Sistemas y métodos de arranque para calderas solares.

Un sistema de arranque para una caldera solar incluye un circuito principal de fluido que tiene una pluralidad de paneles de caldera solar para generar energía a partir de la energía solar.

Un circuito auxiliar de fluido se conecta selectivamente en comunicación de fluidos con el circuito principal de fluido mediante una pluralidad de válvulas. Una caldera auxiliar está conectada funcionalmente con el circuito auxiliar de fluido. Las válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido están configuradas para que se puedan abrir y cerrar para poner selectivamente la caldera auxiliar en comunicación de fluidos con partes del circuito principal de fluido para suministrar calor a las partes del circuito principal de fluido como preparación para la producción de energía a partir de la energía solar.

Sistemas y métodos de arranque para calderas solares

Antecedentes de la invención Campo de la invención La presente invención está relacionada con la producción de energía solar, y más particularmente con sistemas y métodos de producción de energía solar con calderas solares.

Descripción de la técnica relacionada La generación de energía solar se ha considerado una fuente viable para ayudar a satisfacer las necesidades de energía en un momento de creciente concienciación de los aspectos ambientales de la producción de energía. La producción de energía solar se basa principalmente en la capacidad para recoger y convertir la energía disponible de forma gratuita desde el sol y se puede producir con muy poco impacto sobre el medio ambiente. La energía solar puede ser producida sin crear desechos radiactivos como en la producción de energía nuclear, y sin producir emisiones contaminantes, incluidos los gases de efecto invernadero como en la producción de energía de combustibles fósiles. La producción de energía solar es independiente de las fluctuaciones del coste de combustible y no consume recursos no renovables.

Los generadores de energía solar, en general, emplean campos de espejos controlados, llamados heliostatos, para reunir y concentrar los rayos solares en un receptor para proporcionar una fuente de calor para la producción de energía. Un receptor solar típicamente adopta la forma de un panel de tubos que transportan un fluido de trabajo a través de los mismos. Los generadores solares previos han utilizado fluidos de trabajo tales como sal fundida ya que tiene la capacidad de almacenar energía, lo que permite generar energía cuando hay poca o ninguna radiación solar, como por la noche. Los fluidos de trabajo calientes son transportados típicamente a un intercambiador de calor en el que liberan calor en un segundo fluido de trabajo, tal como aire, agua o vapor. Se genera energía térmica al conducir el aire o vapor calientes a través de una turbina que impulsa un generador eléctrico.

Más recientemente, se ha determinado que la producción solar puede aumentarse y simplificarse utilizando agua/vapor como el único fluido de trabajo en un receptor que es una caldera. Esto puede eliminar la necesidad de un ineficiente intercambiador de calor entre dos fluidos de trabajo diferentes. Este desarrollo ha conducido a nuevos desafíos en el manejo del intenso calor solar sin dañar el sistema. En una caldera solar, las tasas de transferencia térmica pueden alcanzar niveles de 2 a 3 veces la tasa de la transferencia térmica de una caldera típica de combustibles fósiles. Esta alta tasa de transferencia de calor intensifica los problemas relacionados con el mantenimiento de un calentamiento y distribución de flujo uniformes en todos diseños conocidos de paneles de calderas. Si el flujo a través de una parte de un panel receptor es insuficiente si se utiliza agua/vapor como fluido de trabajo, el resultado puede ser el sobrecalentamiento de esa parte del panel. Tal sobrecalentamiento puede dar lugar a daños o fallos del panel y de sus tubos constituyentes si se permite que las temperaturas sean graves.

Otra forma en la que las calderas solares difieren de las calderas de combustibles fósiles es en cuanto a horas de funcionamiento. Las calderas de combustibles fósiles funcionan típicamente de manera continua, parando sólo para mantenimientos rutinarios ocasionales, mientras que las calderas solares deben arrancar y apagarse una vez al día debido a la salida y la puesta del sol. Cualquier fluido de trabajo y los componentes de la caldera que se enfrían durante la interrupción nocturna debe llevarse de nuevo a la temperatura de trabajo cada mañana. Esto tiene como resultado un ciclo diario de expansión térmica que puede tener como resultado un aumento de fallos por fatiga en los componentes típicos de la caldera.

