TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA DE DOS TEMPERATURAS.

Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas que comprende una barrera (13) que flota en la superficie de contacto de dos masas de fluido almacenado a diferentes temperaturas,

debido a la diferencia de densidad entre dichas masas de fluido, y en el que dicha barrera (13) tiene una densidad intermedia entre los fluidos almacenados a sus diferentes temperaturas nominales, dicha barrera (13) comprendiendo al menos, una carcasa exterior estanca a los fluidos (21) y un material de relleno dentro de la carcasa exterior estanca a los fluidos (21); caracterizado porque dicho material de relleno está fabricado de un material rígido y resistente a la compresión, y dispuesto dentro de la carcasa exterior (21), permitiendo dilatación térmica a los diferentes elementos sin ninguna restricción

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere en general al campo de los sistemas de almacenamiento de energía térmica, y más en particular a las mejoras en el diseño de tanques de almacenamiento de termoclina. Un tanque de almacenamiento de energía de dos temperaturas según el preámbulo de la reivindicación 1, es conocido de US4523629

Antecedentes de la invención

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica se utilizan en general en aplicaciones en las que es necesario separar la captación de energía del suministro de energía. Los sistemas de captación de energía solar son un ejemplo típico de esto, puesto que puede existir normalmente una demanda de energía durante periodos sin radiación solar, cuando no puede captarse energía, pero es necesario todavía suministrar energía para satisfacer dicha demanda.

El tamaño de los sistemas de captación de energía solar puede variar desde sistemas de captación domésticos pequeños, utilizados para calentar agua, a sistemas de captación mucho más grandes, como los de plantas generadoras solares eléctricas.

Un modo de almacenar energía térmica consiste en emplear el calor sensible de un fluido. Durante periodos con radiación solar, la energía térmica se almacena calentando dicho fluido, de modo que tras enfriar el fluido durante periodos sin radiación solar se suministrará energía térmica para satisfacer la demanda de energía durante los periodos, en los que la captación de energía no está disponible.

Un diseño común de un sistema de almacenamiento de calor sensible en plantas generadoras solares comprende dos tanques de almacenamiento, que contienen un volumen de fluido térmico. Cada uno de los tanques contiene dicho fluido a una temperatura diferente, de modo que uno de los tanques contiene un volumen de fluido térmico a una temperatura dada “fría”, y el otro tanque contiene un volumen de fluido térmico a una temperatura dada más caliente.

Durante el funcionamiento de la planta, en periodos con radiación solar, el fluido térmico se extrae del tanque frío y se calienta utilizando energía térmica procedente del sistema de captación solar, vertiéndolo a continuación al tanque caliente. En periodos sin radiación solar, el fluido térmico se extrae del tanque caliente, haciéndolo fluir a través de un intercambiador de calor donde se enfría, proporcionando así la energía térmica necesaria para la generación de potencia eléctrica.

Debe observarse que con el sistema de almacenamiento descrito, cada uno de los tanques tiene que dimensionarse para contener la totalidad del volumen del fluido térmico, de modo que la capacidad total de almacenamiento del sistema es realmente el doble del volumen total de las existencias de fluido de almacenamiento térmico de la planta.

En la práctica, los tanques del sistema de almacenamiento de una planta generadora solar pueden alcanzar tamaños considerables, y la necesidad del volumen de almacenamiento “redundante” antes mencionado conduce a varios inconvenientes en términos de costes de fabricación del tanque adicional, aumento de pérdidas térmicas del sistema de almacenamiento o los costes del equipo auxiliar, el sistema de tuberías, etc., asociados con el tanque adicional.

Por tanto, se hace deseable eliminar el volumen redundante del sistema de almacenamiento, y existen actualmente varios enfoques que ofrecen soluciones a este problema. La solución más común es el tanque de termoclina, en el que la totalidad del volumen del fluido térmico está contenido en un único tanque. En este único tanque, las dos masas de fluido frío y caliente se almacenan una encima de otra, y la estratificación natural o termoclina que resulta de la diferencia de densidad del fluido a las dos temperaturas diferentes las mantiene sustancialmente separadas. Es decir, el fluido frío, que normalmente es más denso que el fluido caliente se almacena por debajo del fluido caliente, y las fuerzas de empuje que resultan de esta diferencia de densidad ayudan a mantener las dos masas de fluido separadas, con un cambio bastante pronunciado de temperatura en la superficie de contacto entre las mismas.

