema y se garantice la integridad de la estructura y su durabilidad.

Descripción de la invención

Esta invención propone el diseño de un receptor central de torre de vapor sobrecalentado, con una configuración definida que facilita el funcionamiento del componente y el control de su operación en plantas solares.

La principal ventaja del diseño objeto de esta invención, es que su implementación permite aumentar la vida útil del receptor, puesto que el fluido de trabajo se hace circular por un circuito definido a través de los subpaneles que conforman el receptor, por el que se logra disminuir la diferencia de temperaturas entre paneles adyacentes y las tensiones térmicas experimentadas por el material causantes de daños en la estructura, como fracturas y agrietamientos.

Este receptor, de tipo cavidad, es alimentado por una corriente de vapor saturado, que es sobrecalentado a medida que avanza en su recorrido por acción de la radiación solar reflejada por los helióstatos y concentrada en el receptor. El vapor saturado de alimentación puede provenir de cualquier otra fuente, incluso de aquellas que utilizan tecnologías de concentración solar para su producción, por lo que el diseño del receptor propuesto puede usarse en combinación con otro tipo de plantas solares. Así mismo, este receptor permite plantear la posibilidad de implementar un sistema de almacenamiento de energía en forma de agua-vapor o almacenamiento en sales.

La configuración propuesta de receptor, está formada por una serie de subpaneles en los que se concentra la radiación solar. Los subpaneles se encuentran adyacentes unos de otros con una disposición geométrica semicilíndrica, de manera que gracias a ésta configuración se consigue recoger toda la energía solar proveniente del campo de helióstatos.

Cada subpanel está compuesto por un haz de tubos verticales por cuyo interior circula el fluido de trabajo que es alimentado por la parte superior de los subpaneles centrales del receptor y desde ahí va circulando hacia los subpaneles adyacentes.

Así mismo, cada subpanel está compuesto por al menos dos pasos, entendiendo como pasos aquella zona del subpanel constituida por un conjunto de tubos en los que la circulación del vapor se produce en el mismo sentido (de arriba abajo o al revés), siendo la corriente saliente del último paso de cada subpanel la que alimenta el subpanel adyacente.

Las ventajas que proporciona el uso de pasos en cada subpanel son que favorece la transferencia de calor entre la superficie del receptor y el fluido y además, permite aumentar el caudal del fluido que circula por el receptor.

Esta configuración hace que los gradientes en la superficie del receptor sean mínimos, gracias a que se consigue la refrigeración de las zonas de máximo flujo de potencia irradiante incidente iniciando el paso del vapor a menor temperatura por las zonas centrales del receptor, por tanto el recorrido del vapor se ha definido en relación a la distribución del flujo incidente.

El receptor descrito, hace posible el aumento de la eficiencia del ciclo termodinámico, superior a la obtenida con receptores de vapor saturado gracias a que al usar vapor sobrecalentado como fluido de trabajo se aumenta el rendimiento de la turbina. La configuración propuesta minimiza los riesgos tecnológicos que se presentan en otros receptores de igual aplicación, en los que los ciclos térmicos que debe soportar el material son más fuertes y por tanto tienen un mayor impacto en el material.

Este dispositivo permite entonces solventar los inconvenientes que presenta la tecnología de receptores de vapor sobrecalentado y proporciona ventajas por su utilización, tales como la disminución del riesgo de daños en la estructura y el material del receptor, aumento de la eficiencia del ciclo termodinámico, facilidad de control del sistema y reducción de costes de mantenimiento y de generación de electricidad.

Descripción de los dibujos

1. Receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre caracterizado por ser alimentado con vapor saturado y estar constituido por una serie de subpaneles conectados en serie a través de los que circula el vapor, comprendiendo cada uno de ellos al menos dos pasos o zonas del subpanel constituidas por un conjunto de tubos verticales en los que la circulación del vapor se produce en el mismo sentido. Los subpaneles se encuentran adyacentes unos de otros con una disposición geométrica semicilíndrica orientada hacia el lugar de apunte de los helióstatos. La alimentación de corriente de vapor saturado se realiza por la parte alta de los subpaneles centrales que conforman el receptor y va circulando a través de los dos pasos del primer subpanel y siguientes, hasta que sale como vapor sobrecalentado.

2. Receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre según reivindicación 1 caracterizado porque funciona en combinación con otro tipo de tecnología de concentración solar para la producción del vapor saturado que alimenta el receptor.

3. Receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre según reivindicación 1 caracterizado porque cuenta con un sistema de almacenamiento de energía en forma de agua-vapor o almacenamiento en sales.