Los diseños de calderas tradicionales utilizan una cantidad considerable de tiempo en arranque y apagado. Dado que la energía solar sólo está disponible durante las horas de luz cada día, estos largos ciclos de arranque y parada pueden privar al sistema de valiosas horas de funcionamiento que, de otra manera, podrían utilizarse para la producción de energía. Una de las razones de los largos tiempos de arranque y parada es la diferencia de temperatura de funcionamiento durante el día y la temperatura en la interrupción nocturna, que puede llegar a temperaturas de congelación. Por ejemplo, el arranque de un sistema de caldera tradicional demasiado rápido en estas condiciones puede exacerbar los problemas por expansión térmica descritos anteriormente. Por otro lado, el arranque de un sistema de caldera tradicional demasiado lentamente, puede dar como resultado un fallo en la circulación adecuada de los fluidos a través de los tubos de la caldera, que puede conducir al fallo de los tubos de la caldera bajo el intenso flujo térmico.

Tales métodos y sistemas convencionales por lo general se han considerado satisfactorios para su uso previsto. Sin embargo, en la técnica todavía existe la necesidad de sistemas y métodos que permitan mejorar el arranque y apagado de calderas solares. Además, en la técnica sigue existiendo la necesidad de tales sistemas y métodos que sean fáciles de realizar y utilizar. La presente invención proporciona una solución para estos problemas.

Sumario de la invención La invención está dirigida a un nuevo y útil sistema de arranque para una caldera solar. El sistema incluye un circuito principal de fluido que tiene una pluralidad de paneles de caldera solar para generar energía a partir de la energía solar. Un circuito auxiliar de fluido se conecta selectivamente en comunicación de fluidos con el circuito principal de fluido mediante una pluralidad de válvulas. Una caldera auxiliar está conectada funcionalmente con el circuito auxiliar de fluido. Las válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido están configuradas para que se puedan abrir y cerrar para poner selectivamente la caldera auxiliar en comunicación de fluidos con partes del circuito principal de fluido para suministrar calor a las partes del circuito principal de fluido como preparación para la producción de energía a partir de la energía solar.

Según determinadas realizaciones, la caldera auxiliar es una caldera de combustible. También se puede utilizar cualquier tipo adecuado de caldera, incluidos, por ejemplo, de combustible líquido, carbón, biomasa, gas natural, energía nuclear, energía geotérmica y energía eléctrica. Se contempla la posibilidad de que el circuito principal de fluido pueda incluir un tambor para separar vapor de agua líquida. La pluralidad de paneles de caldera solar pueden incluir una pluralidad de paneles generadores de vapor, una pluralidad de paneles de supercalentador y una pluralidad de paneles recalentador, cada uno configurado para transferir energía solar al circuito principal de fluido. El tambor puede estar conectado funcionalmente a los paneles generadores de vapor para recibir agua-vapor saturado del mismo, y conectado funcionalmente para suministrar vapor a los paneles de supercalentador.

En determinadas realizaciones, una válvula de aislamiento de tambor está conectada funcionalmente al circuito principal de fluido para aislar de forma selectiva el tambor de otras partes del circuito principal de fluido para conservar energía térmica dentro del tambor durante los períodos de inactividad de los paneles de caldera solar. El tambor puede ser aislado para conservar el calor en el mismo durante períodos de interrupción con los paneles solares inactivos de la caldera.

El sistema puede incluir una válvula de aislamiento de generador de vapor que en un estado abierto conecta los paneles del generador de vapor con el tambor para calentar los paneles del generador de vapor a una temperatura alrededor de la del tambor utilizando calor procedente de la energía solar. La pluralidad de las válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido pueden incluir una válvula de aislamiento de supercalentador que en un estado abierto conecta el circuito auxiliar de fluido a una parte del circuito principal de fluido que incluye los paneles de supercalentador y de recalentador para almacenar temperaturas en los mismos para el pleno funcionamiento solar en el circuito principal de fluido.

