CENTRAL SOLAR TÉRMICA PARA GENERACIÓN DIRECTA DE VAPOR.

Central solar térmica para generación directa de vapor.

Central de módulos de colectores solares (15) que concentran la radiación sobre una pluralidad de tubos (11) por cuyo interior circula un fluido que en parte se convierte en vapor,

existiendo tras cada módulo un tambor (16) de separación bifásica, del cual emerge el vapor por su parte superior, por un conducto (18) que lo lleva a la turbina (2), saliendo la fase líquida para entrar en el siguiente módulo, antes de lo cual se complementa con aportación de líquido igual a lo evaporado en el módulo anterior, y se presuriza al nivel que le permita al vapor subsiguiente ir por su conducto (18) desde el tambor (16) de separación hasta la turbina (2). Tras su paso por ésta y el condensador (4), se bombea el condensado para volver a ser inyectado en los módulos de colector.

Central solar térmica para generación directa de vapor.

Sector de la técnica La invención se encuadra en el campo de la ingeniería solar térmica de generación de energía, y más concretamente en las instalaciones en las que se genera un vapor de alta entalpía en el interior de un conjunto de tubos, sobre los que incide directamente radiación solar concentrada. La configuración de las plantas es muy variada, predominando las plantas que generan el vapor indirectamente, y no en los mismos tubos o circuitos donde incide la radiación solar concentrada, como es el caso de la invención. Hay que tener además en cuenta que las plantas termo-solares pueden concebirse y construirse en varias morfologías, que básicamente se resumen en dos opciones: las de captación de calor concentrada, como son las de torre central y de discos parabólicos, en las cuales la captación concentrada incide en un pequeño volumen; y las de captación distribuida, como son las de colectores cilindro-parabólicos y las de espejos Fresnel, en las cuales el calor de la radiación solar concentrada se capta a lo largo de una gran longitud, pues la energía total captada por cada metro de tubo es muy limitada. Como dato orientativo se tiene que una planta de 50 MW eléctricos con colectores cilindro-parabólicos tiene una longitud de colectores de unos 50 km. Aunque vayan los colectores agrupados en circuitos en paralelo, se tiene el problema de que la generación directa de vapor dentro de los tubos crearía una amplia malla de flujo bifásico, difícil de controlar en su movimiento debido a la pérdida de carga manométrica tan elevada que se produce cuando el título de vapor del flujo bifásico aumenta, incluso ligeramente, pues ya con un título del 15%, la pérdida de carga alcanza valores notables.

La invención se aplica a plantas de captación distribuida.

Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención El problema que específicamente se quiere resolver es el de generar vapor de manera geométricamente ordenada, sin tener flujos bifásicos de alto título recorriendo grandes extensiones, lo cual consume altas potencias de bombeo para superar las elevadas pérdidas de carga manométrica, y comporta además grandes problemas de estabilidad hidrodinámica.

Ese problema no se presenta en las plantas de captación concentrada, como es la propuesta en la solicitud de patente "Caldera Solar" ES 2272194 A1, y en otras variantes como WO 2011030331 A2 y WO 2011039363 A2, sino que es propio de las de captación distribuida. En ellas se ha de optimizar la gestión energética de captación de calor, separando los campos solares para las funciones de precalentamiento, ebullición y sobrecalentamiento, aunque el de ebullición es el más extenso, pues es en el que se produce la mayor captación de energía por unidad de masa de fluido. Ese problema quedó solucionado con la patente ES 2334198 B2, pero el problema de configurar apropiadamente el campo solar de la ebullición está por recibir una solución apropiada. Las propuestas de los documentos WO 2010032238 A2, WO 2011051124 y WO 2011051118 A1 están ligadas al problema anterior de la gestión de energía, ofreciendo soluciones particulares que para nada incluyen configuraciones específicas del campo solar de la ebullición. Similarmente, las propuestas de WO 2011080038 A2 y WO 2011080021 A2 hacen referencia a la optimización del campo solar, con sus secciones de ebullición y sobrecalentamiento, para su acoplamiento con la turbina de vapor, y la configuración interior que tenga ésta.

