TANQUE DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE BITEMPERATURA ÚNICA PARA APLICACIÓN EN LA PLANTA TÉRMICA SOLAR.

TANQUE DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE BITEMPERATURA ÚNICA APLICACIÓN EN LA PLANTA TÉRMICA SOLAR

DECLARACIÓN CON RESPECTO AL PATROCINIO FEDERAL

INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO

El gobierno puede tener ciertos derechos sobre esta invención de acuerdo con el Contrato N° DE-FOA-0000065 adjudicado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

ANTECEDENTES Esta descripción se refiere a un tanque de almacenamiento termoclino adecuado para ser usado en un sistema de potencia solar, por ejemplo.

Típicamente, dos grandes tanques de almacenamiento se usan para plantas solares de almacenamiento térmico de sal fundida (torre de potencia o diseño de tanques) . Estos tanques típicamente pueden contener bien más de 50 millones de libras de sal cada uno y medir alrededor de 38 m de diámetro y más de 12m de altura. En un sistema de hornos de potencia el tanque frío se fabrica típicamente de un material de acero al carbono y almacena sal a alrededor de 288°C. El tanque caliente puede típicamente ser fabricado de acero inoxidable o de otra aleación de alta resistencia y almacena sal a alrededor de 566°C.

Cada tanque está dimensionado para almacenar la totalidad del inventario de trabajo de sal fundida. En la mañana, la sal fundida a 288°C es bombeada fuera del tanque frío dentro del receptor de energía solar en el que esta es calentada a 566°C y luego almacenada en el tanque caliente, Cuando se necesita producir vapor y corriente eléctrica, la sal caliente es bombeada fuera del tanque caliente y enviada al sistema generador de vapor en el que esta es enfriada de nuevo a 288°C y devuelta al tanque de almacenamiento térmico frío. De esta manera la sal es ''lanzada" hacia atrás y hacia delante entre los dos tanques siguiendo un ciclo diurno. Por tanto hay una capacidad de almacenamiento doble

en el volumen combinado de los dos tanques en los que hay sal fundida. A veces un tanque está generalmente lleno y el otro generalmente vacío y otras veces ambos tanques están parcialmente llenos. Los tanques de sal para plantas de potencia solar grande son muy caras e 5 incluyen el trazado térmico eléctrico u otras formas de calentadores, aislamiento térmico, cimentación refrigerada, instrumentación, y otros eqmpos suplementarios que incluyen una estructura de soporte. Actualmente, los diseñadores han estudiado sustituir los tanques frío y caliente con un tanque único, pero no han resuelto el problema de mezclar los fluidos caliente y frío en 1 O un único tanque de modo efectivo y eficaz. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Estas y otras características de la descripción pueden ser comprendidas mejor a partir de la especificación siguiente y de uno o más dibujos, a continuación de los cuales se proporciona una breve descripción. 15 La Figura 1A es una vista esquemática general de un sistema de torre de potencia solar. La Figura lB es un gráfico que representa generalmente regiones caliente y frías de un fluido separado por una región termoclina. La Figura 2A es una vista esquemática de un ejemplo de tanque de 20 almacenamiento termoclino para un sistema de potencia solar. La Figura 2B es una vista en alzado superior de un desviador mostrado en la Figura 2A. La Figura 2C es una vista en alzado superior parcial de desviadores espaciados entre sí mostrados en la Figura 2A. 25 La Figura 3A es una visa esquemática de otro ejemplo de tanque de almacenamiento termoclino para un sistema de potencia solar. La Figura 3B es una vista en alzado superior de un desviador mostrado en la Figura 3A.

La Figura 3C es una vista en sección transversal parcial del desviador 30 mostrado en la Figura 3B tomada a lo largo de la línea 3C-3C.

La Figura 4A es una vista esquemática de todavía otro ejemplo de tanque

de almacenamiento termoclino para un sistema de potencia solar. La Figura 4B es un sistema esquemático de un control usado para controlar un desviador movible representado en la Figura 4A. DESCRIPCIÓN DETALLADA

Haciendo referencia a la Figura lA, un sistema 20 de torre de potencia solar incluye un sistema 22 receptor central de alta concentración que tiene un montaje 24 reflector acoplado a una estructura 25 de torre a una altura predeterminada por encima del terreno para recibir la radiación solar S. Miles de espejos o heliostatos 26 de seguimiento del sol reflejan la radiación solar S sobre el montaje reflector 24.

Sal fundida u otro fluido de transferencia térmica es enviado a y desde un tanque de almacenamiento térmico bi-temperatura único o tanque 27 de almacenamiento termoclino. El tanque 27 de almacenamiento termoclino incluye una región 28 de almacenamiento fría y una región 3 O de almacenamiento caliente en un tanque común. Sal "Fría", que está a alrededor de 288° C en un ejemplo es comunicada con desde la región 28 de almacenamiento fría a través del sistema receptor central 22 en el que esta es calentada. El fluido de transferencia térmica "caliente", en el ejemplo, sal a alrededor de 566°C, es comunicado entonces con la región 30 de almacenamiento caliente. Cuando se requiere potencia, la sal fundida caliente es bombeada a un sistema 32 generador de vapor que produce vapor. El vapor acciona una turbina/generador 34 que crea electricidad para la comunicación a una rejilla 38 de potencia. La sal es devuelta al sistema 27 de tanque de almacenamiento frío (del sistema 32 generador de vapor) , donde esta es almacenada y eventualmente recalentada en el sistema receptor central 22. Se ha de entender que aunque una disposición de componentes particular se describe en la realización ilustrada, cualquier disposición que utilice un único tanque de almacenamiento térmico bitemperatura se beneficiará también de los ejemplos descritos.

Un tanque de almacenamiento termoclino está basado en el principio de

que el fluido caliente en un medio en reposo tiende a elevarse y permanecer por encima del fluido frío en el mismo tanque. Este fenómeno es conocido también como estratificación térmica, la cual es ilustrada gráficamente en la Figura lB 5 como temperatura en función de la distancia al fondo del tanque de almacenamiento. Una región termoclina o de gradiente térmico es la capa en la cual la temperatura cambia más rápidamente con el cambio en la profundidad que lo hacen las temperaturas en las capas por encima por debajo. Como la temperatura del fluido caliente disminuye en la región 30 de almacenamiento 1 O caliente, su densidad aumenta y este tiende a "caer" a menos que el fluido esté también enfriándose a un régimen igual o mayor. Las densidades relativas del fluido determinan su posición en altura dentro del tanque. El fluido frío en la región 28 de almacenamiento frío es mucho más denso que el fluido caliente en la región 3 O de almacenamiento caliente. El hecho de que la sal fundida tenga 15 una conductividad térmica relativamente baja tiende a ayudar en este efecto de estratificación. La sal fundida puede ser considerada como un aislamiento líquido. Una región termoclina 40 desarrolla y separa naturalmente las regiones 28, 30 de almacenamiento fría y caliente. No obstante, esta separación natural no proporciona un almacenamiento suficientemente eficiente para ser usado en 20 sistemas de potencia solares. Las Figuras 2A-2C muestran un tanque de almacenamiento termoclino que tiene una pared 41 asegurada operativamente a una pared 42 de fondo para proporcionar una cavidad 45. La pared 41 incluye una porción 43 que tiene una geometría o forma interiormente dispuesta dentro del tanque de almacenamiento. 25 Un montaje 46 desviador fijado está dispuesto en la región trermoclina. Un desviador es una obstrucción usada para separar sustancialmente las regiones 28, 30 de almacenamiento fría y caliente. El montaje desviador 46 incluye desviadores primero, segundo y tercero, 50, 52, 54, proporcionando cada uno un

perímetro 56. Una falda 44, que es un cerco del montaje 46 de desviador, se 30 proporciona sobre el perímetro 56 y tiene una geometría basada en la porción 43, por ejemplo, de una forma complementaria a la porción 43 de modo que la porción 43 y la falda 44 están en una relación de colocación muy próxima. En un...

l. Un tanque de almacenamiento para un sistema de potencia solar que 5 comprende: Una estructura que incluye una pared exterior adyacente a una pared de fondo y que proporciona una cavidad configurada para almacenar un fluido; y Múltiples desviadores dispuestos en la cavidad y espaciados de la pared de fondo en una región termoclina, incluyendo.· los desviadores un perímetro 1 O dispuesto en estrecha proximidad con y fijados con relación a la pared exterior, estando los desviadores configurados para separar de modo sustancial físicamente la cavidad en regiones caliente y fría. 2. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 1, en el que, los desviadores están espaciados verticalmente unos de otros dentro de la región 15 termoclina. 3. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 2, en el que los desviadores incluyen múltiples perforaciones dispuestas dentro del perímetro y configuradas para permitir la circulación sustancialmente limitada entre las regiones de almacenamiento caliente y fría a través de los desviadores. 20 4. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 3, en el que un primer conjunto de perforaciones en un primer desviador están desplazadas de un segundo conjunto de perforaciones sobre un segundo desviador. 5. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 2, en el que la cavidad incluye una altura de tanque, estando los desviadores dispuestos 25 verticalmente dentro de la región termoclina sobre una distancia mayor del 5% de la altura del tanque. 6. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 1, que comprende al menos un poste de soporte generalmente vertical dispuesto a bordo de la pared exterior conectado operativamente al menos a un desviador.

7. Un tanque de almacenamiento para un sistema de potencia solar que

comprende: una estructura que incluye una pared exterior contigua a una pared inferior y que proporciona una cavidad de tanque configurada para almacenar un fluido; 5 y un desviador flexible dispuesto en la cavidad y espaciado de la pared inferior, incluyendo el desviador flexible un perímetro sustancialmente obturado y adherido a la pared exterior y configurado para sustancialmente separar físicamente la cavidad en cavidades caliente y fría en una región termoclina, 1 O estando configurado el desviador flexible para desviar dentro de la región termoclina en respuesta a la variación de los volúmenes caliente y frío respectivamente proporcionada en respuesta a la variación de los volúmenes caliente y frío respectivamente proporcionada por las cavidades caliente y fría a medida que la región termoclina se desplaza. 15 8. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 7, en el que el separador flexible incluye corrugaciones configuradas para permitir desviar un cambio en los volúmenes caliente y frío. 9. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 7, en el que el separador flexible incluye al menos una abertura y comprendiendo un elemento 20 que se extiende entre las cavidades caliente y fría a través de la abertura, proporcionando la abertura un área de circulación entre el elemento y el desviador flexible configurada para permitir la circulación de fluido entre las cavidades caliente y fría, correspondiendo el área de circulación a menos del 1% de la sección transversa horizontal a través de la cavidad de tanque en la región 25 termoclina. 10. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 9, en el que el elemento es un conducto de bombeo en comunicación fluida con la cavidad fría. 11. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 7, que

comprende bombas caliente y fría respectivamente en comunicación fluida con 30 las cavidades caliente y fría, estando configurada la membrana flexible para

expandirse en la dirección vertical para acomodar alrededor del 95% de cualquiera de las cavidades caliente y fría en respuesta al fluido bombeado a la misma y desde la misma.

12. Un tanque de almacenamiento para un sistema de potencia solar que comprende: una estructura que incluye una pared exterior adyacente a una pared de fondo y que proporciona una cavidad configurada para almacenar un fluido;

un desviador movible dispuesto en la cavidad y espaciado de la pared de fondo en una región termoclina, incluyendo el desviador un perímetro dispuesto en estrecha proximidad con la pared exterior y configurado para sustancialmente separar físicamente la cavidad en regiones de almacenamiento caliente y fría;

bombas caliente y fría respectivamente en comunicación fluida con las regiones caliente y fría configuradas para bombear fluido con caudales de circulación hacia y desde las regiones de almacenamiento caliente y fría desplazando de ese modo la región termoclina; y

un controlador en comunicación con al menos una de las bombas caliente y frías y configurado para mover el desviador dentro de la región termoclina de desplazamiento basado en al menos uno de los regímenes de circulación.

13. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 12, en el que el desviador flexible incluye al menos una abertura y comprende un elemento que se extiende entre las regiones caliente y fría a través de la abertura.

14. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 13, en el que el elemento es el conducto de bombeo en comunicación fluida con al menos una de las bombas.

15. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 13, en el que el elemento es un poste de soporte generalmente vertical dispuesto en el interior de la pared exterior.

16. Un tanque que comprende: una pared que tiene una porción; un desviador situado en una región de gradiente térmico; y

una falda fijada al desviador, teniendo la falda una geometría basada al

menos en parte sobre la porción, la falda próxima a la porción. 17. El tanque de la reivindicación 16, en el que la porción define al menos una mayor parte de una porción vertical de la pared. 5 18. El tanque de la reivindicación 16, en el que el desviador separa sustancialmente un primer volumen y un segundo volumen. 19. El tanque de la reivindicación 18, en el que un fluido caliente está en el primer volumen y un fluido frío está en el segundo volumen. 20. El tanque de la reivindicación 19, en el que una mezcla de fluido 1 O caliente y fluido frío está limitada por el separador. 21. El tanque de la reivindicación 20, en el que el desviador incluye aberturas plurales. 22. El tanque e la reivindicación 21, en el que las aberturas plurales permiten una circulación sustancialmente limitada entre el primer volumen y el 15 segundo volumen. 23. Un tanque que comprende: una pared que tiene una porción; una membrana situada en una región de gradiente térmico; y una falda fijada a la membrana, teniendo la falda una geometría basada al 20 menos en parte sobre la porción, la falda próxima a la porción. 24. El tanque de la reivindicación 23, en el que la porción es una porción vertical. 25. El tanque de la reivindicación 23, en el que la membrana separa sustancialmente un primer volumen y un segundo volumen. 25 26. El tanque de la reivindicación 25, en el que un fluido caliente está en el primer volumen y un fluido frío está en el segundo volumen. 27. El tanque de la reivindicación 26, en el que una mezcla del fluido caliente y el fluido frío está limitada por la membrana.

28. El tanque de la reivindicación 27, en el que la membrana incluye 30 aberturas plurales.

29. El tanque de la reivindicación 28, en el que las aberturas plurales permiten una circulación limitada entre el primer volumen y el segundo volumen.