Sistema y procedimiento de acumulación de vapor en tanques para aplicación solar formado por dos grupos de tanques o acumuladores (1,

2) tipo Ruths, denominados grupo base y grupo de sobrecalentamiento, iguales entre sí y compuestos cada uno de ellos por una entrada de vapor saturado (3), unos inyectores de vapor (10) instalados en el interior del tanque (1, 2), una salida de vapor (4,4') con una válvula (13) y un drenaje (11). Entre ambos grupos de tanques (1, 2) se instala un intercambiador de calor (6). El procedimiento de almacenamiento se compone de una etapa de carga de los tanques y otra de descarga de los mismos, estando esta última formada por dos fases de descarga la primera de una presión máxima a una intermedia y la segunda de una presión intermedia a una mínima

Sistema y procedimiento de acumulación de vapor en tanques para aplicación solar.

Sector técnico de la invención

El procedimiento que se describe en la presente invención se encuadra dentro del sector de la acumulación de vapor a altas presiones, más concretamente para aplicaciones termosolares en la producción de energía eléctrica.

Antecedentes de la invención

El almacenamiento en plantas termosolares para la generación de energía eléctrica se hace indispensable para que esta tecnología se presente madura.

El almacenamiento es clave para rentabilizar al máximo las grandes inversiones que suponen los campos solares. Al mismo tiempo es imprescindible para que la producción de energía a partir de esta tecnología renovable se presente como gestionable.

La gestionabilidad está convirtiéndose en los últimos tiempos en un requisito cada vez más indispensable en plantas de generación eléctrica.

El uso de almacenamiento cubre varias finalidades dentro de una planta solar. Por un lado, permite aumentar la producción, tanto aumentando la carga en horas de alta irradiancia como extendiendo ésta a los periodos nocturnos. Esto, como ya se ha mencionado, consigue maximizar la rentabilidad de la inversión. Por otro lado, permite operar en continuo aún en presencia de periodos nubosos (condiciones transitorias de radiación). Y por último, permite un funcionamiento continuo de la turbina durante largos periodos, reduciendo los ciclos de arranque y parada, disminuyendo por tanto las tensiones térmicas a las que se somete este equipo.

Las tensiones térmicas son las responsables de algunos de los fallos más fatales de una turbina, elemento clave, al mismo tiempo que costoso, de una central termoeléctrica. El estado del arte actual en la acumulación de energía en centrales termosolares se dirige en gran medida a la acumulación a través de medio líquido, bien aceite térmico, bien en sales fundidas.

Además de los elevados costos asociados a estas dos tecnologías existen otros inconvenientes. El principal inconveniente del aceite térmico es su impacto medioambiental, al tratarse de un producto inflamable y en cierto rango tóxico. En el caso de las sales los inconvenientes se deben más a riesgos técnicos. Las sales tienen un alto riesgo de congelación en condiciones normales de operación puesto que tienen un punto de congelación muy elevado (entre 140 y 230ºC). Esto requiere un diseño complejo y costoso para el traceado de tuberías y equipos.

Con la acumulación en vapor se eliminan por completo todos esos riesgos y se independiza además el costo del almacenamiento de las variaciones del mercado de sales y aceite.

Además, las plantas termosolares aprovechan la radiación directa del sol, concentrándola y generando vapor. Sin embargo, la radiación solar presenta un perfil variable que depende de una gran cantidad de factores, entre ellos la nubosidad. La nubosidad hace que la radiación que alcanza las superficies colectoras de un campo solar fluctúe de manera importante en tiempos muy cortos. Es necesario que el sistema tenga un tiempo de reacción lo más próximo posible al de estas variaciones para evitar que estas mismas se transmitan al sistema de generación o turbina, lo cual sería fatal para su durabilidad. La frecuencia de estos periodos transitorios varía según el lugar del mundo, pero no son en ningún caso despreciables.

A diferencia de las sales y aceite, con la acumulación en vapor se asegura una alimentación prácticamente inmediata al sistema generador o turbina.

Aún así, el principal inconveniente de la acumulación en vapor son los costes asociados a los grandes volúmenes requeridos. La presente invención presenta una propuesta para la minimización de costes en almacenamiento haciendo uso de tanques que almacenan en un rango importante de presiones con una geometría adecuada.

La capacidad de almacenamiento del tanque es proporcional a la diferencia de presiones con las que trabaja el tanque. Así un mismo volumen será aprovechado tanto más cuanto mayor sea esta diferencia.

Como inconveniente al aumento de la presión en el tanque, es necesaria una mayor resistencia del buffer. Esto se traduce en un aumento de costos, sin embargo este costo puede verse reducido si se construyen los tanques de modo que su diseño sea óptimo en cuanto al reparto de tensiones.