Por último cabe citar la propuesta del documento EP2288810 A2, que se asemeja a la "Caldera solar" antes citada, incluyendo un separador de vapor para la recirculación del líquido. Conviene recordar que el coeficiente de película en la ebullición es muy alto en la zona de ebullición nucleada, pero no se debe agotar ésta, para no alcanzar la crisis de ebullición, que pondría en peligro la correcta refrigeración de los tubos. No obstante, en lo referente al concepto de la invención, que trata de la configuración del campo solar donde se produce la ebullición, ni esta propuesta ni las anteriores contienen nada similar a la invención.

Descripción de la invención La invención consiste en estructurar el campo de colectores solares de una planta de generación de vapor, en su parte o sección correspondiente a la ebullición del fluido de trabajo, o calorífero, que es el que hierve, según un sistema modular para cada rama de colectores en serie, constando cada módulo consecutivo de:

- un colector, o una pluralidad de colectores solares en serie, por dentro de cuyo tubo o tubos tiene lugar la ebullición del fluido, teniendo dicho tubo o pluralidad de tubos consecutivos, una sola boca de entrada del fluido, y una sola boca de salida;

- una bomba de impulsión, ubicada previamente a dicha boca de entrada al tubo, y que inyecta en el tubo el fluido recibido en el canal de aspiración de la bomba;

- un tambor de separación del vapor saturado al que llega todo el fluido según sale de la boca de salida del tubo o tubos, y que a su vez tiene dos conductos de salida, uno de ellos por el que fluye el vapor hacia su aplicación o finalidad, que comúnmente es dispensar vapor a una turbina, y otro por el que fluye la fase líquida hacia el siguiente módulo, teniendo el tambor de separación forma predominantemente vertical, para consumar por gravedad la separación de fases; y teniendo cada una de dichos conductos de salida respectivas válvulas de control de paso y regulación;

- una unión de conductos en la que se juntan el conducto de salida de la fase líquida del tambor de separación

y un conducto procedente del tanque de aportación del líquido de trabajo o calorífero, estando este último conducto dotado de su válvula de control de paso;

- un conducto de salida de la unión, que evacua todo el flujo que llega a la unión de conductos antedicha,

estando conectado este conducto de salida a la toma de aspiración de la bomba del siguiente módulo, por lo que se denomina conducto de aportación de líquido.

La alimentación de la bomba del primer módulo de una cadena de ellos, se realiza desde el tanque de aportación de líquido calorífero, desde el cual parte también, en paralelo, un conducto de complementación de fluido, que compensa en masa, para todos los módulos menos el primero de la cadena, la masa hervida en el módulo anterior. Dicho conducto de complementación va desde el tanque de aportación de líquido calorífero al tanque de recepción, y parten de él, como derivaciones parciales, los conductos que van a la unión previa a la bomba de cada módulo.

Del tambor de separación del último módulo, la fase líquida se dirige al tanque de recepción del líquido de trabajo mediante un conducto, incluyendo en dicho conducto una válvula y una bomba para ajustar la presión de esa corriente a la de dicho tanque de recepción.

Como variante en la configuración de complementación de fluido, se disponen para ello dos tramos o semi-ramales, partiendo uno desde el tanque de aportación, y llegando hasta complementar la mitad de los módulos, o alternativamente uno más; y partiendo otro conducto desde el tanque de recepción, fluyendo en contra-paralelo al fluido principal, para complementar la segunda mitad de los módulos, o alternativamente uno menos.

Cada conducto de vapor saturado que emerge de la parte superior de cada tambor de separación de cada módulo, fluye como tal vapor saturado a la presión a la que se encuentra, hasta llegar al dispensador de vapor; y de ser insuficiente la presión del correspondiente tambor de separación, se eleva la altura manométrica dada por la bomba de impulsión o cabecera del módulo en cuestión.

