Instalación solar termoeléctrica hibridada de pequeña escala.

La invención se refiere a una instalación solar termoeléctrica hibridada provista de un circuito primario por el que circula un aceite térmico calentado en varios colectores solares cilindro parabólicos. Dicha instalación es modular y cada módulo comprende:

- una pluralidad de colectores cilindro parabólicos en los que el aceite térmico se calienta a una temperatura máxima de 350 ºC, estando adaptados para operar con retornos entre 140 y 280 ºC;

- al menos un sistema de combustión de biomasa con caldera de recuperación de aceite térmico, como soporte de calentamiento del aceite térmico; y

- una pluralidad de turbogrupos modulares que operan según un ciclo orgánico de Rankine de generación y/o cogeneración adaptados para recibir a la entrada aceite térmico a una temperatura entre 280 y 350 ºC, y dando lugar a temperaturas de condensación variables entre los 30 y los 90 ºC.

“Instalación solar termoeléctrica hibridada de pequeña escala” Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere a una instalación solar termoeléctrica hibridada de pequeña escala, es decir, de potencia inferior a 14 MWp, provista de un circuito primario por el que circula un aceite térmico calentado en una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos.

Antecedentes de la invención

Con la publicación en España del Real Decreto 661/07, se permite la hibridación o generación de energía eléctrica en una instalación utilizando combustibles y/o tecnologías de una serie de grupos o subgrupos, entre los que figuran los grupos 1, 6, 7 y 8 de la categoría b. Dicha categoría hace referencia a instalaciones que utilicen como energía primaria alguna de las energías renovables no consumibles, biomasa, o cualquier tipo de biocarburante, siempre y cuando su titular no realice actividades de producción en el régimen ordinario. Se entiende como combustible principal aquel combustible que suponga, como mínimo, el 90% de la energía primaria utilizada, medida por el poder calorífico inferior.

El subgrupo b.1.2 hace referencia a instalaciones que utilicen únicamente procesos térmicos para la transformación de la energía solar, como energía primaria, en electricidad. En estas instalaciones se podrán utilizar equipos que utilicen un combustible para el mantenimiento de la temperatura del fluido trasmisor de calor para compensar la falta de irradiación solar que pueda afectar a la entrega prevista de energía. La generación eléctrica a partir de dicho combustible deberá ser inferior al 12% en cómputo anual de la producción total de electricidad o podrá llegar hasta el 15% dependiendo de la opción de venta de energía establecida en el Artículo 24.1.

Por su parte, el grupo b.6 se refiere a centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de cultivos energéticos, de residuos de las actividades agrícolas o de jardinerías, o residuos de aprovechamientos forestales y otras operaciones selvícolas en las masas forestales de espacios verdes; el b.7 a centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de estiércoles, biocombustibles o biogás procedente de la digestión anaerobia de residuos agrícolas y ganaderos, de residuos biodegradables de instalaciones industriales o de lodos de depuración de aguas residuales, así como el recuperado en los vertederos controlados; y el b.8 a las centrales que utilicen como combustible principal biomasa procedente de instalaciones industriales según ciertos términos establecidos.

Entre las instalaciones híbridas permitidas figura aquella instalación del subgrupo b.1.2 que adicionalmente, incorpore uno o más de los combustibles principales indicados para los grupos b.6, b.7 y b.8. La generación eléctrica a partir de dichos combustibles deberá ser inferior, en el cómputo anual, al 50% de la producción total de electricidad. Cuando además de los combustibles principales indicados para los grupos b.6, b.7 y b.8 la instalación utilice otro combustible primario para los usos establecidos para la categoría b, la generación eléctrica a partir del mismo no podrá superar, en el cómputo anual, el porcentaje del 10% medido por su poder calorífico inferior.

Las plantas solares termoeléctricas que hacen uso de colectores solares cilindro parabólicos son instalaciones que operan en ciclo de Rankine, en las cuales es calentado un aceite térmico a una temperatura como mínimo de 400 ºC para producir vapor a 370 ºC. Dichas plantas utilizan acumuladores de sales para aumentar las horas de funcionamiento y con la aportación de gas natural para compensar las pérdidas. Estas plantas solares termoeléctricas ocupan extensiones de 250 ha por cada 49, 9 MWe producidos, lo que implica que necesitan aproximadamente 512000 m2 de superficie colectora solar, estando situados en una zona de radiación superior a los 2000 KWh/m2año. Además, dichas plantas disponen de una sola turbina de vapor de 50 MWe y consumen una elevada cantidad de agua para llevar a cabo la condensación. El funcionamiento de dichas plantas y su mantenimiento es costoso, y no permite hacer plantas de menos de 50 MWe.

