Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable, con carga y descarga a presión deslizante, y dispositivo para su puesta en práctica.

Procedimiento de acumulación de energía termosolar, que comprende una fase de carga de energía,

en la que un fluido condensable recibe calor de origen termosolar y se acumula en un calderín caliente (3), que aumenta de presión y temperatura a medida que se llena de fluido en equilibrio líquido-vapor; y una fase de descarga de energía, en la que la presión y la temperatura disminuyen al enviarse el vapor del calderín caliente (3) a los cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de una turbina, tras lo cual el fluido se acumula en un calderín frío (4). El dispositivo empleado para implementar el citado procedimiento tiene un sistema de control que actúa sobre una válvula (12) que permite mantener constante la potencia producida.

Sector de la técnica

El sector de la técnica al que pertenece la invención es el de las centrales termosolares de generación de electricidad por medio de un ciclo termodinámico que utiliza como fluido de trabajo uno de naturaleza condensable, con cambios de fase de líquido a vapor y de vapor a líquido. Más concretamente, la invención se encuadra en el campo de las centrales termosolares dotadas de un sistema de almacenamiento, cuyo objetivo es aumentar la disponibilidad técnica de la central durante un periodo de operación mayor que el que se tendría si el funcionamiento se limitase exclusivamente a las horas del día en las que existe irradiación solar.

La invención resulta especialmente adecuada en centrales termosolares con generación directa de vapor (GDV) , en las que es usual el funcionamiento con vapor saturado, si bien también puede usarse en otros tipos de centrales, ya que es posible el funcionamiento en paralelo con muchos de los sistemas de producción de potencia ya conocidos en el Estado de la Técnica.

Problema técnico que se quiere resolver

La disponibilidad del recurso primario de una central eléctrica termosolar sin ningún sistema de almacenamiento está ligada a la presencia de la radiación procedente del sol, por lo que es de carácter cíclico y está, por tanto, desacoplada de las necesidades de consumo energético. Por otra parte, los sistemas de producción de potencia de las centrales eléctricas requieren un funcionamiento lo más estable posible, particularmente si están basados en turbinas, ya que estas máquinas tienen elevadas inercias termomecánicas y responden mal a los cambios de carga, por no mencionar las dificultades que entrañan los arranques y paradas demasiado frecuentes.

En aquellos casos en los que una central termosolar dispone de un sistema de almacenamiento, éste permite adaptar la producción de energía térmica del campo solar, que varía con el ciclo solar diario y las inestabilidades meteorológicas, de manera que se satisfaga el requisito de operación estable del bloque de potencia. A la estabilidad de funcionamiento se añade una segunda característica, también de gran importancia, que es la posibilidad de prolongar el periodo de funcionamiento de la central más allá de aquél en el que el sol está presente. Se consigue así la posibilidad de gestionar la producción de potencia en función de su demanda. La gestionabilidad energética redunda en un aumento del rendimiento global de la central y de su disponibilidad, lo que, a su vez, conlleva una mejor viabilidad económica, reduce la necesidad de mantenimiento, aumenta la expectativa de vida útil y, por ende, dota a la central de un argumento competitivo frente a otros sistemas de producción de energía de naturaleza renovable como las eólicas o las fotovoltaicas, que carecen de esa posibilidad.

La elección del tipo de almacenamiento depende de aspectos vinculados a cada una de las tecnologías solares disponibles, a través del tipo de fluido caloportador utilizado y del nivel térmico que se pueda alcanzar. Uno de los factores más importantes es la capacidad térmica del sistema, entendida como la cantidad de energía que es capaz de asimilar durante la carga y de proporcionar durante la descarga.

El sistema de almacenamiento ha de cumplir con una serie de requisitos generales tales como:

• Alta densidad energética del medio de almacenamiento.

• Buena tasa de transferencia térmica entre el fluido calorífero del campo solar y el medio de almacenamiento (si son distintos) .

• Rango de temperaturas acorde con la aplicación.

• Estabilidad mecánica y química del medio de almacenamiento.

• Reversibilidad completa para un gran número de ciclos de carga/descarga del proceso.

• Bajas pérdidas térmicas.

• Facilidad de regulación y control.

De entre los distintos sistemas posibles, tal vez el más comúnmente empleado en la fecha de redacción de esta solicitud de patente sea el que emplea sales fundidas como fluido de almacenamiento, ya que éstas satisfacen en buena medida los requisitos expuestos anteriormente. Las sales se pueden emplear en campos solares tanto de elevada como de media concentración, de lo que dependerá el nivel térmico que se alcance. Sin embargo, presentan dos inconvenientes señalados, uno de carácter técnico y otro económico: el primero es su elevado punto de congelación, lo que requiere mantener siempre la temperatura por encima de ese punto; el segundo es su alto precio, lo que puede encarecer el coste de la central, dado el elevado volumen de fluido que es necesario si se quiere que la capacidad del almacenamiento no sea demasiado pequeña.

Se plantea, por tanto, la conveniencia de encontrar un fluido de almacenamiento alternativo sin esos inconvenientes. De entre todos los posibles, el primero que resulta obvio considerar es el agua, que es abundante y barata, posee un elevado calor específico en su fase líquida y tiene un punto de congelación notablemente menos problemático que el de las sales fundidas. La presente invención saca provecho, además, de la naturaleza condensable del vapor de agua, utilizando el intercambio térmico que se produce en los fluidos condensables entre el calor latente y el calor sensible.

El agua presenta, no obstante, dos inconvenientes para ser usada en sistemas de almacenamiento térmico: por una parte, su temperatura de saturación es baja a presiones cercanas a la atmosférica (100 ºC a 1 bar) ; por otra parte, a temperaturas aún relativamente bajas su presión de vapor es elevada (la temperatura y presión críticas son 374 ºC y 221 bar) . En la presente invención se soslayan esos inconvenientes prescribiendo una variación continua de la presión dentro de una ventana de diseño con valores adecuados para la producción de potencia mecánica en ciclos de Rankine con turbinas de vapor.

Si bien el agua es la principal alternativa contemplada, la invención no es limitativa en ese sentido y puede aplicarse también con otros fluidos condensables, con el mismo principio de funcionamiento.

La invención postula la viabilidad de un sistema de almacenamiento para centrales termosolares que emplee un fluido condensable como caloportador. Por viabilidad se entiende que durante la descarga sea capaz producir la potencia nominal a lo largo de un periodo de tiempo prolongado, con un diseño sencillo y un coste aceptable.

Antecedentes de la invención Existe una amplia variedad de sistemas de almacenamiento térmico. La mayor parte de ellos utilizan un fluido del que se aprovecha su calor sensible, que aumenta durante la carga y disminuye durante la descarga a base de aumentar y disminuir, respectivamente, la temperatura del fluido durante esos procesos.

Mucho menos frecuentes son los sistemas que se valen, no del calor sensible, sino del calor latente de cambio de fase, bien sea de fusión-congelación (en el paso de sólido a líquido y viceversa) o de evaporación-condensación (en el paso de líquido a vapor y viceversa) .

La solicitud de patente europea EP 2 096 305 A1 “Installation de génération d’énergie électrique à partir d’énergie solaire” constituye un ejemplo de sistema de almacenamiento que se vale del calor de cambio de fase -en este caso de fusión-, ya que la energía térmica recolectada en un campo solar se almacena en forma de calor latente mediante la fusión de un material orgánico o mineral contenido en una pluralidad de cápsulas estancas, en las que la temperatura se mantiene entre 100 ºC y 130 ºC. El fluido caloportador, que intercambia calor, por una parte con el campo solar, por otra parte con el fluido del almacenamiento y, por último con el fluido de trabajo del ciclo termodinámico en el generador de vapor para la turbina, es agua con una temperatura máxima de 150 ºC, a una presión máxima de 6 bar. El fluido caloportador y el fluido de trabajo del ciclo termodinámico son diferentes y el intercambio de calor entre ellos se produce por la interposición entre los dos de una superficie de transmisión; el rango de temperaturas del ciclo termodinámico queda limitado por el del fluido caloportador, lo que conlleva la necesidad de que el fluido de trabajo del ciclo termodinámico sea un fluido orgánico como el butano o el propano.

La solicitud de patente francesa FR 2 454 599 A “Procédé d’amélioration de l’échange de chaleur dans un accumulateur de chaleur latente et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé” también usa el principio de acumulación por calor latente de fusión. En esa invención se propone el uso de un agente de dispersión (aceite de parafina) , puesto en contacto con...

-Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable, que comprende los siguientes procesos:

-transmisión de calor al fluido condensable, que recibe ese calor procedente bien directamente de un campo solar o bien procedente de otro fluido que ha evolucionado en un campo solar, realizándose dicha transmisión de calor en, al menos, dos intercambiadores de calor: un precalentador (1) , por el que circula liquido subenfriado que se calienta hasta una temperatura cercana a la de saturación, y un generador de vapor (2) , en el que tiene lugar una ebu11ición del liquido saturado; -transporte del líquido a la salida del precalentador (1) hacia un calderín caliente (3) , de cuyo interior se extrae una fracción que se conduce al generador de vapor (2) , donde una parte del Hquido se convierte en vapor saturado, retornando a continuación al calderín caliente (3) la mezcla así obtenida de las fases liquida y vapor; -suministro de vapor saturado a una turbina de vapor que comprende, al menos, un cuerpo de alta presión (5) y un cuerpo de baja presión (6) , expandiéndose el vapor en dichos cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) ; -recolecdón del fluido condensable que evoludona en los cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de la turbina en un calderín fria (4) , y transporte de la fase liquida del fluido condensable desde el calderin frío (4) , primero al precalentador (1) , luego al calderín caliente (3) y, de ahí, al generador de vapor (2) ;

caracterizado por que comprende:

-una fase de carga de energía, en la que el calderfn caliente (3) se va llenando de fluido condensable, que aumenta de presión y temperatura debido al intercambio de calor en el precalentador (1) Y el generador de vapor (2) ; en el interior del calderín caliente (3) coexisten en equilibrio la fase líquida y la fase vapor, ambas en condiciones de saturación, de modo que la energla se almacena en el calderln caliente

(3) en forma de masa de fluido condensable con alta entalpía; -una fase de descarga de la energía, en la que el calderín caliente (3) se vacía progresivamente de fluido condensable; asl, el vaciado tiene lugar por medio de la evaporación de la fase liquida, que se transforma en vapor saturado que abandona el calderín caliente (3) por diferencia de presiones, para alimentar al cuerpo de alta de la turbina (5) , de modo que la presión y la temperatura del fluido en el inlerior del calderín caliente (3) van disminuyendo progresivamente durante la fase de descarga.

-el intervalo de variación de la presión dentro del calder!n caliente (3) tiene prescritos sus límites con unas presiones de consigna mínima y máxima entre las que se ha de operar, tales que: -la presión mlnima, que es la existente cuando finaliza la descarga y comienza la carga, es tal que, con ese valor de la presión del vapor en la a~misión de la turbina, ésta desarrolla la potencia nominal con la que se disena el almacenamiento; -la presión máxima, que es la presión de saturación a la temperatura existente al terminar el proceso de carga, es menor que la presión critica del fluido de trabajo, de modo que al inicio de la descarga se tiene vapor saturado a la entrada de la turbina; -la masa de fluido de trabajo almacenada en el calderln caliente (3) al inido de la descarga se escoge arbitrariamente como una variable de diseño de la instalación, de la que depende el tiempo que dura un proceso de descarga, para un rango de presiones dado; y -el almacenamiento del calor en el calderin caliente (3) se realiza de forma adiabática.

-Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el suministro con vapor saturado al cuerpo de alta presión (5) de la turbina se realiza desde el calderln caliente (3) a través de una válvula de laminadón (12) , de manera que dicho suministro de vapor a la entrada del cuerpo de alta presión (5) de la turbina tiene lugar a una presión tal que se mantiene constante la potencia producida en la turbina.

-Procedimiento de acumulación de energla termosolar mediante un fluido condensable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la carga del almacenamiento y el funcionamiento de la turbina de producción de potencia tienen lugar al mismo tiempo, de tal modo que el almacenamiento se va cargando mientras el aporte solar es mayor que el nominal necesario para la producción del vapor que consume la turbina.

- Procedimiento de acumulación de energla termosolar mediante un fluido condensable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la descarga suplementa la potencia obtenida en el uso normal, gracias al

-Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que las fases de carga de energía y descarga de energfa se realizan de forma no simultánea, sucediéndose en el tiempo de forma alterna, comenzando la descarga una vez que ha terminado la carga .inmediatamente anterior, reservándose la descarga para los momentos de ausencia de radiación, lo que prolonga el periodo de utilización diario de la central.

-Dispositivo de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable, que se emplea en el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y se ajusta a un ciclo termodinámico Rankine en el que una turbina de vapor genera en su eje trabajo mecánico, que comprende:

-al menos dos intercambiadores de calor, en los que el fluido condensable recibe calor, bien desde un campo solar por radiación directa, o bien por convección desde otro fluido caloportador que ha evolucionado previamente en un campo solar, realizando dicho intercambio de calor en un precalentador (1) Yun generador de vapor

(2) , de manera que a la salida del precalentador (1) , el fluido condensable se almacena en un calderfn caliente (3) , y una fracción de dicho fluido condensable almacenado en el calderín caliente (3) evoluciona al generador de vapor (2) , evaporándose parcialmente y conduciéndose de nuevo al calderín caliente (3) ;

-una turbina de vapor que comprende, al menos, un cuerpo de alta presión (5) de la

turbina y un cuerpo de baja presión (6) de la turbina, expandiéndose el vapor en dichos cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de la turbina; -un condensador (8) y un calderln frlo (4) , en el que se recoge el vapor que evoluciona en los cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de la turbina;

caracterizado por que

-en el calderín caliente (3) coexisten en equilibrio la fase líquida y la fase vapor del fluido de trabajo, siendo esta última la que aporta el caudal de alimentación al cuerpo

de alta presión (5) de la turbina, ; -el volumen del calderín caliente (3) es tal que en su interior se acumulan la masa de fluido condensable existente al final de la descarga sumada a la totalidad de la masa de fluido de trabajo necesaria para mantener los cuerpos de alta presión (5) y baja 8 -Dispositivo de acumulación de energra termosolar según la reivindicación 7, S caracterizado por que existe un sistema de control que actúa, gracias a una válvula de laminadón (12) , sobre la presión de entrada al cuerpo de alta presión (5) de la turbina, de tal modo que la potencia que se obtiene en el eje de la turbina es constante a lo largo del tiempo que dura la descarga.

R2

R1

Figura 1

Figura 2

2, 0 3, 0 4, 0 5, 0 6, 0 7, 0 8, 0 9, 0

s [kJ/kg-K]

Figura 3