Según determinadas realizaciones, una válvula de derivación de primera turbina en un estado abierto conecta los paneles de supercalentador en serie directa con los paneles de recalentador, y una válvula de derivación de segunda turbina en un estado abierto conecta los paneles de recalentador a un condensador en el circuito principal de fluido como preparación...

1. Un sistema de arranque para una caldera solar que comprende:

a) un circuito principal de fluido que incluye una pluralidad de paneles de caldera solar para generar energía a partir de la energía solar;

b) un circuito auxiliar de fluido que se conecta de manera selectiva en comunicación de fluidos con el circuito principal de fluido mediante una pluralidad de válvulas;

c) una caldera auxiliar conectada funcionalmente al circuito auxiliar de fluido, en donde las válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido están configuradas para que se puedan abrir y cerrar para poner selectivamente la caldera auxiliar en comunicación de fluidos con partes del circuito principal de fluido para suministrar calor a las partes del circuito principal de fluido como preparación para la producción de energía a partir de la energía solar.

2. Un sistema de arranque para una caldera solar según la reivindicación 1, en donde la caldera auxiliar es de un tipo que se selecciona del grupo que consiste en combustible fluido, carbón, biomasa, gas natural, energía nuclear, energía geotérmica y energía eléctrica.

3. Un sistema de arranque para una caldera solar según la reivindicación 1, en donde el fluido del circuito principal incluye un tambor para separar vapor de agua en estado líquido, y en donde la pluralidad de paneles de caldera solar incluyen una pluralidad de paneles de generador de vapor, una pluralidad de paneles de supercalentador y una pluralidad de paneles de recalentador, cada uno configurado para transferir energía solar al circuito principal de fluido, en donde el tambor está conectado funcionalmente a los paneles de generador de vapor para recibir agua-vapor saturado del mismo, y en donde el tambor está conectado funcionalmente para suministrar vapor a los paneles de supercalentador.

4. Un sistema de arranque para una caldera solar según la reivindicación 3, en donde una válvula de aislamiento de tambor está conectada funcionalmente al circuito principal de fluido para aislar de forma selectiva al tambor de otras partes del circuito principal de fluido para conservar energía térmica dentro del tambor durante los períodos de inactividad de los paneles de caldera solar.

5. Un sistema de arranque según la reivindicación 4, que comprende además una válvula de aislamiento de generador de vapor que en un estado abierto conecta los paneles de generador de vapor al tambor para calentar los paneles de generador de vapor a una temperatura alrededor de la del tambor utilizando calor procedente de la energía solar.

6. Un sistema de arranque según la reivindicación 5, en donde la pluralidad de válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido incluyen una válvula de aislamiento de supercalentador que en un estado abierto conecta el circuito auxiliar de fluido a una parte del circuito principal de fluido que incluye los paneles de supercalentador y de recalentador para acumular temperaturas en los mismos para un pleno funcionamiento solar en el circuito principal de fluido.

7. Un sistema de arranque según la reivindicación 6, en donde una válvula de derivación de primera turbina en un estado abierto conecta los paneles de supercalentador en serie directa con los paneles de recalentador, y en donde una válvula de derivación de segunda turbina en un estado abierto conecta los paneles de recalentador a un condensador en el circuito principal de fluido como preparación para pleno funcionamiento solar.

8. Un sistema de arranque según la reivindicación 7, en donde una válvula de primera turbina en un estado abierto conecta una fase de primera turbina en serie entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador con la válvula de derivación de primera turbina cerrada, y en donde una válvula de segunda turbina en un estado abierto conecta una etapa de segunda turbina en serie entre los paneles de recalentador y el condensador con la válvula de segunda turbina cerrada.

9. Un sistema de arranque según la reivindicación 3, en donde el tambor se aísla para conservar el calor en el mismo durante períodos de interrupción con los paneles de caldera solar inactivos.

