Dispositivo y método para almacenamiento y transferencia de energía térmica.

Un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energía térmica (1) de origen solar,

apto para recibir una radiación solar, dicho dispositivo (1) comprende:

- una cubierta de contención (2);

- unos haces de tuberías (4);

- un lecho de partículas (3) apto para almacenar energía térmica de origen solar, alojado en el interior de dicha cubierta de contención (2); y

- por lo menos una entra da de alimentación para alimentar un gas de fluidización a través de dicho lecho de partículas (3),

la disposición general siendo tal que, en uso, el gas de fluidización mueve las partículas de dicho lecho (3) provocando o fomentando un intercambio de calor desde las partículas hacia los haces de tuberías (4) en los cuales fluye un fluido de servicio.

Dispositivo y método para almacenamiento y transferencia de energía térmica Campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo para almacenamiento y transporte de energía térmica, en particular de origen solar, preferentemente para un uso posterior o concurrente de la misma para la producción de energía eléctrica.

Antecedentes de la invención

Es conocido almacenar energía solar, para un uso posterior, concentrada mediante helióstatos, fijos o de seguimiento, en el interior de un receptor que consiste en un bloque de material que tiene una elevada conductividad térmica (típicamente grafito). Dicho bloque porta generalmente una cavidad adecuadamente orientada sobre la cual están dirigidos dichos helióstatos. El bloque receptor, además, está típicamente vinculado a un ¡ntercambiador de calor que tiene unos haces de tuberías inmersos en el mismo bloque y atravesados por un fluido de servicio - o fluido portador, típicamente agua, en estado de líquido o vapor a una alta temperatura. El calor almacenado en el bloque receptor se transfiere a dicho fluido de servicio a fin de producir vapor o calor para plantas industriales.

En un sistema para almacenar energía solar en bloque de grafito del tipo descrito anteriormente, las temperaturas en juego pueden estar en el intervalo de 4 °C a 2 °C. El límite superior de temperatura está vinculado a la resistencia térmica del intercambiador de calor, y en particular a los haces de tuberías metálicas del mismo. En particular, en relación a la diferencia de temperatura entre el fluido entrante y las tuberías del intercambiador, las condiciones termodinámicas del fluido pueden cambiar tan rápidamente como para crear fuertes solicitaciones del metal de los tubos (choques térmico y mecánico), tales para someter a los intercambiadores de calor a condiciones físicas extremas, con el riesgo de tensiones internas excesivas y consecuente rotura.

Además, una dificultad de los sistemas descritos es asegurar la continuidad en la cantidad de calor extraída por el acumulador, puesto que la etapa de almacenamiento está ligada a las condiciones atmosféricas y a los ciclos día / noche. Los sistemas conocidos son por lo tanto poco versátiles en términos de capacidad de adaptación a las

exigencias energéticas valle.

En general, además, los sistemas conocidos no están optimizados en términos de eficiencia de uso y conversión de

la energía eléctrica entrante.

El documento US 4,384,569 divulga un sistema colector / de almacenamiento de energía solar en el que un fluido de servicio fluye en un conducto en el Interior de un contenedor relleno con un material absorbente del calor poroso y sólido.

El documento US 29/32289 divulga un receptor de energía solar y una unidad de almacenamiento que tiene un núcleo de material refractario y uno o más canales de fluido en el interior del núcleo.

El documento US 4,41,13 divulga una aparato para la conversión de energía solar que tiene una cámara de almacenamiento y medios para la circulación de un fluido entre un objetivo solar y la cámara.

Sumario de la invención

El problema técnico en la base de la presente Invención es por lo tanto superar los Inconvenientes mencionados con referencia a la técnica anterior.

El problema anterior se soluciona mediante un dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, mediante una planta, preferentemente para la producción de energía, comprendiendo al mismo y mediante un método de acuerdo con la reivindicación 17.

El objeto de las reivindicaciones Independientes 1 y 17 difieren del documento US 4384569 por el hecho de que el almacenamiento de energía térmica es un lecho de partículas y por el hecho de que en uso, el gas de fluidización mueve las partículas del lecho provocando o fomentando un Intercambio de calor entre las propias partículas y los haces de tuberías.

Las características preferidas de la Invención están contenidas en las reivindicaciones dependientes.

