Receptor solar de placas.
Receptor solar de placas para central termosolar de torre (4) que comprende:
una placa delantera (8) cuya superficie externa recepciona la radiación solar (2) proveniente del campo de helióstatos (3), una placa trasera (9), elementos de cierre (10) entre las placas (8, 9), colocados en los extremos laterales de ambas, un colector de admisión (5), situado en la parte superior de las placas (8, 9), por donde entra el fluido caloportador al receptor (1) y un colector de evacuación (6), situado en la parte inferior de las placas (8, 9), por donde sale el fluido caloportador del receptor (1); formando las placas delantera (8), trasera (9) y los dos elementos de cierre (10) el cuerpo del receptor (16) que constituye un canal de paso del fluido caloportador (7). Cada torre solar puede contener uno o varios receptores de placas (1) y colocados en serie o en paralelo, circulando por ellas el mismo o distinto fluido (7).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201200203.
Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: VILLARRICA VINES,JORGE, LLORENTE FOLCH,PAULA, SERRANO GALLAR,LUCIA, NAVÍO GILABERTE,RAÚL, CASTRO DE BENITO,Andrés, COCA VALDÉS,Pablo.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F24J2/07
- F24J2/23
Fragmento de la descripción:
RECEPTOR SOLAR DE PLACAS
Sector técnico de la invención
La presente invención pertenece al sector de las instalaciones de energía solar, más
5 concretamente se encuadra dentro de los sistemas de receptor para central termosolar de
torre.
Antecedentes de la invención
La cantidad de energía solar por unidad de tiempo y área, a la distancia media Tierra-Sol
sobre una superficie normal al Sol, que se recibe sobre la Tierra, es aproximadamente
1 O 1 KW/m2 . Esta cantidad es insuficiente para prácticamente todas las aplicaciones donde
dicha energía deba convertirse en trabajo. La solución es la utilización de sistemas o
instalaciones de concentración óptica sobre un foco, para alcanzar mayores densidades de
flujo y por tanto mayores temperaturas.
Ya desde la antigüedad se ha intentado aprovechar la concentración mediante espejos para
15 lograr altas temperaturas. Se cree que Arquímedes (287-212 a. de C) escribió un libro
titulado quot;Sobre espejos que quemanquot; del cual no ha sobrevivido ninguna copia, y que forma
parte del mito-realidad de la destrucción de la flota romana de Marcelo en el año 212.
Posteriormente se ha empleado la concentración de flujo solar en diversas aplicaciones
como la fusión de materiales (Tschirnhaus, 1651-1700) , hornos para cocción (Saussure,
20 1740-1799) o la generación directa de vapor a baja presión (Mouchot, 1825-1912) . Ya en
1896, C.G.O. Barr solicita una patente para una máquina solar, que utiliza una serie de
espejos semi-parabólicos montados sobre vagones de ferrocarril, colocados circularmente,
con una caldera fija situada en el foco del sistema. Esta máquina se considera como una de
las precursoras de los sistemas quot;Power Towerquot;, en los cuales la radiación solar es
25 concentrada por un campo de helióstatos hacia un receptor situado en la parte superior de
una torre, coincidente con el foco del sistema óptico generado. Por otro lado se considera la
patente US3924604, publicada en 1974, como la primera que describe una central
moderna termosolar de torre. En dicha patente una torre central alojaba en su parte
superior un receptor exterior, formado por tubos dispuestos alrededor del eje de la torre, y
30 que recoge los rayos del campo de helióstatos dispuestos en forma circular a su alrededor.
En las centrales termosolares de torre, la radiación procedente del campo de helióstatos, es
recepcionada por la superficie externa del receptor. Un porcentaje de esa radiación es
reflejada y el resto absorbida por el material de dicha superficie exterior, calentándose
durante el proceso. Al calentarse, se produce una diferencia de temperatura entre la
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superficie externa del receptor y el ambiente y parte de la energía absorbida se devuelve al ambiente en forma de pérdidas por radiación y por convección. El resto de la energía absorbida, se transmite por conducción a través del material hasta la superficie interna y de ahí al fluido de trabajo o caloportador del receptor, que transporta dicha energía fuera del receptor para su posterior uso, por ejemplo en un tanque de almacenamiento o en un sistema de generación eléctrica. La temperatura final de la superficie externa del receptor es la de equilibrio entre los diferentes mecanismos que intervienen. Atendiendo a su geometría, se puede clasificar a los receptores solares en dos grupos, receptores de tipo cavidad, como el descrito en la patente US4164123 publicada en 1979, que son aquellos que están alojados en una envolvente o cavidad situada en lo alto de la torre, y receptores de tipo externo, como aquellos dispuestos al aire libre sin ningún tipo de envolvente que los proteja de los elementos. Este último tipo, los receptores externos, suelen tener mayores pérdidas por convección natural, pero pueden aprovechar la radiación de un campo totalmente circular. Ejemplos de receptores de tipo externo se pueden encontrar en las patentes US4136674 publicada en 1979 y US4289114 y US4245618, ambas publicadas en 1981. Ambos sistemas de receptor (cavidad y externo) pueden encontrarse en proyectos de demostración comercial, tales como la planta estadounidense Solar One y la planta española PS10. Por otro lado, el fluido de trabajo que transporta la energía captada en el receptor hasta el punto de uso, se clasifica en dos tipos: fluidos con cambio de fase como el agua y fluidos sin cambio de fase como las sales fundidas y los metales fundidos. En el caso de emplearse el agua, el receptor es realmente un generador de vapor y como tal, dispone habitualmente de sus tres principales partes, esto es, precalentador, evaporador y sobrecalentador, dispuestas de forma sucesiva o no, o incluso sin alguna de ellas como ocurre en las centrales termosolares hibridadas con biomasa u otras tecnologías. El vapor generado mueve directamente una turbina de vapor y permite un almacenamiento mediante depósitos de vapor para cortos periodos de tiempo, que amortiguan los transitorios causados por las nubes. Algunos ejemplos de receptores que utilizan agua como fluido caloportador se pueden encontrar en la patente US485803, publicada en 1984, US12547650, publicada en 2009 y W02010139823, publicada en 2010. En cuanto a las plantas construidas, en la actualidad PS10 cuenta con esta tecnología de generación de vapor. Por otro lado, cuando se requiere una mayor capacidad temporal de almacenamiento de energía, que permita a la instalación termosolar, continuar con la producción eléctrica durante los periodos de baja o nula radiación solar, se emplean fluidos de trabajo quepermitan además un posterior almacenamiento más eficiente. Patentes como la
US5850831, publicada en 1998, y US5862800, publicada en 1999 constituyen ejemplos de
diseños para receptores específicos de sales fundidas. En cuanto a proyectos de
demostración, la planta Solar Two es un ejemplo de esta tecnología.
5 La ecuación de Fresnel proporciona la relación entre la radiación incidente y reflejada y
demuestra que para reducir la reflectancia de una superficie interfacial, el ángulo que forma
la radiación incidente con el vector normal a dicha superficie debe ser lo más próximo
posible a cero. No obstante, los diseños conocidos de receptores hasta el momento, tanto
si utilizan fluidos caloportadores con cambio de fase como si utilizan fluidos sin cambio de
1 O fase, emplean agrupaciones de tubos denominados paneles, generalmente dispuestos de
forma vertical, y conectados en sus extremos, por un lado al colector de admisión, por
donde entra el fluido de trabajo frío y por el otro al colector de evacuación, por donde sale el
fluido de trabajo caliente, siendo el colector la tubería que distribuye el fluido a los
diferentes tubos del panel. Las patentes mencionadas anteriormente muestran este tipo de
15 diseños. En otras ocasiones se emplean otras disposiciones alternativas también basadas
en tubos pero con otras geometrías, como por ejemplo tubos en espiral, tal y como se
describe en la patente US2008/0078378.
Todas las soluciones existentes utilizan por lo tanto tubos, ya que es la geometría
preparada que permitiendo el flujo de fluidos por su interior mejor soporta la presión interna,
20 lo que le hace especialmente indicado para receptores que trabajan con fluidos a elevada
presión, como en el caso del vapor sobrecalentado, donde se alcanzan los 1OMPa
(100bar) . Como contrapartida, su coste es superior a su equivalente en plano (por ejemplo
en chapa) , debido a su mayor complejidad de fabricación.
En los receptores actuales, los paneles además se agrupan para formar una configuración
25 adecuada que maximice la recepción de radiación reflejada por el campo de helióstatos,
como puede ser la semicilíndrica para receptores de cavidad o cilíndrica para receptores
externos. Este tipo de configuración formada por elementos discretos concentra altas
tensiones en todas sus uniones. En consecuencia la unión entre los diferentes paneles así
como la unión tubo-colector son las zonas del receptor con mayores deformaciones de
30 origen térmico. Además para su construcción es necesario aplicar o soluciones como el
encastre directo o de unión tubo colector mediante soldadura, que se ve sometida a
grandes tensiones y que para evitar la fisuración, requiere el empleo de colectores de
mayor diámetro y espesor. La patente US2003/0041857 describe una solución a este
problema que consiste en el uso de boquillas mecanizadas o extruidas, que combinadas o
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no, con manguitos térmicos, permite el uso de colectores más ligeros, pero queincrementan la complejidad y el coste de fabricación.
Por otro lado, en...
Reivindicaciones:
1. Receptor solar de placas (1) para central termosolar de torre (4) que comprende: una placa delantera (8) cuya superficie externa recepciona la radiación solar (2) proveniente del campo de helióstatos (3) , 5 una placa trasera (9) , elementos de cierre (10) entre las placas (8, 9}, colocados en los extremos laterales de ambas, al menos un colector de admisión (5) , situado en la parte superior de las placas (8, 9) , por donde entra el fluido caloportador al receptor (1) y
O al menos un colector de evacuación (6}, situado en la parte inferior de las placas (8, 9) , por donde sale el fluido calo portador del receptor (1 }, formando las placas delantera (8}, trasera (9) y los elementos de cierre (10) el cuerpo central del receptor (16) que constituye un canal de paso del fluido caloportador (7) .
2. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque el fluido caloportador (7) que circula por el interior del receptor (1) es el propio fluido de trabajo del ciclo de potencia.
3. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque el fluido caloportador (7) que circula por el interior del receptor (1) es un fluido caloportador que posteriormente transmite su energía al fluido de trabajo del ciclo de potencia.
5. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 4 caracterizado porque el fluido caloportador (7) es un metal fundido.
7. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque la geometría de las placas (8, 9) tiene curvatura semiesférica.
8. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque la geometría 30 de las placas (8, 9) tiene curvatura semicilíndrica.
9. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 8 caracterizado porque el cuerpo central (16) es de geometría elíptica, siendo los extremos correspondientes al eje mayor de la elipse (17) rectos y con los vértices redondeados.
10. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 8 caracterizado porque el cuerpo 35 central (16) del receptor (1) es rectangular.
11. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque la geometría
de las placas (8, 9) es una curva poligonal a partir de tramos rectos.
12. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque los
colectores de admisión (5) y evacuación (6) del fluido (7) son verticales y se conciben como
5 ensanchamientos de los conductos de entrada o salida del fluido (7) .
13. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque la placa
trasera (9) cuenta con un aislamiento (15) exterior que reduce las pérdidas por convección
y radiación al ambiente.
14. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque al menos
1 O una de las placas delantera y trasera del receptor contiene elementos para mejorar la
transferencia de calor al fluido.
15. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 14 caracterizado porque el
elemento para la mejora de la transferencia de calor comprende patrones de rugosidad en
las paredes de al menos una de las placas (8, 9) .
15 16. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 14 caracterizado porque el
elemento para la mejora de la transferencia de calor consiste en corrugar en las paredes de
al menos una de las placas (8, 9) .
17. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 14 caracterizado porque el
elemento para la mejora de la transferencia de calor consiste en la instalación de aletas en
20 las paredes de al menos una de las placas (8, 9) .
18. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque al menos
uno de los colectores (5, 6) dispone de un aleteado interno.
19. Receptor solar de placas (1) según la reivindicación 1 caracterizado porque cada uno de
los recepores (1) constituye un módulo independiente y cada torre solar (4) cuenta con al
25 menos uno de ellos.
20. Torre solar (4) caracterizada porque comprende uno o varios receptores (1) como los
descritos en reivindicaciones anteriores.
21. Torre solar (4) según reivindicación 20 caracterizada porque comprende varios
receptores (1) colocados en serie, es decir, uno aliado de otro.
30 22. Torre solar (4) según reivindicación 21 caracterizada porque comprende tres receptores
colocados en serie como los descritos en la reivindicación 9, siendo el conjunto de los tres
receptores (1) en serie el que se ajusta a la huella (2) o mapa de flujo de la radiación solar.
23. Torre solar (4) según reivindicación 20 caracterizada porque comprende varios
receptores (1) colocados en paralelo, es decir, uno detrás de otro.
35 24.Torre solar (3) según reivindicación 23 caracterizada porque se utiliza una única placa
intermedia (11) entre receptores, que hace las veces de placa trasera (9) del receptor delantero y placa delantera (8) del receptor trasero.
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