Planta de concentración solar.

Planta de concentración solar que trabaja en un ciclo Rankine y utiliza una combinación de concentradores solares bidimensionales (1) y tridimensionales (2),

caracterizada porque utiliza únicamente agua como fluido de trabajo y en la que:

• los medios de concentración solar bidimensional (1) están diseñados para proporcionar el 82% de la energía térmica necesaria para el bloque de energía, calentándose el agua desde aproximadamente 50º C a 330ª C generando vapor de agua saturado, y

• los medios de concentración solar tridimensionales (2) que consisten en un campo de helióstatos y una torre de receptor central, están diseñados para proporcionar no menos del 18% de la energía térmica necesaria para el bloque de energía térmica, calentando el agua más allá de la temperatura ya obtenida, utilizando los medios de concentración solar bidimensional generando vapor de agua sobrecalentado.

Planta de concentración solar La presente invención se refiere a una instalación que pretende un resultado más eficiente y menos costoso de las actuales tecnologías de concentración solar. Su aplicación esta especialmente indicada en los campos de la producción de electricidad, calor de proceso, y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Si bien la radiación solar es una fuente térmica de elevadas temperatura y energía en origen, la utilización de la misma en las condiciones del flujo que llega a la superficie terrestre anula prácticamente todo su potencial de convertirse en trabajo, debido a la drástica reducción de la temperatura disponible en el fluido. Por esta razón, se hace uso en las centrales solares termoeléctricas (CST) , de sistemas de concentración óptica, que permiten lograr mayores densidades de flujo y con ello temperaturas más elevadas. Supongamos un modelo simplificado de un sistema termosolar de concentración, formado por un concentrador óptico ideal, un receptor solar que se comporte como un cuerpo negro presentando únicamente pérdidas por emisión (un receptor de cavidad o un receptor volumétrico se aproximarían teóricamente a esta condición) y una máquina o motor térmico con un rendimiento ideal de Carnot. El rendimiento total de dicho sistema vendrá marcado principalmente por el rendimiento del sistema receptor y por el rendimiento del ciclo termodinámico. El rendimiento del sistema receptor solar puede expresarse de manera muy simplificada por la Ecuación 1, siendo Qin el aporte de energía entrante y Qloss las perdidas térmicas del sistema. Dado que la energía entrante es proporcional a la concentración y las pérdidas térmicas dependen principalmente de la temperatura de trabajo, podemos afirmar que cuanto mayor sea la concentración, mayor será el rendimiento del sistema receptor solar para una temperatura de trabajo determinada, o dicho de otra manera si queremos trabajar a altas temperaturas y mantener el rendimiento de nuestro sistema receptor debemos entonces incrementar la concentración. Es decir, los rendimientos de los receptores solares serán tanto mayores cuanto mayores sean las concentraciones y menores las temperaturas de trabajo.

Por otra parte en la Ecuación 2 se representa el rendimiento de un ciclo termodinámico ideal (ciclo de Carnot) cuyo rendimiento es mayor cuanto mayor es la temperatura. El rendimiento global del sistema termosolar vendrá determinado por el producto de ambos tal como se muestra en la Ecuación 3. Si queremos elevar la eficiencia global del sistema necesitaremos forzosamente elevar la concentración, para poder trabajar a altas temperaturas y a unas altas eficiencias globales.

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Desde el punto de vista termodinámico existen unos límites de concentración que son diferentes si la concentración se hace tridimensionalmente (3D) o bidimensionalmente (2D) , de tal manera que el limite de concentración depende del ángulo de aceptancia, es decir de la forma tamaño y distancia del objeto a concentrar, en nuestro caso el sol, cuyo ángulo es 4.65 mrad.

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a Siendo los límites teóricos de concentración mucho más altos en el caso de los sistemas de concentración tridimensional que en el de los de los sistemas bidimensionales, Por qué las primeras experiencias comerciales de aplicación de sistemas de concentración solar a la producción de electricidad se han basado en conceptos bidimensionales, como es el caso de los concentradores cilindroparabólicos?. La razón estriba en que en los sistemas de concentración de tipo bidimensional es suficiente la utilización de dispositivos de seguimiento en un único eje alcanzando concentraciones del orden de 20-80X y temperaturas de trabajo del orden de los 400C. Por el contrario, los sistemas de concentración tridimensional requieren de dispositivos de seguimiento en dos ejes, más complejos, y suelen tener concentraciones entre 300-2000X y temperaturas de trabajo de hasta 1000C. Recordaremos que, en la actualidad, existen tres tecnologías diferentes desarrolladas para su uso en Plantas Solares Termoeléctricas. Estas

tecnologías, denominadas colectores cilindro-parabólicos, de receptor central, y discos Stirling, hacen uso solamente de la componente directa de la radiación solar, lo que les obliga a tener dispositivos de seguimiento solar.

1. En los colectores cilindro-parabólicos (2D) , la radiación solar directa es reflejada por espejos cilindroparabólicos que la concentran en un tubo receptor o absorbedor por el que circula un fluido que se calienta como consecuencia de la radicación solar concentrada que incide sobre él hasta temperaturas máximas de 400º C. De este modo, la radiación solar es convertida en energía térmica que se utiliza posteriormente para generar electricidad mediante un ciclo Rankine de agua/vapor. Una variación de esta tecnología son los sistemas lineales de concentración fresnel, en los que el espejo parabólico se sustituye por una discretización fresnel con espejos de menores dimensiones que pueden ser ya planos o disponer de una leve curvatura en su eje axial, y que mediante el control de su orientación axial permiten concentrar radiación solar sobre el tubo absorbedor, que en este tipo de aplicaciones suele permanecer fijo.

2. Los sistemas de receptor central (3D) utilizan espejos de gran superficie (40-125 m2 por unidad) denominados helióstatos, que están dotados de un sistema de control para reflejar la radiación solar directa sobre un receptor central situado en la parte superior de una torre. En esta tecnología, la radiación solar concentrada calienta en el receptor un fluido a temperaturas de hasta 1000º C, cuya energía térmica puede después utilizarse para la generación de electricidad.

3. Los sistemas de discos parabólicos Stirling (3D) utilizan una superficie de espejos montados sobre una parábola de revolución que reflejan y concentran los rayos del Sol en un foco puntual, donde se sitúa el receptor, en el que se calienta el fluido de trabajo de un motor Stirling que, a su vez, acciona un pequeño generador eléctrico.

Aunque todas las tecnologías antes mencionadas están en situación incipiente comercialmente y es pronto para dar estimaciones de costes concluyentes, a priori podemos decir que los sistemas de concentración de tipo tridimensional pueden alcanzar mayores temperaturas de trabajo, lo que en principio aumentará el rendimiento del ciclo termodinámico utilizado, si bien para alcanzar dichas concentraciones necesitan de sistemas de seguimiento en 2 ejes, de gran precisión, lo que puede grabar su coste por m2 construido respecto a los sistemas de concentración bidimensional.

En consecuencia, es un objetivo de la presente invención el disponer de un sistema más eficiente técnicamente y más competitivo económicamente.

La técnica anterior más cercana es la Patente FR2450363A que describe una estación de potencia térmica para producir electricidad a través de energía solar con un intercambiador térmico que comprende una primera fase en la que un colector solar distribuido (por ejemplo, un colector parabólico) calienta un primer fluido caloportador a una primera temperatura y una segunda fase en la que otro tipo de colector solar (colector central situado en una torre) calienta un segundo fluido caloportador a una segunda temperatura, siendo la segunda temperatura más elevada que la primera. Adicionalmente, esta estación de potencia térmica comprende un sistema de convertidor termodinámico diseñado para transferir el calor de ambos fluidos caloportadores al agua y convertir entonces el agua en vapor. Se generará electricidad de este vapor a través de una turbina.

Con el calor obtenido del primer fluido caloportador se evapora la porción principal de agua. El primer fluido caloportador puede ser terfenilo hidrogenado o agua.

El segundo fluido caloportador se utiliza para sobrecalentar el vapor de agua que se desplazará después por la turbina. Este fluido puede ser una mezcla de sales fundidas o un metal líquido tal como sodio.

El primer fluido caloportador se calienta a una temperatura de aproximadamente 305º C y se utiliza como un transmisor... [Seguir leyendo]

1. Planta de concentración solar que trabaja en un ciclo Rankine y utiliza una combinación de concentradores solares bidimensionales (1) y tridimensionales (2) , caracterizada porque utiliza únicamente agua como fluido de trabajo 5 y en la que:

ï· los medios de concentración solar bidimensional (1) están diseñados para proporcionar el 82% de la energía térmica necesaria para el bloque de energía, calentándose el agua desde aproximadamente 50º C a 330ª C generando vapor de agua saturado, y ï· los medios de concentración solar tridimensionales (2) que consisten en un campo de helióstatos y una torre de receptor central, están diseñados para proporcionar no menos del 18% de la energía térmica necesaria para el bloque de energía térmica, calentando el agua más allá de la temperatura ya obtenida, utilizando los medios de concentración solar bidimensional generando vapor de agua sobrecalentado.

2. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por qué los medios de concentración solar bidimensional comprenden un colector cilindroparabólico (1) .

3. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por incorporar dispositivos de almacenamiento térmico (3) (4) ,

4. Planta de concentración solar de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por incorporar un dispositivo de apoyo fósil (5) , complementario de los dispositivos de concentración (1) (2) .