10. Un método para el arranque de una caldera solar que comprende:

a) hacer circular fluidos calentados por una caldera auxiliar a través de un circuito auxiliar de fluido que incluye una pluralidad de paneles de supercalentador para elevar las temperaturas dentro de los paneles de supercalentador;

b) hacer circular fluidos que circulan a través de una pluralidad de paneles de generador de vapor expuestos a la radiación solar para elevar las temperaturas dentro de los paneles de generador de vapor; y

c) suministrar vapor procedente de los paneles de generador de vapor a los paneles de supercalentador para llevar el tambor y los paneles de supercalentador hasta una temperatura de funcionamiento para la producción de energía solar mediante:

i) conectar el tambor a los paneles de generador de vapor;

ii) conectar un tambor a los paneles de supercalentador mediante la apertura de una válvula de aislamiento de tambor conectada entre el tambor y los paneles de supercalentador; y

iii) desconectar la caldera auxiliar de los paneles de supercalentador mediante el cierre de una válvula de derivación de caldera auxiliar conectada entre los paneles de supercalentador y la caldera auxiliar.

11. Un método según la reivindicación 10, en donde la etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador incluye la conexión de una pluralidad de paneles de recalentador en serie entre los paneles de supercalentador y un condensador para llevar los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador hasta una temperatura de funcionamiento para la producción de energía solar.

12. Un método según la reivindicación 11, que comprende además la conexión de una etapa de primera turbina en serie entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador mediante la apertura de la válvula de primera turbina conectada entre los paneles de supercalentador y la etapa de primera turbina y el cierre de una válvula de derivación de primera turbina conectada entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador, y la conexión de una etapa de segunda turbina en serie entre los paneles de recalentador y el condensador con la apertura de una válvula de segunda turbina conectada entre los paneles de recalentador y la etapa de segunda turbina y el cierre de una válvula de derivación de segunda turbina conectada entre los paneles de recalentador y el condensador.

13. Un método según la reivindicación 10, en donde la etapa de hacer circular fluidos a través de una pluralidad de paneles de generador de vapor expuestos a la radiación solar para elevar las temperaturas dentro de los paneles de generador de vapor incluye el calentamiento de los fluidos dentro de los paneles de generador de vapor a una temperatura de ±37, 7 °C (±100 °F) de la de dentro del tambor.

14. Un método según la reivindicación 13, que comprende además iniciar la etapa de hacer circular fluidos calentados por una caldera auxiliar a través de un circuito auxiliar de fluido antes del amanecer local.

15. Un método según la reivindicación 10, que comprende además sincronizar la etapa de conectar el tambor a los paneles de generador de vapor para que se produzca después del amanecer local, en donde la etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador incluye el calentamiento de los paneles de supercalentador con el flujo térmico solar.

16. Un método según la reivindicación 10, que comprende además iniciar la etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador después del amanecer local.

17. Un método para apagar una caldera solar para permitir el posterior arranque rápido que comprende:

a) enfriar los fluidos en un circuito principal de fluido de una caldera solar a una temperatura inferior a la temperatura de funcionamiento para la producción de energía, en donde el circuito principal de fluido incluye una pluralidad de paneles de caldera solar y un tambor; y

b) aislar el tambor de los paneles de caldera solar mediante el cierre de por lo menos una válvula de aislamiento de tambor en el circuito principal de fluido, en donde el tambor es aislado para conservar el calor en el mismo cuando está aislado de los paneles de caldera solar.

18. Un método según la reivindicación 17, en donde la etapa de enfriamiento incluye enfriar fluidos en el tambor a una temperatura de ±93, 3 °C (±200 °F) de la temperatura máxima de funcionamiento de una caldera auxiliar conectado funcionalmente con el circuito principal de fluido para ser llevado de manera selectiva a una comunicación de fluidos con el mismo para calentar las partes de circuito principal de fluido durante el arranque.

19. Un método según la reivindicación 18, en donde la etapa de aislar el tambor incluye enfriar los fluidos en los paneles de caldera solar a aproximadamente la temperatura ambiente.

20. Un método según la reivindicación 18, que comprende además iniciar la etapa de enfriamiento antes del ocaso local.