Cuando se capta la energía térmica, el fluido frío se extrae de la parte inferior del tanque y el fluido calentado vuelve a la parte superior del tanque, y cuando debe suministrarse energía térmica el fluido caliente se retira de la parte superior del tanque, y el fluido frío vuelve a la parte inferior del tanque.

Como la cantidad del fluido a una de las temperaturas que está extrayéndose del tanque es siempre esencialmente igual a la cantidad de fluido que se introduce a la otra temperatura, la masa total del fluido almacenado en el tanque permanece esencialmente constante a lo largo de todo el ciclo de funcionamiento del sistema de almacenamiento. De este modo, el tanque de termoclina único siempre está trabajando en toda su capacidad (es decir, está lleno, o casi lleno, de fluido almacenado), optimizando la eficacia de almacenamiento.

Sin embargo, varios fenómenos como la transmisión de calor por conducción entre las dos masas de fluido, o las corrientes de convección que resultan del efecto combinado de estratificación natural y pérdidas de energía de borde del tanque pueden degradar significativamente el perfil térmico vertical del fluido contenido en el tanque, particularmente cuando la zona de superficie de contacto está próxima a la parte inferior o a la parte superior del tanque.

Una variante del tanque de termoclina descrito es el tanque de termoclina de medio mezclado, en la que el tanque se llena no sólo de fluido térmico, sino también con alguna clase de material sólido. El material sólido contribuye a la capacitancia térmica total del sistema, y normalmente es más económico que el fluido térmico. Además ayuda a inhibir la transferencia por masa de convección entre los fluidos frío y caliente, haciendo la termoclina más eficaz que en el caso de un tanque de almacenamiento de un único medio.

Sin embargo, surgen algunos problemas relacionados con el uso de un medio de almacenamiento mezclado fluido-sólido, y estos incluyen:

(a) la compatibilidad y estabilidad física/química a largo plazo del medio sólido en contacto con el fluido térmico y sometido a ciclo térmico.

(b) la decantación del medio sólido en la parte inferior del tanque como resultado de los ciclos repetidos de funcionamiento, que resulta en aumento de tensiones en las paredes del tanque próximas a la parte inferior, y que conduce a la necesidad de paredes de tanque más gruesas.

Diversas patentes han descrito ya conceptos de almacenamiento de termoclina similares a estos, por ejemplo, las patentes estadounidenses números 4.124.061 y 5.197.513.

En la presente solicitud de patente se describe una variante mejorada del sistema de almacenamiento de termoclina. En la solución descrita, se emplea una barrera física horizontal para separar y aislar térmicamente las dos masas de fluido. La barrera física tiene una densidad intermedia entre la densidad más alta del fluido frío y la densidad más baja del fluido caliente, de modo que flota en la superficie de contacto entre los dos fluidos y se desplaza junto con esta superficie de contacto en una dirección vertical dentro del tanque.

Debido a esta característica, el elemento de barrera se desplaza verticalmente en el interior del tanque siguiendo la superficie de contacto entre los fluidos almacenados frío y caliente, alcanzando de manera natural una posición vertical coincidente con la de dicha superficie de contacto.

Considerando como ejemplo el ciclo de trabajo diario típico del sistema de almacenamiento de una planta generadora solar térmica, a primera hora de la mañana el tanque único de almacenamiento considerado en esta invención está lleno de fluido más frío, quedando quizá sólo una mínima cantidad de fluido más caliente en la parte superior, y el elemento de barrera está próximo a la parte superior del tanque.

Durante el día, como se capta energía térmica del campo solar, el fluido más frío se extrae del tanque, al mismo tiempo que el fluido más caliente se introduce en el tanque. A medida que la cantidad de fluido más caliente aumenta y la cantidad de fluido más frío disminuye, la región de superficie de contacto entre los fluidos más frío y más caliente se mueve verticalmente hacia la parte inferior del tanque, con el elemento de barrera siguiéndola.... [Seguir leyendo]

1. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas que comprende una barrera (13) que flota en la superficie de contacto de dos masas de fluido almacenado a diferentes temperaturas, debido a la diferencia de densidad entre dichas masas de fluido, y en el que dicha barrera (13) tiene una densidad intermedia entre los fluidos almacenados a sus diferentes temperaturas nominales,

dicha barrera (13) comprendiendo al menos,

una carcasa exterior estanca a los fluidos (21) y

un material de relleno dentro de la carcasa exterior estanca a los fluidos (21); caracterizado porque dicho material de relleno está fabricado de un material rígido y resistente a la compresión, y dispuesto dentro de la carcasa exterior (21), permitiendo dilatación térmica a los diferentes elementos sin ninguna restricción.

2. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 1, caracterizado porque el material de relleno comprende además, al menos:

una primera capa de aislamiento horizontal (23);

una segunda capa de ajuste de densidad horizontal (22).

3. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el material de relleno comprende además una capa de separación (24) entre las capas horizontales primera y segunda (23,22).

4. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque la carcasa exterior estanca a los fluidos (21) está fabricada del mismo material de construcción de la carcasa de tanque y porque dicho material es acero al carbono para las temperaturas superiores de funcionamiento por debajo de 400ºC – 450ºC y acero inoxidable para los valores de funcionamiento superiores por encima de 400ºC – 450ºC.

5. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los materiales de las capas horizontales primera y segunda (23,22) se suministran en forma granular o en piezas individuales pequeñas.

6. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la barrera (13) comprende además una pluralidad de lastres externos (33,34) para proporcionar ajustes adicionales de peso o para equilibrar la barrera (13).

7. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 6, caracterizado porque los lastres externos (33,34) son al menos uno, seleccionado de:

lastres ajustables externos (34);

lastres no ajustables externos (33).

8. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la carcasa exterior estanca a los fluidos (21) de la barrera (13) está compuesta por un único cuerpo que comprende:

una primera placa de arriba (21a);

una segunda placa de parte inferior (21b);

una tercera placa vertical (21c) que cierra el espacio periférico entre las placas primera y segunda (21a,21b)

9. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 8, caracterizado porque al menos una de dichas primera placa de arriba (21a) y segunda placa de parte inferior (21b) tienen una geometría no plana.

10. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 9, caracterizado porque dicha geometría no plana es, al menos una, seleccionada de:

geometría cónica;

geometría poligonal;

geometría esférica.

11. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 8, caracterizado porque la tercera placa vertical (21c) tiene una forma ondulada o corrugada para la línea de contorno de sección transversal circunferencial de la placa.

12. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la línea de contorno de sección transversal circunferencial de la carcasa de barrera exterior

(21) tiene varios lóbulos ondulados o rectos (31) cerca de su perímetro exterior, para aumentar la flexibilidad en la conexión entre las placas de arriba (21a) y de abajo (21b) de la carcasa de barrera (21) y por consiguiente reducir la deformación térmica de la carcasa de barrera (21).

13. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicha barrera (13) está dividida en una pluralidad de cuerpos separados e independientes (51), comprendiendo cada uno de los cuerpos (51):

una carcasa exterior estanca a los fluidos (21); y

un material de relleno dentro de la carcasa exterior estanca a los fluidos (21);

y porque dicho material de relleno está fabricado de materiales rígidos y resistentes a la compresión, y dispuestos dentro de la carcasa exterior (21) en forma suelta, permitiendo dilatación térmica a los diferentes elementos sin ninguna restricción.

14. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 13, caracterizado porque los diferentes cuerpos (51) de la barrera (13) están ensamblados entre sí, de modo que se garantiza su cohesión mientras que se permite libertad relativa entre los mismos, debido a las cuerdas o cadenas (53) que ensamblan cuerpos adyacentes (51).

15. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la barrera (13) comprende además al menos un orificio pasante horizontal (26).

16. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 15, caracterizado porque se proporciona al menos un collarín de cierre (28) para los orificios pasantes (26) de barrera en forma de juntas de expansión o mangueras metálicas flexibles, para tener suficiente flexibilidad para adaptarse adecuadamente a la diferencia de expansiones térmicas entre las placas de arriba y de abajo (21a,21b) de la carcasa de barrera (21).

17. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 15, caracterizado porque al menos un orificio se engancha a una columna (27) fijada al tanque (2).

18. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según la reivindicación 17, caracterizado porque dicha columna (27) tiene una sección tubular para minimizar la conducción de calor a través de la misma y para permitir su uso para otros fines, tal como paso de instrumentos o conducción de fluido.

19. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque la barrera (13) también comprende una pluralidad de nervaduras (29) acopladas tanto a las placas de arriba como de abajo (21a,21b) de la carcasa exterior estanca a los fluidos (21), para proporcionar resistencia estructural.

20. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado porque se añaden varias patas (25) a la barrera (13), para soportar su peso y para limitar su movimiento descendente dentro del tanque (2).