SISTEMA DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO CON GENERACIÓN DIRECTA DE VAPOR.

La invención se incluye en el ámbito de gestión de la energía,

más concretamente en el proceso de almacenamiento y acumulación de energía térmica por calor sensible.

Su implicación directa se establece en la técnica de producción y gestión de las energías renovables, específicamente en las energías renovables que utilizan el sol como fuente primaria de energía (termosolar), si bien la aplicación es extensible a cualquier proceso industrial que precise de un sistema de almacenamiento térmico gestionable.

La invención consiste en un sistema de almacenamiento térmico basado en calor sensible, utilizando para ello las propiedades físicas de diferentes tipos de gravas específicamente distribuidas. Su aplicación se corresponde en aquellos procesos en los que se hace necesario almacenar energía térmica para su utilización posterior de forma gestionable, y de forma específica en el ámbito de las energías renovables que utilizan la energía del sol como fuente principal de energía para su posterior conversión en energía eléctrica, como es el caso de la energía termosolar.

El sistema de carga y descarga de la energía térmica almacenada se realiza mediante una red de tuberías distribuidas uniformemente y en capas, y que transfieren la energía térmica generada a las gravas, en función de su coeficiente de conductividad térmica y densidad de los materiales.

Título de la invención SISTEMA DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO CON GENERACiÓN DIRECTA DE VAPOR

Sector de la técnica La invención se incluye en el ámbito de gestión de la energía, más concretamente en el proceso de almacenamiento y acumulación de energía térmica por calor sensible.

Su implicación directa se establece en la técnica de producción y gestión de las energías renovables, específicamente en las energías renovables que utilizan el sol como fuente primaria de energía [termosolar], si bien la aplicación es extensible a cualquier proceso industrial que precise de un sistema de almacenamiento térmico gestionable.

Estado de la técnica (antecedentes conocidos)

Diferentes sistemas de almacenamiento y acumulación de calor están siendo objeto de estudio y pruebas en forma de prototipos y primeras aplicaciones.

La utilización de gravas como elemento de almacenamiento de calor se ha estado utilizando en aplicaciones vinculadas a energías renovables de tecnología termosolar, utilizando un único tipo de gravas y aceite como fluido transmisor.

Otros tipos usados normalmente para el almacenamiento térmico en plantas de tecnología termosolar se basan en la utilización de dos depósitos de sales fundidas, y sistemas de almacenamiento de agua a presión.

Recientemente se trabaja en fase experimental en un sistema de almacenamiento térmico en bloques de hormigón.

Descripción detallada de la invención

4.1 Generalidades El sistema de almacenamiento térmico basado en calor sensible se realiza mediante la variación de temperatura de un material rocoso granular depositado específicamente, utilizando su capacidad calorífica.

De forma general el sistema de almacenamiento se basa en la disposición de tres tipos de materiales rocosos granular con las siguientes características:

uno cuya propiedad consiste en actuar de aislante térmico un segundo con la característica de una alta conductividad térmica un tercero de gran densidad con la finalidad de almacenar la energía térmica El sistema se compone de dos circuitos para la transferencia de la energía térmica: un circuito de CARGA, y un circuito de DESCARGA.

Para el circuito de CARGA, se distribuyen longitudinalmente a través del material rocoso una serie de tramos de conducciones por los que se hace circular el fluido que procede del receptor a alta temperatura, a fin de transferir la energía térmica captada mediante el sistema concentrador a dicho material rocoso, que va incrementando su temperatura.

El circuito de DESCARGA es análogo al anterior, consistiendo en una serie de tramos de conducciones por los que se hace circular el fluido a baja temperatura que incrementa su temperatura por la cesión de energía térmica del material rocoso granular calentado previamente mediante al proceso de carga.

La utilización de AGUA como fluido en el circuito de descarga, y el control de los parámetros de caudal y presión, permite el funcionamiento como GENERADOR DIRECTO DE VAPOR durante el proceso y la misma conducción de DESCARGA.

Del mismo modo, la utilización de 2 fluidos diferentes, uno de ellos en el circuito de CARGA y el otro en el circuito de DESCARGA, permiten la utilización del propio sistema de almacenamiento como INTERCAMBIADOR DE CALOR entre los dos fluidos.

4.2 Elementos constructivos Como elementos constructivos específicos del sistema de almacenamiento se dispone de 5

una membrana geotérmica envolvente de todo el sistema, cuya función consiste en aislante de la humedad exterior a las gravas interiores.

En su interior, y distribuidas en diferentes capas estratificadas, se dispone diferente material rocoso granular de diferente glanulometría que configuran el sistema y que 10 disponen las siguientes características:

FUNCiÓNCARACTERlsTICASDENOMINACiÓN UBICACiÓN

VERMICULlTA EXPANDIDA Material rocoso granular cuya AislamientoCapacidad calorífica Capa envolvente caraterística consiste en una reducida térmico capacidad calorífica reducida [conductivitat térmica < 0, 4 W/mK]

-. _._-.~---

GRAVA BASAL TICA Material rocoso granular cuya AlmacenamientoCapa inferior I Densidad elevada caraterística consiste en una térmicosuperior

densidad elevada [densidad> 2, 5

g/cm3]

_._--~

GRAFITO [POLVO] Material rocoso granular cuya caraterística consiste en una TransferenciaConductividad

Capa intermedia térmica [conductividad térmica> 40 W/mK] térmica elevada conductividad térmica elevada

En algunas aplicaciones la capa superior e inferior puede estar constituida por un mismo material rocoso granular o combinación de varios de ellos, con características comunes y combinadas a las especificadas en densidad y conductividad.

En algunas aplicaciones los diferentes materiales granulares pueden combinarse con algún tipo de conglomerante .

La disposición de las conducciones de CARGA y DESCARGA se distribuye a través de la capa intermedia, que permite de esta forma una elevada transferencia térmica y distribución de la energía para su almacenamiento en las gravas de elevada densidad.

Otra característica del sistema de conducciones radica en los flujos OPUESTOS en la CARGA y la DESCARGA, que permiten la mayor superficie de transferencia térmica incluso en un proceso simultáneo de CARGA y DESCARGA .

Esta característica de CONTRAFLUJO en la carga y descarga facilita, en el modo de DESCARGA mediante GENERACiÓN DIRECTA DE VAPOR, lograr un porcentaje de secado del vapor generado elevado y lo más cercano posible al vapor saturado seco, mediante la regulación de los diferentes flujos y caudales.

A tal efecto, y con el fin de facilitar el proceso de GENERACiÓN DIRECTA DE VAPOR, la disposición de los tramos de conducciones del circuito de DESCARGA se disponen con una leve pendiente positiva, que favorece el secado del vapor y la eliminación de las partículas de agua residuales en el vapor generado.

Finalmente, la disposición de los diferentes tramos de conducciones permite disponer la energía térmica almacenada en un amplio rango de temperaturas distribuido por las diferentes secciones en que se puede dividir la disposición de las gravas, cada una de ellas asociadas a un conjunto de tramos de conducciones de CARGA y DESCARGA.

4.3 Elementos auxiliares Como elementos auxiliares del sistema se establecen el conjunto de bomba/s de circulación, válvulas de regulación y el resto de instrumentación de control del sistema que proporciona información sobre, entre otros, los diferentes valores de presión, temperatura y caudal que constituyen los principales parámetros de gestión del sistema.

Descripción de los dibujos La invención descrita anteriormente se explica detalladamente mediante un ejemplo de realización a través de dos figuras.

La figura 1 muestra en esquema una sección del sistema de almacenamiento, en el que las dimensiones totales del sistema varían en función de la capacidad de almacenamiento prevista, que determinan el tamaño térmico y volumétrico de la planta.

Los elementos del esquema de la Fig. 1 son:

1. Sistema de Almacenamiento Térmico

2. Membrana geotérmica

3. Capa con la función de aislamiento térmico

4. Capa de función propia de almacenamiento térmico

5. Capa de función de transferencia térmica

6. Conducción de CARGA del sistema, por el que circula el fluido procedente del sistema generador de calor

7. Conducción de DESCARGA del sistema, por el que circula el fluido en dirección a la aplicación de la energía térmica generada. Por esta conducción en el modo de funcionamiento como GENERADOR DIRECTO DE VAPOR se genera y circula directamente vapor, utilizando AGUA como fluido de entrada del circuito de DESCARGA.

La figura 2 muestra un esquema en el que la invención está integrada en una planta de energía solar térmica por concentración, en un proceso completo de captación de energía térmica, almacenamiento mediante la invención referenciada, transferencia y utilización de la energía térmica obtenida.

Los elementos del esquema de la Fig. 2 son:

8. Sistema de generación de calor [campo de espejos concentradores y elemento receptor en una instalación termosolar]

9. Conducción principal de CARGA del sistema de almacenamiento, por el que se dirige el fluido calentado a alta temperatura en el sistema de generación de calor. Esta conducción principal puede estar constituida como un conjunto de conducciones o bien como una única conducción de gran sección

10. Grupo de bombeo del circuito de CARGA del sistema

11. Válvulas...

1. Sistema de almacenamiento térmico (1) , enterrado bajo suelo, caracterizado porque está configurado por una geomembrana (2) envolvente de un conjunto de material rocoso granular de diferente glanulometría (3-4-5) y de diferentes características térmicas.

2. Sistema de almacenamiento térmico (1) según la reinvidicación 1, caracterizado porque a través del material rocoso granular se distribuye un entramado de tuberías por el que se hace circular un fluido calor portador para la transferencia de energía térmica.

3. Sistema de almacenamiento térmico (1) según la reinvidicación 1 y 2, caracterizado porque el entramado de tuberías forman dos circuitos independientes, uno de carga (6) y uno de descarga (7) , que permite mediante utilización de fluidos independientes en cada circuito la generación de vapor.

4. Sistema de almacenamiento térmico (1) según la reinvidicación 1, formado por paredes laterales, fondo y cubierta rellenos de vermiculita expandida, como aislamiento térmico exterior, y el espacio interior comprende una serie de capas estratificadas de gravas de grafito de acuerdo a su función de difusión térmica, intercaladas con capas de gravas de alta densidad de acuerdo a su alto calor específico y por tanto gran capacidad de almacenamiento térmico.

5. Sistema de almacenamiento térmico (1) según la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque las conducciones (6-7) se distribuyen a través de una capa de material rocoso granular (5) que no obstaculiza la dilatación térmica de las tuberías.

FIGURA 1