Se pone de manifiesto la necesidad de disponer de una planta solar termoeléctrica que resulte rentable a pequeña escala, es decir, con una potencia menor a 14 MWp y que dentro de dicho límite sea capaz de producir energía eléctrica dentro de un amplio rango de potencias, descentralizando la producción eléctrica, en función de las necesidades y de su ubicación, ahorrando espacio de ocupación. Otros objetivos son la mejora del rendimiento energético, la disminución de pérdidas, ahorro en el consumo de agua utilizada en la condensación, en tiempo de ejecución y en costes de mantenimiento, haciendo viable la inversión de una planta solar termoeléctrica incluso en zonas con más baja insolación donde las instalaciones existentes en la actualidad no se plantean por su escasa o nula viabilidad.

Explicación de la invención

Con objeto de aportar una solución a los problemas planteados, se da a conocer una instalación solar termoeléctrica hibridada provista de un circuito primario por el que circula un aceite térmico calentado en una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos

En esencia, la instalación se caracteriza porque es una instalación modular de modo que cada módulo comprende:

- una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos en los que el aceite térmico se calienta a una temperatura de emisión máxima de 350 ºC, estando adaptados para operar con retornos comprendidos entre 140 y 280 ºC;

- al menos un sistema de combustión de biomasa con caldera de recuperación de aceite térmico, como soporte de calentamiento del aceite térmico; y

- una pluralidad de turbogrupos modulares que operan según un ciclo orgánico de Rankine de generación y/o cogeneración adaptados para recibir a la entrada aceite térmico a una temperatura comprendida entre 280 y 350 ºC, y dando lugar a temperaturas de condensación variables entre los 30 y los 90 ºC.

Así, el aceite térmico es calentado directamente por los colectores solares cilindro parabólicos cuando hay sol, y con el sistema de combustión de biomasa con caldera de recuperación de aceite térmico cuando no lo hay, durante el número de horas que permite la legislación vigente.

Según una característica de la invención, el rango de calentamiento del aceite térmico en los colectores solares cilindro parabólicos está comprendido entre los 280 y los 350 ºC y el rango de la temperatura de retorno entre los 140 y los 280 ºC. El proceso de calentamiento a temperaturas iguales o inferiores a 350 ºC permite utilizar aceites térmicos convencionales de menor precio y más larga duración que los sintéticos especiales de 400 ºC que se utilizan actualmente en las plantas termoeléctricas existentes que operan con ciclo de Rankine no orgánico, el que produce vapor.

La variabilidad en los caudales según el número de módulos conectados, permite ajustar el salto de temperatura del aceite térmico en función de la radiación disponible, obteniendo mayor eficiencia en los colectores solares cilindro parabólicos con retornos tan bajos como por ejemplo 140 ºC, y temperaturas de emisión variables entre 350 y 280 ºC, no prevista en las instalaciones actuales.

De acuerdo con otra característica de la invención, el sistema de combustión de biomasa comprende al menos una cámara de combustión torsional para biomasa de granulometría máxima de 8 mm y una humedad igual o inferior al 20 %, acoplada a la entrada de la caldera de recuperación de aceite térmico.

Conforme a otra característica de la invención, el sistema de combustión de biomasa comprende al menos una cámara de gasificación en contracorriente situada previamente a la cámara de combustión torsional, adaptada para utilizar biomasa con una humedad de hasta un 45% y biomasa de granulometría superior a 8 mm y longitudes de bloques de biomasa de hasta 1000 mm.

La adopción de dicho sistema de combustión en cámara de sustentación y/o gasificación previa en contracorriente de alto rendimiento permite obtener rendimientos por encima del 90% en la conversión de la energía química existente en la biomasa en calor útil, mediante la caldera de recuperación de aceite térmico.

Según otra...

R E I V I N D I C A C IO N E S

1. Instalación solar termoeléctrica hibridada provista de un circuito primario por el que circula un aceite térmico calentado en una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos, caracterizado porque la instalación es modular de modo que cada módulo (1) comprende:

- una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos (CCP) en los que el aceite térmico se calienta a una temperatura de emisión máxima de 350 ºC, estando adaptados para operar con retornos comprendidos entre 140 y 280 ºC;

- al menos un sistema de combustión de biomasa con caldera de recuperación de aceite térmico (3) , como soporte de calentamiento del aceite térmico; y

- una pluralidad de turbogrupos modulares (ORC) que operan según un ciclo orgánico de Rankine de generación y/o cogeneración adaptados para recibir a la entrada aceite térmico a una temperatura comprendida entre 280 y 350 ºC, y dando lugar a temperaturas de condensación variables entre los 30 y los 90 ºC.

2. Instalación según la reivindicación 1, caracterizada porque el sistema de combustión de biomasa comprende al menos una cámara de combustión torsional

(4) para biomasa de granulometría máxima de 8 mm y una humedad igual o inferior al 20 %, acoplada a la entrada de la caldera de recuperación de aceite térmico (3) .

3. Instalación según la reivindicación 2, caracterizada porque el sistema de combustión de biomasa comprende al menos una cámara de gasificación (5) en contracorriente situada previamente a la cámara de combustión torsional (4) , adaptada para utilizar biomasa con una humedad de hasta un 45% y biomasa de granulometría superior a 8 mm y longitudes de bloques de biomasa de hasta 1000 mm.

4. Instalación según una las reivindicaciones 2 ó 3, caracterizada porque está formada por al menos un módulo y un máximo de doce módulos (1) autónomos por sí mismos, cada uno de los cuales comprende una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos (CCP) que ocupan una superficie comprendida aproximadamente entre 6700 y 7000 m2, un sistema de combustión de biomasa definido en la reivindicación 2 ó 3, equipado en el que la cámara de combustión torsional (4) tiene una potencia nominal térmica aproximada de 5 MWt, acoplada a una correspondiente caldera de recuperación de aceite térmico (3) capaz de producir aproximadamente una potencia térmica de 4, 5 MWt de aceite térmico cuando la temperatura de calentamiento del aceite térmico está comprendida entre los 280 y los 350 ºC y la temperatura de retorno entre los 140 y los 280 ºC, y un turbogrupo modular (ORC) con una potencia eléctrica aproximada de 1, 1 MWe con un rendimiento eléctrico nominal comprendido entre el 22 y el 24% en condiciones nominales.

5. Instalación según una las reivindicaciones 2 ó 3 caracterizada porque está formada por al menos un módulo (1) y un máximo de doce módulos, y cada módulo está formado por al menos cuatro submódulos (2) autónomos por sí mismos, comprendiendo cada submódulo una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos (CCP) que ocupan una superficie comprendida aproximadamente entre 1120 y 1150 m2, y un turbogrupo modular (ORC) con una potencia eléctrica hasta un valor de 175 KWe aproximadamente, con un rendimiento eléctrico nominal comprendido entre el 20 y el 24% en condiciones nominales, comprendiendo cada módulo un sistema de combustión de biomasa común a los al menos cuatro submódulos, siendo dicho sistema de combustión el definido en la reivindicación 2 ó 3 en el que la cámara de combustión torsional (4) tiene una potencia nominal térmica aproximada de 5 MWt, acoplada a una correspondiente caldera de recuperación de aceite térmico (3) capaz de producir aproximadamente una potencia térmica de 4, 5 MWt de aceite térmico cuando la temperatura de calentamiento del aceite térmico está comprendida entre los 280 y los 350 ºC y la temperatura de retorno entre los 140 y los 280 ºC.

6. Instalación según la reivindicación 5, caracterizada porque un módulo (1) está formado por seis submódulos (2) .

7. Instalación según la reivindicación 5 ó 6, caracterizada porque los submódulos (2) en los que está dividido un módulo (1) están interconectados eléctricamente entre sí formando una sola unidad de conexión a la red eléctrica.

8. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende un sistema de condensación (6) por aerorrefrigerantes o, cuando la temperatura ambiente supera los 40 ºC, un sistema de condensadores adiabáticos.

9. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los turbogrupos modulares (ORC) comprenden un economizador que calienta el fluido orgánico a su presión de trabajo con el calor procedente del mismo fluido en su fase gaseosa a la salida del turbogrupo en un paso previo a su calentamiento y posterior expansión.

10. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el fluido orgánico de trabajo tiene un punto de ebullición entre 12 y 40 ºC.

11. Instalación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el número de etapas de la turbina de un turbogrupo modular (ORC) está comprendido entre 1 y 4.

12. Módulo (1) para la producción de energía eléctrica, adaptado para funcionar autónomamente, o bien para interconectarse eléctricamente a otro módulo conectándose a la red eléctrica comprendiendo:

- una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos (CCP) en los que el aceite térmico se calienta a una temperatura de emisión máxima de 350 ºC, estando adaptados para operar con retornos comprendidos entre 140 y 280 ºC;

- al menos un sistema de combustión de biomasa con caldera de recuperación de aceite térmico (3) , como soporte de calentamiento del aceite térmico; y

- una pluralidad de turbogrupos modulares (ORC) que operan según un ciclo orgánico de Rankine de generación y/o cogeneración adaptados para recibir a la entrada aceite térmico a una temperatura comprendida entre 280 y 350 ºC, y dando lugar a temperaturas de condensación variables entre los 30 y los 90 ºC.

13. Módulo (1) según la reivindicación 12, caracterizado porque comprende una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos (CCP) que ocupan una superficie comprendida aproximadamente entre 6700 y 7000 m2, un sistema de combustión de biomasa definido en la reivindicación 2 ó 3 en el que la cámara de combustión torsional (4) tiene una potencia nominal térmica aproximada de 5 MWt, acoplada a una correspondiente caldera de recuperación de aceite térmico (3) capaz de producir aproximadamente una potencia térmica de 4, 5 MWt de aceite térmico cuando la temperatura de calentamiento del aceite térmico está comprendida entre los 280 y los 350 ºC y la temperatura de retorno entre los 140 y los 280 ºC, y un turbogrupo modular (ORC) con una potencia eléctrica aproximada de 1, 1 MWe con un rendimiento eléctrico nominal comprendido entre el 22 y el 24% en condiciones nominales.

14. Módulo (1) según la reivindicación 12, caracterizado porque está formado por al menos cuatro submódulos (2) autónomos por sí mismos, comprendiendo cada submódulo una pluralidad de colectores solares cilindro parabólicos (CCP) que ocupan una superficie comprendida aproximadamente entre 1120 y 1150 m2, y un turbogrupo modular (ORC) con una potencia eléctrica hasta un valor de 175 KWe aproximadamente, con un rendimiento eléctrico nominal comprendido entre el 20 y el 24% en condiciones nominales, comprendiendo cada módulo un sistema de combustión común a los al menos cuatro submódulos, estando dicho sistema de combustión formado por una cámara de combustión torsional (4) con una potencia nominal térmica aproximada de 5 MWt, acoplada a una correspondiente caldera de recuperación de aceite térmico (3) capaz de producir aproximadamente una potencia térmica de 4, 5 MWt de aceite térmico cuando la temperatura de calentamiento del aceite térmico está comprendida entre los 280 y los 350 ºC y la temperatura de retorno entre los 140 y los 280 ºC.

15. Módulo (1) según la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque la cámara de combustión torsional (4) para biomasa está adaptada pera trabajar con biomasa de granulometría máxima de 8 mm y una humedad igual o inferior al 20 %.

16. Módulo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el sistema de combustión comprende una cámara de gasificación (5) en contracorriente situada previamente a la cámara de combustión torsional (4) , adaptada para utilizar biomasa con una humedad de hasta un 45% y biomasa de granulometría superior a 8 mm y longitudes de bloques de biomasa de hasta 1000 mm.

-

- 90 ºC

Fig. 2

-

T ≤ 350 ºC ∼ 750 KWt∼ 140 KWe

-

Fig. 3 T ≤ 280 ºC

Cenizapura

Fig. 5

-

Temperatura [ºC]

140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540

Caudal del suministro de aceite térmico [l/min]

Fig. 6

T de entrada del aceite Tª de retorno del aceite

OFICINA ESPANOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPANA

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. F03G6106 (2006.01)

21 N.O solicitud: 200803273 22 Fecha de presentación de la solicitud: 11.11.2008 32 Fecha de prioridad:

DOCUMENTOS RELEVANTES

2. 27, pagina lineas 9-17, pagina 4 linea.

2. 44, pagina 7 linea.

4. 47, pagina 9 lineas 10-15; figuras 3-7. A ES 2279658 A1 (SERLED CONSULTORES S L) 16/08/2007, resumen; columna 1 l ineas 5-29, 1-16 columna 3 lineas 13-17.

4. 57, columna 4 lineas 16-20, columna 4 line.

6. columna 5 linea 8; figuras 1 y 2. Categoria de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoria A: refleja el estado de la tecnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado despues de la fecha de presentación de la solicitud El presente informe ha sido realizado º para todas las reivindicaciones º para las reivindicaciones nO: Fecha de realización del informe 29.08.2012 Examinador P. Del Castillo Penabad Pagina 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TECNICA

NO de solicitud: 200803273

Documentación minima buscada (sistema de clasificación seguido de los simbolos de clasificación) F03G Bases de datos electrónicas consultadas durante la busqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, terminos de

busqueda utilizados) INVENES, EPODOC

Informe del Estado de la Tecnica Pagina 2/4

OPINION ESCRITA

NO de solicitud: 200803273

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 29.08.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y tecnico de la solicitud (Articulo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Tecnica Pagina 3/4

OPINION ESCRITA

NO de solicitud: 200803273

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionanlos documentos pertenecientes al estado de la tecnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

2. Declaración motivada segun los articulos 29. y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/198 , de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

Reivindicación independiente 1

Ninguno de los documentos citados describe una instalación modular solar termoelectrica hibrida provista de un circuito primario d e a ceite t ermico calentado por co lectores solares cilindro parabólicos, e n l a que c ada m 6dulo c uenta c on colectores solares, almenos un sistema de combustiónde biomasa como soporte de calentamiento del aceite termico y turbogrupos modulares que reciben el aceite termico y operan segun un ciclo organico de Rankine.

El d ocumento D E202008002599U que l lamaremos D01 ( las referencias entre p arentesis se r efieren a D 01) describe (resumen en ingles extraido de EPOQUE de la base de datos WPI AN: 2008-G60630 [42]; parrafos 1-3, 8, 11-17; figura 1) una instalación solar termoelectrica hibrida (1) con un circuito primario (2) de aceite termico calentado por colectores solares parabólicos (5) . En el circuito de aceite termico hay dispuesta un calentador (12) de biogas obtenido a partir de biomasa. El aceite termico aporta el calor necesario para generar vapor en un ciclo de Rankine (3) .

El documento JP2003227315 que llamaremos D02, (las referencias entre parentesis se refieren a D02) describe (resumen en ingles extraido de EPOQUE de la base de datos WPI AN: 2003-612809[58]; figura 1) un ciclo (4, 3, 6) organico de Rankine que opera con energia obtenida en paneles solares (1) .

Se han encontrado mas documentos (por ejemplo D03 y D04) que describen instalaciones solares termoelectricas hibridas pero ninguna describe una instalación modular hibrida con energia solar y biomasa que calienten un aceite termico que abastezca turbogrupos que operen segun un ciclo organico de Rankine, como se explica en la reivindicación 1 de l a solicitud.

No se considera obvio que un experto en la materia conciba el sistema de la reivindicación 1 de la solicitud a partir de los documentos mencionados, tomados soloso en combinación. Por lo tanto la invención de la reivindicación 1 es nuevae implica actividad inventiva.

Las reivindicaciones 2-11 son reivindicaciones dependientes de la reivindicación 1 y como ella tambien cumplen los requisitos de novedad y actividad inventiva.

Reivindicación independiente 12

Ninguno de los documentos citados describe un m6dulo para la producción de energia electrica que cuente con colectores solares cilindro parabólicos, al menos un sistema de combustión de biomasa como soporte de calentamiento del aceite termico y una pluralidad de turbogrupos modulares quereciben el aceite termico y operan segun un ciclo organico de Rankine.

No se considera obvio que un experto en la materia conciba el m6dulo de la reivindicación 12 de la solicitud a partir de los documentos mencionados, tomados solos o en combinación. La combinación mas próxima al objeto reivindicado seria la de los documentos D01 y D 02 qu e n o es obvia, y ad emas no c ontendria todas las caracteristicas esenciales de l a reivindicación (por ejemplo no tendria la existencia de una pluralidad de turbogrupos) . Por lo tanto la invención de la reivindicación 12 es nueva e implica actividad inventiva.

Las reivindicaciones 13-16 son reivindicaciones dependientes de la reivindicación 12 y como ella tambien cumplen los requisitos de novedad y actividad inventiva.

Por todo lo anterior las reivindicaciones 1-16 de la solicitud son nuevas e implican actividad inventiva segun los articulos 6 y 8 de la Ley 11/86 de Patentes

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