Configuración de receptor de torre para altas potencias.

Receptor con configuración de módulos solares de vapor saturado y sobrecalentado en una planta de concentración solar de torre,

en la que dicha configuración permite la incidencia de la radiación por ambas caras del módulo de vapor sobrecalentado, aportando ventajas significativas en la durabilidad de éste y en el control global de la planta.

Configuración de receptor de torre para altas potencias.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a una configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre con separación física de las partes evaporador y sobrecalentador y control dinámico adaptativo del campo de helióstatos, para obtener vapor sobrecalentado de una manera eficiente y controlada, garantizando con dicha configuración la durabilidad y la operación normal continuadas de dicha planta solar en sus diferentes aplicaciones: producción de electricidad, producción de calor de proceso, producción de combustibles solares y aplicación a procesos termoquímicos.

La configuración de paneles propuesta es válida para plantas en las que el fluido caloportador sea el agua-vapor o cualquier otro que sea técnicamente equivalente tales como aceites, sales, etc. y que no se aparten de la esencialidad de la invención ni del ámbito definido por las reivindicaciones.

Antecedentes de la invención

Con el fin de aumentar la densidad de flujo de radiación solar que llega a la tierra se hace uso de las centrales solares termoeléctricas (CST), las cuales permiten la concentración óptica de dicha radiación, permitiendo alcanzar concentraciones de hasta 1000 soles (1000 veces la radiación solar directa del sol) y con ello temperaturas más elevadas en los fluidos caloportadores.

En la actualidad existen principalmente tres tecnologías diferentes desarrolladas para su uso en plantas solares denominadas: de receptor central, colectores cilindro-parabólicos y discos Stirling. Todas ellas hacen uso solamente de la componente directa de la radiación solar, lo que les obliga a tener dispositivos de seguimiento solar:

1. Los sistemas de receptor central (3D) utilizan espejos de gran superficie (40-125 m² por unidad) denominados helióstatos, que están dotados de un sistema de control para reflejar la radiación solar directa sobre un receptor central situado en la parte superior de una torre. En esta tecnología, la radiación solar concentrada calienta en el receptor un fluido a temperaturas de hasta 1000ºC, cuya energía térmica puede después utilizarse para la generación de electricidad.

2. En los colectores cilindro-parabólicos (2D), la radiación solar directa es reflejada por espejos cilindro-parabólicos que la concentran en un tubo receptor o absorbedor por el que circula un fluido que se calienta como consecuencia de la radiación solar concentrada que incide sobre él a temperaturas máximas de 400ºC. De este modo, la radiación solar es convertida en energía térmica que se utiliza posteriormente para generar electricidad mediante un ciclo Rankine de agua/vapor. Una variación de esta tecnología son los sistemas lineales de concentración fresnel, en los que el espejo parabólico se sustituye por una discretización fresnel con espejos de menores dimensiones que pueden ser ya planos o disponer de una leve curvatura en su eje axial, y que mediante el control de su orientación axial permiten concentrar radiación solar sobre el tubo absorbedor, que en este tipo de aplicaciones suele permanecer fijo.

3. Los sistemas de discos parabólicos Stirling (3D) utilizan una superficie de espejos montados sobre una parábola de revolución que reflejan y concentran los rayos del sol en un foco puntual, donde se sitúa el receptor en el que se calienta el fluido de trabajo de un motor Stirling que, a su vez, acciona un pequeño generador eléctrico.

En los sistemas de receptor central, la tecnología agua-vapor es actualmente la más convencional, habiendo sido utilizada en centrales como las españolas CESA-1, PS10, PS20 y la americana Solar One.

En PS10 y PS20 se produce vapor saturado en el receptor solar a temperaturas de unos 255ºC y 45 bar. El vapor generado y mezclado con líquido saturado es enviado a un calderín donde se produce la separación entre fases, enviándose el vapor saturado a la turbina y el líquido de nuevo a los receptores solares.

En CESA-1 y Solar One el vapor es producido y sobrecalentado en el receptor solar a temperaturas de unos 500ºC y 10 Mpa (100 bar) y enviado directamente a la turbina. Para reducir el impacto de los transitorios (paso de nubes etc.) se utiliza un sistema de almacenamiento (sales fundidas en la planta CESA-1 y una termoclina aceite/rocas en Solar One). Este concepto fue el primero en ser probado por permitir la transposición de las técnicas habituales de las centrales térmicas y permitir el acceso directo del vapor que sale del receptor solar a la turbina.

El uso de vapor sobrecalentado puede permitir la implementación de ciclos termodinámicos de mayor eficiencia en las plantas.

La dificultad de la tecnológica solar para la producción de vapor sobrecalentado radica en las exigentes condiciones de temperatura a las que se hace trabajar el receptor. Las paredes de sus tubos se someten a ciclos térmicos de forma continuada entre la temperatura ambiente, la temperatura del vapor con que se alimenta este receptor, (250 a 310ºC), y la temperatura necesaria (superior a 600ºC) en pared para la generación de vapor sobrecalentado a 540ºC. A diferencia de los receptores generadores de vapor saturado que trabajan a una temperatura casi común para todas sus partes (la temperatura de saturación a la presión de trabajo), los receptores de vapor sobrecalentado incrementan la temperatura de sus tubos conforme mayor es la proximidad a la zona de salida de vapor.

Las dificultades encontradas en las experiencias de los años 80, en los receptores de vapor sobrecalentado CESA 1 y Solar One se centraron principalmente en dos aspectos:

• Falta de controlabilidad del sistema especialmente ante transitorios, paso de nubes etc. debido principalmente a las malas propiedades térmicas del vapor sobrecalentado.

• En ambos receptores el fallo estructural más frecuente fue la aparición de grietas. La tensión térmica debida a las grandes diferencias de temperatura provocó la aparición de grietas en la soldadura intersticial entre subpaneles. Esta situación se daba fundamentalmente en las paradas, cuando el agua en un subpanel, a la temperatura de saturación, fluía hacia la parte superior, donde la temperatura era todavía la del vapor sobrecalentado, mientras que en el subpanel adyacente no se daba este fenómeno.

• Problema de trabajar a altas presiones, lo cual exige mayores espesores de pared de tubo, que a la hora de transferir altas densidades de potencia al fluido caloportador, implica necesariamente altos gradientes térmicos.

Es conocida por la patente WO 2008/012390, una caldera de energía solar que utiliza una combinación de receptores de vapor saturado y vapor sobrecalentado en la que existe una única pared activa en la torre sobre la que incide la radiación recogida por un campo de heliostatos, haciendo referencia al fuerte estrés térmico al que se ven sometidos los materiales con la configuración propuesta, siendo entre otros, el objeto de la presente invención la reducción drástica de dicho estrés.

Análogamente, la patente US 2008/0078378, utiliza un receptor cilíndrico combinando los receptores de vapor saturado y sobrecalentado que precisamente por su disposición cilíndrica presenta el citado inconveniente de que debido a la distribución heterogénea de temperaturas requiere de medidas especiales de protección frente al estrés térmico de los materiales, lo que afecta negativamente a la vida útil del receptor.

La invención que a continuación se plantea, trata pues de aglutinar las ventajas de la utilización de vapor a alta temperatura, solventando los inconvenientes del estado de la técnica expuestos, consiguiendo un mayor control de la planta y favoreciendo de esta manera la estabilidad y durabilidad de ésta y sus componentes, principalmente los receptores.

Descripción de la invención

La configuración de receptor de torre para altas potencias objeto del presente registro, resuelve los inconvenientes anteriormente citados, aportando, además, otras ventajas adicionales que serán evidentes a partir de la descripción que se acompaña a continuación.

La configuración de receptor que se propone puede estar formada por una o más zonas u orientaciones respecto al campo de helióstatos, aprovechando así al máximo la incidencia de la radiación solar. Cada zona del receptor está constituida por dos o más módulos, independientes...

1. Configuración de receptor de torre para altas potencias, que siendo aplicable en plantas solares de torre que utilizan campos de helióstatos situados alrededor de la propia torre, se caracteriza porque comprende una o mas zonas (3) formadas cada una por lo menos de un módulo central (4) y al menos un módulo periférico (6) expuestos a la incidencia de la radiación reflejada por los helióstatos (1); con la particularidad de que cada módulo periférico (6) forma un ángulo respecto del módulo central (4) situado a su lado, permitiendo que los módulos periféricos (6) reciban radiación por ambas caras.

2. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 1, caracterizada porque los módulos centrales (4) y módulos periféricos (6), son independientes entre sí.

3. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 1, caracterizada porque cada módulo periférico (6) está intercalado entre dos zonas (3).

4. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 1, caracterizada porque incluye varias zonas (3), y cada módulo central (4) está orientado en dirección perpendicular al correspondiente módulo central (4) de la otra zona (3) que tiene a su lado.

5. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 1, caracterizada porque los módulos centrales (4) y periféricos (6) están constituidos por uno o más paneles.

6. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 5, caracterizada porque dentro de una zona (3) un módulo central (4) consiste en paneles de vapor saturado, mientras que los módulos periféricos (6) consisten en paneles de vapor sobrecalentado.

7. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 5, caracterizada porque dentro de una zona (3) tanto los módulos centrales (4) como los módulos periféricos (6) consisten en paneles de vapor saturado.

8. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 5, caracterizada porque dentro de una zona (3) un módulo central (4) consiste en paneles de vapor sobrecalentado, mientras que los módulos periféricos (6) consisten en paneles de vapor saturado.

9. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 5, caracterizada porque dentro de una zona (3) todos los módulos centrales (4) y periféricos (6) consisten en paneles de vapor sobrecalentado.

10. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 1, caracterizada porque los paneles que forman los correspondientes receptores están formados por tubos horizontales o verticales.

11. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 1, caracterizada porque es aplicable a plantas en las que el fluido caloportador es vapor de agua o cualquier otro que sea técnicamente equivalente, tales como aceites o sales.

12. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 1, caracterizada porque los helióstatos (1) están capacitados para dirigir la radiación solar (7) a un módulo central (4) o a un módulo periférico (6), dependiendo de las necesidades.

13. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende cuatro zonas, incluyendo cada zona tres módulos.

14. Configuración de receptor de torre para altas potencias, según reivindicación 13, caracterizada porque cada zona (3) consiste en un módulo central (4) de producción de vapor saturado y dos módulos periféricos (6) de producción de vapor sobresaturado.