En los casos en que la presión, el caudal, o ambos, de un flujo de vapor sean superiores al valor de consigna, se desvía parte del vapor a un almacenamiento, mediante la apertura de la correspondiente válvula de alivio, alojada en el conducto de vapor, antes del dispensador, y cuya apertura comunica el vapor con el conducto de alivio. Como regulación alternativa en este caso, se baja la potencia de la bomba de impulsión del módulo en cuestión.

La invención incluye un procedimiento de control de la planta, el cual parte de la presión de consigna del vapor saturado que llena el dispensador, que o bien está fijado por la presión de entrada a la turbina, si entra como vapor saturado, o bien es la entrada en la sección de sobrecalentamiento, si la turbina se alimenta con vapor sobrecalentado. El sobrecalentador puede incorporarse...

1. Central solar térmica para generación directa de vapor, basada en módulos de colectores solares (15) que concentran la radiación solar sobre un tubo (11) o una pluralidad de tubos (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) por cuyo interior circula un fluido de trabajo o calorífero, que en parte se convierte en vapor, caracterizado por que el sistema se estructura en módulos consecutivos de funcionamiento, cada uno de ellos sustancialmente similar a los demás, comprendiendo:

- al menos un colector (15) , o una pluralidad de colectores solares (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) en serie, por dentro de cuyo tubo (11) o tubos (11a, 11b, 11c, 11 d, 11e) tiene lugar la ebullición del fluido, teniendo dicho tubo (11) , o pluralidad de tubos (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) consecutivos, una sola boca de entrada del fluido, y una sola boca de salida;

- al menos una bomba de impulsión (12) , o una pluralidad de bombas de impulsión (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) , ubicada previamente a dicha boca de entrada al tubo (11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e) , y que inyecta en el tubo (11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e) el fluido recibido en el canal de aspiración de la bomba (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e) ;

- al menos un tambor de separación (16) del vapor saturado, o una pluralidad de tambores de separación (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) , al que llega todo el fluido según sale de la boca de salida del tubo (11) o tubos (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) , y que a su vez tiene dos conductos de salida, uno de ellos (18, 18a, 18b, 18c, 18d, I8e) por el fluye el vapor hacia su aplicación o finalidad, que comúnmente es dispensar vapor a una turbina (2) , y otro (19, 19a, 19b, 19c, 19d) por el que fluye la fase líquida hacia el siguiente módulo de colector, teniendo el tambor de separación (16) , o la pluralidad de tambores de separación (16a, 16b, 16c, 16d, 16e) , forma predominantemente vertical, para consumar por gravedad la separación de fases; y teniendo cada uno de dichos conductos de salida (18, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e) respectivas válvulas de control de paso y regulación (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) ;

- una unión (21, 21a, 21b, 21c, 21 d) de conductos en la que se juntan el conducto de salida (19, 19a, 19b, 19c, 19d) de la fase líquida del tambor de separación (16, 16a, 16b, 16c, 16d) y un conducto (22, 22a, 22b, 22c, 22d) procedente del tanque de aportación (6) del líquido de trabajo o calorífero, estando este último tubo o conducto (22, 22a, 22b, 22c, 22d) dotado de su válvula de control de paso (23, 23a, 23b, 23c, 23d) ;

- un conducto de salida (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) de dicha unión (21, 21a, 21b, 21c, 21 d) , que evacua todo el flujo que llega a la unión de conductos antedicha, estando conectado este conducto (11a, 11b, 11c, 11d, 11e) de salida a la toma de aspiración de la bomba (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) del siguiente módulo, por lo que se denomina conducto de aportación de líquido.

2. Central solar térmica para generación directa de vapor, según la reivindicación primera, caracterizado por que la alimentación de la bomba (12) del primer módulo (15) de una cadena de ellos, se realiza desde el tanque de aportación (6) de líquido calorífero, desde el cual parte también en paralelo, un conducto general de complementación de líquido (13) , que compensa en masa, para todos los módulos menos el primero de la cadena, la masa hervida en el módulo anterior; yendo dicho conducto general de complementación (13) desde el tanque de aportación (6) de líquido calorífero al tanque de recepción (8) ; partiendo de él, como derivaciones parciales, los tubos o conductos específicos (22, 22a, 22b, 22c, 22d) que van a la unión (21, 21a, 21b, 21c, 21 d) previa a la bomba (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) de cada módulo.

3. Central solar térmica para generación directa de vapor, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por que cada módulo completo se compone del módulo de colectores (15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e) , en cuyo conducto de entrada (11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e) se ubica la bomba de impulsión (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e) del módulo; y cuyo conducto de salida (11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e) entronca con el tambor de separación bifásica (16, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e) , por cuya parte superior se entronca la tubería de salida del vapor (18, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e) , que va hasta el dispensador de vapor (1) a la turbina (2) ; llevando esta tubería (18, 18a, 18b, 18c, 18d, 18e) una válvula en serie para corte o regulación de flujo (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) , y otra en derivación (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) , para alivio o evacuación lateral de vapor a un almacenamiento.

4. Central solar térmica para generación directa de vapor, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por que por la parte inferior del tambor (16, 16a, 16b, 16c, 16d) se entronca la tubería de salida de líquido (19, 19a, 19b, 19c, 19d) , que va a la unión de conductos (21, 21a, 21b, 21c, 21d) que sirve para alimentar la bomba de impulsión (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) del siguiente módulo; entroncando asimismo en dicha unión (21, 21a, 21b, 21c, 21 d) el tubo específico de complementación de líquido (22, 22a, 22b, 22c, 22d) ; llevando cada conducto de la unión (19, 19a, 19b, 19c, 19d y 22, 22a, 22b, 22c, 22d) su válvula de regulación y control de paso (20, 20a, 20b, 20c, 20d y 23, 23a, 23b, 23c, 23d) .

5. Central solar térmica para generación directa de vapor, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por que del tambor de separación (16e) del último módulo, la fase líquida se dirige al tanque de recepción del líquido (8) mediante un conducto (26) , incluyendo en dicho conducto una válvula (27) y una bomba (28) para ajustar la presión de esa corriente a la de dicho tanque de recepción (8) .

6. Central solar térmica para generación directa de vapor, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por que, como variante en la configuración de complementación de líquido, se disponen dos tramos o semi-ramales, partiendo uno (33) desde el tanque de aportación (6) , y llegando hasta complementar la mitad de los módulos, o alternativamente uno más; y partiendo otro conducto (35) desde el tanque de recepción (8) , fluyendo en contra-paralelo al fluido principal, para complementar la segunda mitad de los módulos, o alternativamente uno menos.

7. Central solar térmica para generación directa de vapor, según cualquier reivindicación anterior, caracterizado por que la ebullición se lleva a cabo en cada módulo colector-hervidor, a una presión más alta que la de consigna en el dispensador (1) de alimentación a la turbina (2) , en valor tal que dicho exceso de presión está entre un 10% y un 30% por encima la pérdida de carga manométrica del flujo de vapor desde la salida del tambor de separación (16, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e) hasta dicho dispensador; y la apertura de la válvula de salida (24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e) desde el tambor (16, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e) , o de la válvula de alivio (25, 25a, 25b, 25c, 25d, 25e) antes del dispensador (1) , o de ambas, igualan exactamente la presión de entrada del vapor en el dispensador (1) , con la presión existente en el interior de éste; y si la presión en el tambor (16, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e) es insuficiente, se eleva mediante mayor incremento de presión de salida de la bomba de impulsión (12, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e) del módulo.