Una ventaja Importante de la invención consiste en el hecho de que permite obtener un almacenamiento de energía térmica de origen solar de una manera eficiente y fiable, minimizando las solicitaciones térmicas de los ¡ntercambladores e incrementando la eficiencia del Intercambio térmico al fluido portador, gracias al uso de un lecho granular fluldlzable que puede realizar un función doble de almacenamiento de calor y de portador térmico. En la

base de dicho uso, están las características favorables de Intercambio térmico de los lechos fluidizados y el transporte convectivo eficaz del calor posterior a la movilidad de la fase granular. Ambas características están ligadas a la posibilidad de conferir comportamiento reológlco a un sólido granular que es comparable a aquél de un fluido, realmente gracias a la fluidización del mismo.

Además, gracia a la posibilidad de fluidización controlada y selectiva de los medios granulares de almacenamiento, se asegura una mejor continuidad de extracción de calor y una capacidad optimizada de adaptación a las exigencias energéticas valle.

Además, una mayor flexibilidad de la producción de energía es posible quemando combustible gaseoso en el interior del lecho fluidizado, como se aclarará mejor en la descripción detallada de las realizaciones preferidas desarrolladas más adelante.

Ventajas adicionales, características y los métodos de uso de la presente invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de algunas realizaciones de la misma, ilustradas a modo de ejemplo no limitativo.

Breve descripción de las figuras

Se hará referencia a las figuras de los dibujos adjuntos, en las cuales:

- la figura 1 muestra un diagrama de un sistema que incorpora una realización preferida de un dispositivo para almacenamiento y transporte de energía térmica de acuerdo con la invención, dotado con una única cavidad de alojamiento;

- la figura la muestra una vista en planta del dispositivo de la figura 1, mostrando la modularidad de un lecho fluidizable de partículas del mismo dispositivo;

- la figura 2 muestra un diagrama de un sistema relativo a una primera realización del dispositivo de la figura 1, dotado con múltiples cavidades de alojamiento;

- la figura 3 muestra un diagrama de un sistema relativo a una segunda realización del dispositivo de la figura 1, en el que el lecho fluidizable de partículas está directamente expuesto a una cavidad de alojamiento y están previstos unos medios de almacenamiento de bloque adicionales, dispuestos en la periferia de dicho lecho fluidizable;

- la figura 4 muestra un diagrama de un sistema relativo a una tercera realización del dispositivo de la figura 1, en el que el lecho fluidizable de partículas está directamente expuesto a múltiples cavidades de alojamiento y está previsto un lecho fluidizable adicional para la transferencia del calor a los tubos de un intercambiador;

- la figura 5 muestra un diagrama de un sistema relativo a una cuarta realización del dispositivo de almacenamiento de la figura 1, presentando un lecho fluidizable doble como en la figura 4, pero con una única cavidad central de alojamiento; y

- la figura 6 muestra un dispositivo del tipo mostrado en las figuras anteriores insertado en un sistema que no está provisto de una combustión de gas combustible y que tiene un circuito cerrado de un gas de fluidización.

Descripción detallada de realizaciones preferidas

Con referencia inicialmente a las figuras 1 y 1a, se muestra un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energía térmica de acuerdo con una realización preferida de la invención, a modo de ejemplo, como insertado en una planta para la producción de energía eléctrica indicada de forma general con la referencia numérica 1.

El sistema 1 comprende uno o más dispositivos para el almacenamiento y transferencia de energía térmica, uno de los cuales está indicado de forma general con la referencia numérica 1 (por simplicidad, la figura 1 solo muestra un dispositivo).

El dispositivo 1 es apto para almacenar la energía térmica que se origina a partir de una radiación solar transportada / concentrada sobre el mismo por ejemplo mediante helióstatos fijos o de seguimiento.

El dispositivo 1 comprende una cubierta de contención 2 preferentemente de metal y aislada térmicamente en su interior para reducir así al mínimo la dispersión de calor al ambiente exterior.

La cubierta 2 porta una cavidad 2 en la que se concentra la energía solar.

Se procura una entrada de alimentación 21 sobre la cubierta 2 para un gas de fluidización, el papel de la cual se aclarará... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energía térmica (1) de origen solar, apto para recibir una radiación solar, dicho dispositivo (1) comprende:

- una cubierta de contención (2);

- unos haces de tuberías (4);

- un lecho de partículas (3) apto para almacenar energía térmica de origen solar, alojado en el interior de dicha cubierta de contención (2); y

- por lo menos una entrada de alimentación para alimentar un gas de fluidización a través de dicho lecho de partículas (3),

la disposición general siendo tal que, en uso, el gas de fluidización mueve las partículas de dicho lecho (3) provocando o fomentando un intercambio de calor desde las partículas hacia los haces de tuberías (4) en los cuales fluye un fluido de servicio.

2. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las partículas de dicho lecho (3) están hechas de un material granular de una forma sensiblemente regular, preferentemente una forma esférica.

3. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo una compartimentación del área de fluidización, apto para permitir una fluidización selectiva y/o diferenciada de una o más porciones de dicho lecho de partículas mediante el gas de fluidización.

4. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo además unos medios de almacenamiento adicionales conformados como un bloque monolítico (3), que es preferentemente de grafito o comprende grafito y/o que está obtenido preferentemente mediante compactación de un material en forma granular.

5. El dispositivo (16) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo además unos medios de almacenamiento adicionales conformados como un lecho de partículas (34) fluldlzable adicional alojado en el interior de dicha cubierta de contención (2), dichos lechos de partículas (35, 34) estando preferentemente dispuestos uno concéntricamente al otro.

6. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, teniendo una o más cavidades de alojamiento (2) en el interior de las cuales o en el Interior de cada una de ellas se concentra la radiación solar, en el que preferentemente una placa (13) de un material sensiblemente transparente, preferentemente cuarzo, está dispuesta en correspondencia con la boca de dichas o de cada cavidad (2).

7. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación anterior, comprendiendo un concentrador de radiación solar secundario, situado en la entrada de dichas o por lo menos una cavidad de alojamiento (2).

8. El dispositivo (14) de acuerdo con la reivindicación 6 o 7 cuando dependen de la reivindicación 5, en el que dicho lecho de partículas (3) está dispuesto inmediatamente en correspondencia de dichas o por lo menos una de dichas cavidades (2).

9. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, teniendo un conducto de desagüe (5) para el gas de fluidización.

1. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo uno o más elementos de intercambio de calor (4) que alojan o son aptos para alojar un fluido de servicio y están dispuestos para estar así en contacto con dicho lecho de partículas (3) y/o para ser así tocados, en uso, por dicho lecho (3) cuando el último está fluidizado por dicho gas de fluidización.

11. Una planta (1) para producir vapor o calor para usos Industriales, preferentemente una planta de generación de energía eléctrica, comprendiendo uno o más dispositivos (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

12. La planta (1) de acuerdo con la reivindicación anterior, comprendiendo medios (21, 8) para la alimentación de gas de fluidización a través de por lo menos una entrada (21) de dicho dispositivo (1), dichos medios de alimentación comprenden preferentemente medios (8) para la circulación forzada del gas de fluidización.

13. La planta (1) de acuerdo con la reivindicación 12, en la que dichos medios de alimentación son controlables selectivamente para cambiar la velocidad del gas de fluidización.

14. La planta (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, comprendiendo medios (6) para desempolvar el gas de fluidización.

15. La planta (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, comprendiendo medios para una alimentación selectiva del gas de fluidización a unas porciones seleccionadas de dicho lecho de partículas (3).

16. La planta (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, comprendiendo medios (41) para alimentar un gas de combustión en el interior de dicha cubierta (2) de dicho dispositivo (1).

17. Un método de almacenamiento y posterior intercambio de energía térmica de origen solar, que prevé el uso de un lecho de partículas (3) que recibe y almacena energía térmica de origen solar, y una fluidización de dicho lecho de partículas (3) tal para provocar o fomentar un intercambio térmico desde el lecho de partículas (3) hacia los haces de tuberías (4) de un intercamblador de calor.

18. El método de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que dicha fluidización se lleva a cabo mediante una alimentación controlada de un gas de fluidización, preferentemente aire.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 17 o 18, proporcionando una fluidización diferenciada de unas porciones seleccionadas de dicho lecho de partículas (3).

2. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que un fluido de servicio, el cual es agua y/o vapor, se desplaza por dichos haces de tuberías (4).

21. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 2, proporcionando una etapa de almacenar energía térmica en unos medios de almacenamiento (3, 3) durante las horas de sol y una fase de transferencia de calor desde dichos medios (3) a los haces de tuberías (4) mediante la fluidización del lecho de partículas (3) en ausencia de radiación solar.

22. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21, proporcionando el uso de uno o más dispositivos (1) o de una planta (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 24.

23. El método de acuerdo con una de las reivindicaciones 17 a 22, proporcionando una combustión de combustible fósil gaseoso en el interior de dicho lecho de partículas (3) de dicho dispositivo (1).

24. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 23, proporcionando una etapa de almacenamiento de energía térmica y de una transferencia simultánea o diferida de dicha energía al intercambiador de calor, a fin de obtener una generación constante de energía.