Otro de los inconvenientes que plantea el uso de acumulación en vapor es el hecho de que únicamente es posible una descarga de vapor saturado. Para preservar la durabilidad de una turbina de vapor es imprescindible que se mantengan las condiciones especificadas por el fabricante.

Uno de los puntos más críticos en una turbina de vapor es el grado de humedad del fluido que se expansiona en los últimos escalonamientos. El vapor al expansionarse desde el estado inicial de entrada a la turbina sufre una bajada de presión acompañada de un enfriamiento que hace que el fluido vaya perdiendo la energía que contenía para transformarla en trabajo mecánico. Esta pérdida de energía en los últimos escalonamientos se convierte en una condensación parcial. En el último escalonamiento de la turbina, el vapor deja de ser un vapor seco para convertirse en un vapor húmedo, que como tal contiene ciertas gotas de agua líquida. Estas gotas de agua actúan cómo pequeños proyectiles que al contacto con los álabes de la turbina pueden dañarla. Es por eso que el último escalonamiento de una turbina de vapor está diseñado con materiales reforzados, pero aún así es imprescindible asegurar que el grado de humedad de este vapor no sobrepasa unos límites, en caso contrario este refuerzo de los álabes no sería suficiente y la turbina se dañaría irreversiblemente.

Por esta razón la calidad de vapor de entrada a una turbina es un parámetro crítico. Si se trata de una turbina que trabaja con vapor saturado se podrá libremente alimentar el equipo con un vapor de este tipo ya que el fabricante ha realizado un diseño apropiado para esta entrada. Sin embargo, si se trata de una turbina de vapor sobrecalentado y la turbina es alimentada con un vapor sin sobrecalentar (vapor saturado) es inevitable que la turbina se dañe debido a la elevada humedad con la que llegaría el vapor a los últimos escalonamientos.

La presente invención solventa todos estos inconvenientes planteados logrando un sistema de acumulación de vapor óptimo, tal y como se describe a continuación.

Descripción de la invención

La presente invención propone utilizar en las plantas termosolares de generación de energía eléctrica la acumulación en vapor mediante tanques esféricos o semiesféricos a altas presiones, determinando además los procedimientos concretos para la carga y la descarga de modo que la capacidad de éstos sea óptimamente aprovechada.

Así pues, la presente invención propone la acumulación de vapor desde presiones mayores o iguales a 100 bar hasta presiones en el entorno de 20 bar y, para que el reparto de tensiones que se produce en los depósitos se lleve a cabo, la invención plantea el uso de tanques esféricos. Este tipo de tanque permite la acumulación de vapor para una determinada presión con espesores menores a los de los tanques cilíndricos, lo cual permite una reducción importante de costos, gracias a la disminución en la cantidad de material requerido.

Estos tanques de geometría esférica podrían ser construidos tanto en metal como en hormigón pretensado o en cualquier material equivalente.

Además, el sistema de almacenamiento a altas presiones que se presenta, cuenta con otra ventaja adicional: es capaz de trabajar no sólo con vapor saturado sino también con vapor sobrecalentado.

Más concretamente, la acumulación de vapor a la que se refiere la presente invención hace uso de un sistema tipo Ruths. El sistema tipo Ruths consiste en un depósito parcialmente lleno de agua en equilibrio con un vapor que ocupa el resto del volumen.

El tanque o acumulador es cargado mediante un vapor que se produce externamente. Este vapor cede su calor al resto de fluido existente en el tanque, por condensación.

En la descarga del acumulador se produce una caída de presión que provoca una evaporación flash en el interior del mismo, lo que se traduce en una generación espontánea de vapor que se descargará a continuación. Una de las principales características de este...

1. Sistema de acumulación de vapor en tanques para aplicación solar caracterizado porque está formado por dos grupos de tanques tipo Ruths, denominados grupo base (1) y grupo de sobrecalentamiento (2), iguales entre sí y compuestos cada uno de ellos por una entrada de vapor saturado (3), unos inyectores de vapor (10) instalados en el interior del tanque (1, 2), una salida de vapor (4, 4') con una válvula (13) y un drenaje (11). Entre ambos grupos de tanques (1, 2) se instala un intercambiador de calor (6).

2. Sistema de acumulación de vapor según reivindicación 1 caracterizado porque los tanques son de geometría esférica.

3. Sistema de acumulación de vapor según reivindicación 1 caracterizado porque los tanques podrían ser construidos tanto en metal como en hormigón pretensado.

4. Procedimiento de acumulación de vapor para aplicación solar en tanques como los reivindicados anteriormente caracterizado porque conlleva una fase de carga del sistema y otra etapa de descarga del mismo donde: