Receptor solar de torre con sales fundidas y procedimiento para reducir el gradiente térmico en dicho receptor.

El receptor comprende al menos un panel de geometría semicilíndrica, formado por un conjunto de tubos verticales. El receptor (10) se alimenta con un fluido caloportador a base de sales fundidas que proviene de un sistema de recirculación el cual comprende un depósito de mezcla (6), un tanque de almacenamiento de sales calientes (9) y un tanque de almacenamiento de sales frías (8); el tanque de mezcla (6) se alimenta con una parte del fluido caloportador caliente (4) que sale del receptor (10) y con fluido caloportador frío (5) que sale del tanque de almacenamiento de sales frías (8); el tanque de almacenamiento de sales calientes está conectado con la salida del receptor (10) de forma que almacena la parte de fluido caloportador que no se recircula (3)

Receptor solar de sales fundidas y procedimiento para reducir el gradiente térmico en dicho receptor.

Sector técnico de la invención

Esta invención pertenece al campo de las tecnologías de alta concentración solar termoeléctrica. Se basa en la tecnología de receptor central de torre con campo de helióstatos para la generación de energía eléctrica. En el receptor se emplea como fluido caloportador una mezcla de sales fundidas que permite alcanzar elevadas temperaturas de trabajo y como consecuencia, incrementar la eficiencia del ciclo termodinámico con respecto a los que emplean agua/vapor como fluido de transferencia de calor.

Antecedentes de la invención

Dentro de las tecnologías de alta concentración solar termoeléctrica, se encuentran los sistemas de receptor central de torre en los que la radiación solar directa es reflejada por un campo de helióstatos hacia el receptor, situado en la parte superior de la torre (foco del sistema óptico). El receptor es el sistema donde se concentra toda la radiación solar procedente del campo solar. Esta energía solar se transforma en energía térmica del fluido caloportador. En el caso de no emplearse agua como fluido de transferencia de calor, se requiere disponer de un intercambiador de calor donde se transfiera la energía térmica del fluido caloportador al agua para la generación de vapor sobrecalentado a elevada temperatura. Finalmente, este vapor sobrecalentado se lleva a la turbina y posteriormente a un alternador para generar electricidad.

En la actualidad, se cuenta con diferentes tipos de receptores en los que puede variar tanto el fluido caloportador, como la forma en la que se transfiere la energía a éste último o la configuración del receptor. Así, hay receptores de tubos, volumétricos, de intercambio directo o indirecto de energía, de vapor saturado y de vapor sobrecalentado, etc.

Los receptores de concentración solar de torre pueden ser exteriores o disponerse en una cavidad ubicada en la parte superior de dicha torre con el fin de disminuir las pérdidas térmicas. La configuración debe permitir que la potencia incidente supere en magnitud las pérdidas que se presentan por radiación y convección. En los receptores de sales fundidas, la temperatura alcanzada en la superficie del receptor es mayor que en los receptores agua/vapor saturado y sobrecalentado, razón por la cual las pérdidas por radiación también son mayores, sin embargo, esto se solventa generando tras el intercambiador un vapor sobrecalentado de mayor temperatura que conduce a mayores eficiencias del ciclo termodinámico.

De esta forma, la ventaja principal de las plantas con receptores de sales fundidas radica en que al trabajar con un fluido caloportador de alto nivel energético, tras el intercambiador de calor para la producción de vapor sobrecalentado, se consiguen temperaturas de éste superiores (550ºC) a las obtenidas en las plantas con receptores que producen directamente vapor sobrecalentado (520ºC); de esta manera la eficiencia del ciclo termodinámico se incrementa y en consecuencia aumenta el rendimiento de la turbina. Se estima que la eficiencia del ciclo puede aumentar del 28% al 38%, si en lugar de emplear agua/vapor empleamos una mezcla de sales fundidas como fluido caloportador.

Las torres de sales hasta ahora existentes han presentado dificultades técnicas y económicas lo que ha dado lugar a cortos periodos de operación, siendo inviable una planta comercial a la que se le exigen tiempos de vida de entre 20 años y 25 años.

La patente US2008000231 es un claro ejemplo de la tecnología existente hasta el momento. En ella se describe un sistema de receptor solar central de torre de sales fundidas, cuyos paneles son alimentados con la sal proviniente de un tanque frío. Una vez caliente, el fluido caloportador cede su calor en un intercambiador para la producción de vapor, que finalmente se utilizará en la producción de electricidad. El fluido caloportador ya frío se dirige de nuevo al receptor para ser así calentado de nuevo.

Los inconvenientes técnicos presentados durante la operación de estas plantas están relacionados principalmente con la resistencia de los materiales y con el control del sistema ante estados transitorios (paso de nubes). Algunas de las dificultades técnicas encontradas fueron la aparición de fisuras en las zonas de soldadura de los tubos con los colectores de entrada y salida del fluido de trabajo (headers) debido a altos gradientes térmicos, la corrosión de las válvulas de control de distribución de caudal causada por el alto efecto corrosivo de la mezcla de sales fundidas a elevada temperatura de trabajo, la solidificación del fluido caloportador en el interior de los tubos especialmente en regiones de bajo flujo de radiación incidente, etc.

Las configuraciones de receptor de sales hasta ahora existentes son cilíndricas exteriores. Un receptor de este tipo está compuesto por veinticuatro paneles agrupados en grupos de ocho paneles, por lo que el receptor queda dividido en cuatro secciones (noreste, noroeste, suroeste y sureste). Cada panel a su vez, está compuesto por treinta y dos tubos verticales.

La entrada del fluido frío caloportador (sales frías), procedente del tanque de almacenamiento frío, se produce por los paneles centrales situados en la cara norte (primer panel sección noreste y primer panel sección noroeste). La mitad del flujo entrante es conducido hacia los paneles de la sección noreste y la otra mitad hacia los paneles de la sección noroeste, con paso vertical descendente y ascendente de forma alternativa en los paneles adyacentes (camino en forma de serpentín). Una vez recorridos los ocho paneles de las secciones situadas en la cara norte (noreste y noroeste) se produce un cruce del flujo, es decir, el flujo de salida de los paneles noreste entran en la sección de los paneles suroeste y el flujo de salida de los paneles noroeste entran en la sección de los paneles sureste.

Al igual que en las secciones situadas en la cara norte, el recorrido del fluido caloportador por el interior de los tubos de los paneles adyacentes es en forma de serpentín hasta su salida.

La salida del fluido caliente se produce por los paneles centrales situados en la cara sur del receptor.

Según lo expuesto anteriormente, los receptores de sales fundidas pueden presentar varias dificultades como por ejemplo, grandes pérdidas térmicas por tratarse de un receptor exterior y daños en su estructura debido a las altas temperaturas de operación, a la distribución del flujo incidente (no uniforme), a las tensiones térmicas a las que está sometido el material y a los efectos de corrosión sobre el material.

Los ciclos térmicos son generados por la exposición de la superficie del receptor a la radiación solar concentrada por el campo de helióstatos (con la que se alcanzan temperaturas del metal en los tubos cercanas a 800ºC), y al gradiente de temperatura del fluido caloportador entre la entrada (290ºC, punto de fusión) y la salida del receptor (565ºC, temperatura de degradación de la sal).

Los mencionados inconvenientes de los receptores de sales fundidas pueden reducirse mediante este nuevo diseño de receptor por tratarse éste de un receptor de cavidad (instalado en lo alto de una torre dentro de un hueco o cavidad) que además disminuye el gradiente de temperatura entre la salida y la entrada de la mezcla de sales fundidas al receptor gracias a la recirculación que a continuación se explica. Para ello, en la presente invención se propone recircular parte del caudal de la corriente de salida (mezcla de sales fundidas caliente).

Es aquí donde radica la importancia del diseño y la configuración del receptor. Un adecuado diseño y configuración del receptor conducirá a un control estable del sistema durante la operación de la planta solar, especialmente ante periodos transitorios (paso de nubes); garantizando de esta forma la integridad de su estructura y su durabilidad (vida útil del receptor entre 20 y 30 años).

Además, el empleo de sales fundidas como fluido caloportador y medio de almacenamiento térmico permite mejorar la eficiencia de la planta solar termoeléctrica, ya que las temperaturas alcanzadas son superiores sin necesidad de incrementar la presión de operación como se requeriría con agua/vapor; lo que conlleva a un coste inferior del receptor.

Descripción de la invención

Esta invención propone el diseño de un receptor central de torre...

1. Receptor solar de sales fundidas de tipo torre, a través del cual circula el fluido caloportador, caracterizado porque el receptor (10) se alimenta con un fluido caloportador a base de sales fundidas que proviene de un sistema de recirculación el cual comprende un depósito de mezcla (6), un tanque de almacenamiento de sales calientes (9) y un tanque de almacenamiento de sales frías (8); el tanque de mezcla (6) se alimenta con una parte del fluido caloportador caliente (4) que sale del receptor (10) y con fluido caloportador frío (5) que sale del tanque de almacenamiento de sales frías (8); el tanque de almacenamiento de sales calientes está conectado con la salida del receptor (10) de forma que almacena la parte de fluido caloportador que no se recircula (3).

2. Receptor solar de sales fundidas según reivindicación 1 caracterizado porque dicho receptor es un receptor de tubos.

3. Receptor solar de sales fundidas según reivindicación 2 caracterizado porque dicho receptor es un receptor de tubos verticales.

4. Receptor solar de sales fundidas según reivindicación 2 caracterizado porque dicho receptor es un receptor de tubos horizontales.

5. Receptor solar de sales fundidas según reivindicación 1 caracterizado porque emplea como fluido caloportador una mezcla de sales de nitrato fundidas.

6. Receptor solar de sales fundidas según reivindicación 5 caracterizado porque emplea como fluido caloportador una mezcla de sales de nitrato fundidas siendo esta de una composición de 60% NaNO₃ y 40% KNO₃.

7. Receptor solar de sales fundidas según reivindicación 1 caracterizado porque el sistema de recirculación comprende una bomba (7) de impulsión de la salida del depósito de mezcla (6) hasta el receptor (10) situado en lo alto de la torre y unas válvulas de regulación (15, 16, 17, 18) a la entrada de cada panel (11, 12, 13, 14, 15) del receptor.

8. Procedimiento para reducir el gradiente térmico en un receptor solar de sales fundidas como el descrito en las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para reducir el gradiente se recircula parte de la corriente de sales fundidas que sale del receptor a elevada temperatura y se mezcla con una corriente de sales fría, de manera que el fluido caloportador de sales que entran en el receptor se encuentra a una temperatura intermedia, lo que disminuye el gradiente térmico entre la entrada y salida del mismo.

9. Procedimiento para reducir el gradiente térmico en un receptor solar de sales fundidas según reivindicación 8 caracterizado por comprender las siguientes etapas: