MÉTODO Y PLANTA TERMOSOLAR MODULAR PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.

Método y planta termosolar modular para la producción de energía eléctrica.

La presente invención se refiere a un método y a una planta termosolar modular para la producción de energía eléctrica a partir de radiación solar concentrada. La planta posee un diseño modular y no necesita aporte de energía suplementaria para su funcionamiento. Para ello comprende una pluralidad de circuitos primarios (11) para la expansión del vapor generado de un primer fluido caloportador (2) dispuestos en paralelo y una pluralidad de circuitos secundarios (15) cerrados de Rankine para la circulación de un segundo fluido caloportador orgánico (3) dispuestos en paralelo, estando ambos circuitos conectados en cascada entre sí y comprendiendo cada uno de los circuitos primarios (11) y secundarios (15) una turbina de vapor (12, 16) y un alternador (13) para la producción de energía eléctrica (21).

Método y planta termosolar modular para la producción de energía eléctrica

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método y a una planta termosolar modular para la producción de energía eléctrica a partir de radiación solar concentrada. Además como subproductos genera vapor y agua caliente por lo que es adecuada para su implantación junto a procesos industriales que aprovechen los mismos. La planta posee un diseño modular y no necesita aporte de energía suplementaria para su funcionamiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El modelo más extendido de plantas termosolares conectadas a la red se basa en una única turbina de vapor de 50 MW de potencia nominal para convertir en energía eléctrica la energía térmica absorbida mediante colectores solares cilindro parabólicos. Ese diseño incorpora una única turbina de vapor que mueve un único alternador de 50 MW de potencia nominal ya que la legislación subvencionaba las plantas hasta un máximo de 50 MW. Por limitaciones de costes de la tecnología empleada no se han realizado plantas menores.

Para hacer posible la gestión de este tipo de plantas termosolares y especialmente garantizar su arranque matutino, se permite la utilización de hasta un 15% del aporte energético primario a partir de gas natural. Por lo tanto las plantas anteriormente descritas son en realidad plantas hibridadas con gas natural.

La concentración de radiación solar se realiza mediante espejos cilindro parabólicos, generalmente de tipo Eurotrough, normalmente con una sección parabólica de hasta 6 m de apertura máxima, en construcciones lineales formando circuitos de cientos de metros que se orientan permanentemente al sol oscilando en torno a un eje longitudinal norte-sur.

Todo lo anterior deriva en unas elevadas temperaturas de trabajo en los colectores solares, del entorno de los 400 ºC, lo que implica utilizar aceites sintéticos para mantener el fluido térmico en fase líquida a presiones manejables. Sin embargo, estos fluidos tienen la desventaja de que presentan problemas de descomposición, dañan las conducciones y además producen pérdidas difíciles de controlar.

Este tipo de plantas conocidas en el estado de la técnica tienen las siguientes desventajas:

-Desventajas derivadas del empleo de una única turbina de vapor:

 Gran tamaño de la turbina, lo que dificulta su operación, con arranques costosos y paradas frecuentes.

 Elevado coste, ya que involucra tecnología sofisticada y de poca demanda.

 La turbina de vapor es un elemento crítico para el proceso, y sin embargo no tiene repuesto a corto o medio plazo ya que no existe un stock en el mercado sino que se fabrica bajo demanda, pudiendo ser

los plazos de entrega superiores a un año.

 El gran tamaño de la turbina exige un campo solar de grandes dimensiones.

-Dificultades derivadas del emplazamiento requerido:

 Se precisan grandes extensiones de terreno para la implantación del campo solar.

 Se precisa abundante demanda de agua para refrigeración.

 Se precisa una infraestructura importante de conexión a la red para la evacuación de la energía eléctrica generada.

-Dificultades de gestión:

 Requieren hibridación con gas natural para los arranques y el mantenimiento de temperatura y presión.  Originan problemas de conexión a la red motivados por una brusca inyección o una retirada de potencia eléctrica.  Precisan además la realización del mantenimiento de los colectores solares.

-Elevados costes de la planta:

 La tecnología auxiliar de una instalación de vapor de este tipo es costosa y complicada.  Los enormes perjuicios de una avería de la turbina requieren duplicar los sistemas que garanticen su estabilidad, elevando la inversión.  Los colectores Eurotrough resultan caros de construir y aparatosos de instalar, dadas sus grandes dimensiones y la considerable resistencia al viento que presentan.

 Las exigencias de mantenimiento de los colectores son muy elevadas. Por ejemplo, la eficiencia depende en gran medida del sistema de seguimiento solar que debe estar perfectamente orientado hacia el sol. Además se precisa realizar un mantenimiento de cierres hidráulicos ya que sufren grandes desgastes tanto por las alteraciones térmicas diarias como por las elevadas temperaturas de trabajo.

En general la mayoría de las desventajas anteriores se derivan de la utilización de una única turbina de gran tamaño, de la elevada temperatura del foco caliente en el ciclo termodinámico de potencia y del empleo de colectores cilindro-parabólicos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La planta objeto de la invención consiste en una planta termosolar modular para la generación de energía eléctrica que comprende:

-una pluralidad de captadores solares para la captación de energía solar radiante configurados para la generación de vapor de un primer fluido caloportador adaptado para circular a través de los mismos, y

-una unidad de potencia configurada para ser alimentada por el vapor del primer fluido caloportador generado por la pluralidad de captadores solares,

La planta se caracteriza porque comprende adicionalmente:

-al menos un tanque de agua presurizada para la acumulación de energía térmica procedente de la pluralidad de captadores solares localizado entre la pluralidad de captadores solares y la unidad de potencia de modo que dicha unidad de potencia está configurada para ser alimentada adicionalmente por el vapor extraído del tanque de agua presurizada,

y porque la unidad de potencia comprende dos etapas conectadas en cascada:

-una primera etapa que comprende una pluralidad de circuitos primarios dispuestos en paralelo, estando cada circuito primario configurado para la expansión directa del vapor generado del primer fluido caloportador, comprendiendo cada circuito primario:

-una primera turbina de vapor en conexión a su entrada con la pluralidad de captadores solares y/o con el tanque de agua presurizada, y -un primer alternador acoplable al eje de la primera turbina de vapor, configurado para ser accionado por la mencionada primera turbina de vapor para la producción de energía eléctrica y que normalmente incorpora un sistema de acoplamiento de tensiones a la red que asegure el funcionamiento en paralelo con ésta,

-una segunda etapa que comprende una pluralidad de circuitos secundarios de Rankine dispuestos en paralelo, estando cada circuito secundario configurado para la circulación a través del mismo en circuito cerrado de un segundo fluido caloportador de naturaleza orgánica, comprendiendo cada circuito secundario:

-una segunda turbina de vapor orgánico, -un segundo alternador acoplable al eje de la segunda turbina de vapor orgánico de la segunda turbina de vapor configurado para ser accionado por la mencionada segunda turbina de vapor para la producción de energía eléctrica, -un condensador del segundo fluido caloportador que comprende una primera entrada en conexión con la salida de la segunda turbina de vapor orgánico y una segunda entrada en conexión con un enfriador evaporativo configurado para la evaporación de agua procedente de una balsa reguladora o en conexión con dicha balsa reguladora a través de un primer bypass, -un intercambiador para la evaporación del segundo fluido caloportador procedente del condensador que comprende una primera entrada en conexión con la salida del condensador y una segunda entrada en conexión en cascada con las salidas de las primeras turbinas de la pluralidad de circuitos primarios o con la salida de la pluralidad de captadores solares o del tanque de agua presurizada mediante un segundo bypass.

Según lo anterior la etapa de potencia se divide en dos etapas distintas, primaria y secundaria, a su vez compuestas por una pluralidad de circuitos y turbinas conectados en cascada y comprendiendo cada circuito un sistema de conversión termoeléctrica independiente de potencias que pueden estar en un ejemplo de realización en torno a 300 kW. De este modo dicha configuración permite la utilización de micro-turbinas, es decir turbinas de menor potencia, que no precisan ser fabricadas específicamente para este tipo de instalaciones y que por lo tanto evitan las dificultades anteriormente comentadas derivadas del uso de una turbina de gran potencia.

Otra de las ventajas de la anterior configuración es que es totalmente modular pudiendo adaptarse e incluso modificarse fácilmente según los requisitos de la instalación.

Según lo explicado, cada circuito también comprende...

1. Planta termosolar modular para la generación de energía eléctrica (21) que comprende:

-una unidad de potencia (10) configurada para ser alimentada por el vapor del primer fluido caloportador (2) generado por la pluralidad de captadores solares (1) ,

caracterizada porque comprende adicionalmente:

-al menos un tanque de agua presurizada (4) para la acumulación de energía térmica procedente de la pluralidad de captadores solares (1) localizado entre la pluralidad de captadores solares (1) y la unidad de potencia (10) de modo que dicha unidad de potencia (10) está configurada para ser alimentada adicionalmente por el vapor extraído del tanque de agua presurizada (4) ,

y porque la unidad de potencia (10) comprende dos etapas conectadas en cascada:

-una primera etapa que comprende una pluralidad de circuitos primarios (11) dispuestos en paralelo, estando cada circuito primario (11) configurado para la expansión directa del vapor generado del primer fluido caloportador (2) , comprendiendo cada circuito primario (11) :

- una primera turbina de vapor (12) en conexión a su entrada con la pluralidad de captadores solares (1) y/o con el tanque de agua presurizada (4) , y -un primer alternador (13) acoplable al eje de la primera turbina de vapor (12) , configurado para ser accionado por la mencionada primera turbina de vapor (12) para la producción de energía eléctrica (21) ,

-una segunda etapa que comprende una pluralidad de circuitos secundarios (15) de Rankine dispuestos en paralelo, estando cada circuito secundario (15) configurado para la circulación a través del mismo (15) en circuito cerrado de un segundo fluido caloportador (3) orgánico, comprendiendo cada circuito secundario (15) :

-una segunda turbina de vapor (16) orgánico, -un segundo alternador (17) acoplable al eje de la segunda turbina de vapor (16) orgánico configurado para ser accionado por la mencionada segunda turbina de vapor (16) orgánico para la producción de energía eléctrica (21) , -un condensador (19) del segundo fluido caloportador (3) que comprende una primera entrada en conexión con la salida de la segunda turbina de vapor (16) orgánico y una segunda entrada en conexión con un enfriador evaporativo (22) configurado para la evaporación de agua procedente de una balsa reguladora (20) o en conexión con dicha balsa reguladora (20) a través de un primer bypass (23) , -un intercambiador (18) para la evaporación del segundo fluido caloportador (3) procedente del condensador (19) que comprende una primera entrada en conexión con la salida del condensador (19) y una segunda entrada en conexión en cascada con la salida de las primeras turbinas (12) de la pluralidad de circuitos primarios (11) o con la salida de la pluralidad de captadores solares (1) o del tanque de agua presurizada (4) mediante un segundo bypass (24) .

2. Planta termosolar modular, según la reivindicación 1, caracterizada porque la pluralidad de captadores solares

(1) comprenden colectores solares situados en lazo que trabajan en paralelo.

3. Planta termosolar modular, según la reivindicación 1, caracterizada porque la pluralidad de captadores solares

(1) comprenden colectores solares de espejos planos tipo Fresnel dispuestos en horizontal.

4. Planta termosolar modular, según la reivindicación 1, caracterizada porque el tanque de agua presurizada (4) es isotermo.

5. Planta termosolar modular, según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende un reservorio de agua (6)

6. Planta termosolar modular, según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende un condensador auxiliar

(7) para la condensación del vapor de los circuitos primarios (11) que comprende una primera entrada en conexión en cascada con las salidas de las primeras turbinas de vapor (12) de la pluralidad de circuitos primarios (11) y una segunda entrada en conexión con la balsa reguladora (20) a través del primer bypass (23) o con el enfriador evaporativo (22) .

7. Planta termosolar modular, según la reivindicación 1, caracterizada porque el primer fluido caloportador (2) es agua.

8. Método para la producción de energía eléctrica de una planta termosolar modular según lo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende los pasos siguientes:

a) generar vapor del primer fluido caloportador (2) en la pluralidad de captadores solares (1) , b) almacenar la energía excedentaria en forma de agua presurizada en al menos un tanque de agua presurizada (4) para la posterior generación de vapor, c) suministrar el vapor generador en la pluralidad de captadores solares (1) o almacenada en forma de agua presurizada en el tanque de agua presurizada (4) a la pluralidad de circuitos primarios (11) , d) expandir el vapor suministrado en la primera etapa de la unidad de potencia (10) mediante la pluralidad de primeras turbinas de vapor (12) , e) suministrar la energía convertida en la pluralidad de turbinas de vapor (12) a la pluralidad de alternadores (13) para su accionamiento y posterior vertido de la energía eléctrica (21) generada a la red de distribución, f) condensar el vapor del primer fluido caloportador (2) procedente de la salida de las primeras turbinas de vapor (12) mediante la transferencia de calor con el segundo fluido caloportador (3) orgánico, g) expandir el vapor del segundo fluido caloportador (3) orgánico generado mediante la transferencia de calor desde el primer fluido caloportador (2) en la pluralidad de segundas turbinas de vapor (16) orgánico,

h) suministrar la energía convertida de la pluralidad de segundas turbinas de vapor (16) orgánico a una pluralidad de segundos alternadores (17) para su accionamiento y posterior vertido de la energía eléctrica (21) generada a la red de distribución,

i) condensar el vapor expandido de la salida de la pluralidad de segundas turbinas de vapor (16) orgánico mediante el intercambio de calor con agua procedente del enfriador evaporativo (22) o de la balsa reguladora (20) a través del primer bypass (23) .

9. Método para la producción de energía eléctrica de una planta termosolar modular, según la reivindicación 8, caracterizado porque comprende el paso siguiente:

j) enfriar el agua de refrigeración configurado para su circulacion a través de los condensadores (19) y a través del condensador auxiliar (7) mediante el enfriador evaporativo (22) que evapora agua de la balsa reguladora (20) .