Economizador en planta solar de torre y método de funcionamiento de dicha planta cuya finalidad es aprovechar el calor proveniente de las pérdidas térmicas que se generan alrededor de los receptores solares de torre (3) para precalentar el fluido del que se alimentan los receptores solares de vapor saturado o sobrecalentado.

Cuando el calor de las pérdidas que absorbe el economizador (2) no es suficiente para alcanzar la temperatura mínima necesaria se utiliza un economizador secundario (4) que toma vapor vivo (antes de entrar en la turbina) y aumenta la temperatura del agua de alimentación del receptor (3).

Economizador en planta solar de torre y método de funcionamiento de dicha planta.

Sector técnico de la invención

La presente invención se encuadra dentro de la tecnología referente a plantas solares termoeléctricas de receptor central para la producción de electricidad o calor de proceso.

Más concretamente se refiere a centrales de torre tanto de receptor solar de vapor saturado como de sobrecalentado.

Antecedentes de la invención

Los Sistemas de Concentración Solar ("SCS") son usados para aumentar la temperatura de un fluido de trabajo concentrando sobre él la radiación solar y aprovechar esa energía calorífica, ya sea en procesos industriales como en procesos de generación de energía eléctrica.

Dentro de los SCS se encuentran los sistemas de receptor central de torre, donde la radiación solar es concentrada mediante el uso de helióstatos en un receptor ubicado en la parte superior de una torre y donde es transformada en energía térmica mediante la absorción de calor por parte del fluido de trabajo.

Una primera aproximación a la tecnología de receptor central de torre fue definida en la patente US3924604 de 1974; el receptor allí descrito, de tipo exterior y con tubos dispuestos alrededor del eje central de la torre, se ubica en la parte superior de la misma, que a su vez se localiza en el centro de un campo de helióstatos dispuestos de forma circular. Posteriormente, en 1983, se describió una nueva configuración para una planta de concentración solar de torre mediante la patente US4400946, donde se planteó la generación de vapor en un receptor dispuesto en un anillo de un sector circular de la circunferencia descrita por la torre; desde entonces, se han publicado otras patentes referidas a esta tecnología que buscan la optimización de los diferentes elementos y procesos del sistema, como lo son la US6911110 y la WO2008118980 publicadas en 2005 y 2008 respectivamente.

Uno de los factores más importantes a tener en cuenta a la hora de diseñar un receptor solar son las pérdidas térmicas. Las pérdidas térmicas en un receptor solar de concentración de torre se estiman en torno al 10%-20%, dependiendo del diseño. Estas pérdidas pueden ser de dos tipos, pérdidas térmicas por radiación y pérdidas térmicas por convección. Las pérdidas térmicas por radiación a su vez pueden ser pérdidas térmicas por reflexión del material y pérdidas térmicas por emisión del material.

Para aumentar la eficiencia de los sistemas de concentración solar, en el estado de la técnica se tiende a aplicar distintos desarrollos que sirvan para precalentar el agua que va a circular por el receptor.

El documento WO 2009/044622 A1 describe una forma de precalentar el agua haciéndola circular por unas tuberías expuestas a la radiación solar, antes de enviarla al receptor.

El documento WO 2008/154599 A1 también describe una forma de precalentar el agua haciéndola pasar por unos precalentadores eléctricos que elevan su temperatura antes de entrar en el circuito de la planta solar propiamente dicho.

Ambas soluciones son ejemplos que tratan de aumentar la eficiencia del sistema precalentando el agua o fluido caloportador antes de que circule por el receptor solar, con el objetivo de lograr mayor temperatura a la salida del receptor y, en consecuencia, rendimientos más altos en la turbina y por tanto mayor eficiencia del sistema.

Pero ambos desarrollos utilizan energía nueva para precalentar esta agua. En el primer documento el agua se precalienta con rayos solares lo que implica que se requiera una gran superficie del suelo para tenerla ocupada con estas tuberías, además de requerir que el receptor no esté elevado. En el segundo caso el agua se precalienta con una resistencia eléctrica, es decir, parte de la energía que la planta produce se emplea en precalentar el agua, lo que supone una penalización en la eficiencia de la planta debido a estos autoconsumos eléctricos.

Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar un sistema de precalentamiento del agua antes de entrar en el receptor, pero que se diferencia del estado de la técnica conocido porque utiliza como energía de precalentamiento las pérdidas térmicas del propio receptor, aumentando considerablemente la eficiencia de la planta.

Descripción de la invención

La siguiente invención consiste en un sistema de receptor solar de torre en el que se trata de recuperar el calor de las pérdidas mediante la disposición de un economizador en la parte superior de un receptor.

Para aumentar la eficiencia de un receptor en torre, ya sea de vapor saturado o de vapor sobrecalentado, se ha diseñado un sistema economizador. Este economizador recoge el calor procedente de las perdidas térmicas del receptor, tanto las pérdidas por convección, por reflexión, así como por las pérdidas por radiación debido a la emisividad del material del que esté fabricado el receptor.

El economizador consiste en un intercambiador de calor por donde circula un fluido (preferentemente agua) cuya finalidad es el precalentamiento de dicho fluido.

El economizador se sitúa en la parte superior del receptor de manera que aprovecha el calor desprendido por éste, a causa de las pérdidas térmicas generadas. Gracias a esa energía térmica, en el economizador se precalienta dicho fluido hasta alcanzar la temperatura necesaria. En el caso de tratarse de agua, esta temperatura es la necesaria para entrar en el calderín. El agua que se encuentra en el calderín pasa directamente al receptor de vapor saturado. El vapor que sale del receptor de vapor saturado se puede dirigir directamente a la turbina o primero al receptor de vapor sobrecalentado, en el caso de que exista y después a la turbina.

De la misma forma que existe un economizador que aprovecha la energía térmica de pérdidas del receptor de vapor saturado, se puede instalar otro en el receptor de vapor sobrecalentado, si existiese, también con el mismo fin, es decir, el precalentamiento del agua antes de la entrada en el calderín.

De esta forma, se consigue aumentar la eficiencia del ciclo en un 8-16% dependiendo de las pérdidas térmicas y de la geometría del receptor, independientemente de que se trate de un receptor de vapor saturado o sobrecalentado.

Este porcentaje de recuperación corresponde a un economizador de alta presión. Un economizador de alta presión es aquel que trabaja a presiones superiores a 90 bares, sustituyendo así el economizador a los calentadores de alta presión existentes en las plantas tradicionales.

En el caso de que el calor de las pérdidas no sea suficiente para aumentar la temperatura del fluido (preferentemente agua) hasta la temperatura necesaria, se puede instalar un economizador secundario.

El economizador secundario consiste en un calentador de alta presión instalado también en lo alto de la torre. En él se toma vapor vivo, es decir, se extrae parte del vapor antes de que entre en la turbina y se utiliza este vapor para aumentar la temperatura del fluido de alimentación del receptor en un intercambiador de calor. El drenaje de este economizador secundario se llevará directamente al calderín haciendo uso de una pequeña bomba o al desaireador con una tubería desde lo alto de la torre hacia el mismo.

Con este diseño de torre solar, con equipos economizadores basados en la utilización del calor de las pérdidas térmicas, se logra aumentar la eficiencia del sistema drásticamente por dos razones fundamentales: se precalienta el fluido que entra en el receptor y se aprovecha el calor de las pérdidas térmicas.

Descripción de los dibujos

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1: Sistema de circulación del vapor en el que se incluye el economizador.

Figura 2: Economizador en forma de plano situado sobre el receptor.

Figura 3: Economizador en forma de haz situado sobre el receptor.

Las referencias que aparecen en las figuras representan los siguientes elementos:

1. Economizador en planta solar de torre de los que están formados por un campo solar de helióstatos que reflejan y orientan la radiación solar hacia uno o varios receptores situados en lo alto de la torre produciéndose en esos receptores el calentamiento de un fluido, caracterizado porque dicho economizador (2) absorbe la energía calorífica desprendida por las pérdidas térmicas de un receptor (3) y la utiliza para precalentar el fluido que circula por su interior y que será con el que se alimente al receptor (3).

2. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque el economizador (2) se sitúa sobre el receptor (3) de manera que el calor que por causa de las pérdidas sube por la cavidad del receptor (3), caliente el economizador (2) y en consecuencia, el fluido que circula por su interior.

3. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque el economizador (2) está formado por tubos.

4. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 3 caracterizado porque los tubos se disponen en forma de plano.

5. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 3 caracterizado porque los tubos se disponen en forma de haz.

6. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 3 caracterizado porque los tubos tienen aletas.

7. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque el economizador (2) dispone de un recubrimiento especial de absortividad superior al 0.9 para recibir todo el calor que reciba.

8. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque se instala un economizador secundario (4) en paralelo con el primer economizador (2), instalado en lo alto de la torre, por el que circula vapor y transmite ese calor, al fluido de alimentación del receptor (3).

9. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 8 caracterizado porque el economizador secundario (4) comprende un intercambiador o calentador de alta presión.

10. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 9 caracterizado porque por el economizador secundario (4) circula vapor vivo (vapor que se extrae de la turbina).

11. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque el fluido es agua.

12. Economizador en planta solar de torre según reivindicación 11 caracterizado porque entre el economizador (2) y el receptor (3) se coloca un calderín (5).

13. Economizador en planta solar de torre según reivindicaciones 8 y 11 caracterizado porque entre la salida de ambos economizadores (2, 4) y el receptor (3) se coloca un calderín (5).

14. Método de funcionamiento de la planta solar con economizador como el descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:

- unas bombas de alimentación (1) elevan fluido subenfriado (a unos 110ºC) a la parte alta de la torre donde circula por el economizador (2) precalentándose;

- el fluido que sale del economizador (2) se envía al receptor (3), de manera que el fluido que ahora entra al receptor (3) ya está a temperatura elevada;

- el vapor (6) que sale del receptor (3) es llevado directamente a la turbina, si se trata de un receptor de vapor sobrecalentado o si proviene de un receptor de: vapor saturado y no se desea sobrecalentar.

15. Método de funcionamiento de la planta solar con economizador según reivindicación 14 caracterizado porque cuando el calor de las pérdidas que absorbe el economizador (2) no es suficiente para alcanzar la temperatura necesaria para entrar en el calderín (5), las bombas de alimentación (1) llevan una parte del fluido al economizador secundario (4) aumentando la temperatura del fluido de alimentación y el fluido precalentado proveniente de cualquiera de los dos economizadores (2, 4) es llevado al receptor (3).

16. Método de funcionamiento de la planta solar con economizador según reivindicación 14 caracterizado porque el fluido de alimentación es agua.

17. Método de funcionamiento de la planta solar con economizador según reivindicación 16 caracterizado porque el agua que sale del economizador (2) se envía se un calderín (5) cuya salida está unida a la entrada del receptor (3).

18. Método de funcionamiento de la planta solar con economizador según reivindicaciones 15 y 16 caracterizado porque el agua que sale del economizador secundario (4) se envía a un calderín (5) cuya salida está unida a la entrada del receptor (3).