Sistema de energía solar y método de funcionamiento.

Un sistema de energía solar que comprende un receptor solar (1) para absorber radiación solar y una pluralidad de trayectorias de flujo de fluido (L1,

L2, L3) separadas que pasan a través del receptor solar en paralelo entre sí, en el que cada trayectoria de flujo de fluido contiene un fluido de trabajo que puede fluir al menos a una temperatura mínima de funcionamiento a través de la trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor solar (1) hasta una temperatura máxima de funcionamiento, siendo diferentes las temperaturas máxima y mínima de funcionamiento para cada fluido de trabajo, siendo la disposición tal que la energía térmica absorbida en el receptor solar (1) por un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más baja es transferido a un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas en una trayectoria de flujo de fluido (L2, L3) adyacente, ocurriendo dicha transferencia de energía térmica antes de que el fluido de trabajo con las temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas absorba energía térmica desde el receptor solar (1).

Sistema de energía solar y método de funcionamiento Campo técnico

La presente invención se refiere a sistemas de energía solar y a métodos de funcionamiento de los mismos. Más particularmente, la presente invención se refiere a sistemas de energía solar que utilizan un fluido de trabajo para transferir energía térmica desde un receptor solar hasta un intercambiador de calor.

Antecedentes técnicos

En un método conocido de generación de energía solar concentrada (CSP), ver, por ejemplo, el documento EP-A-1 982 954, la radiación desde el sol es enfocada, por medios tales como espejos parabólicos o helióstatos, sobre uno o más receptores de radiación solar, que pueden estar montados, por ejemplo, sobre la parte superior de una torre, una llamada disposición de "torre solar". El o cada receptor solar absorbe la radiación solar como energía térmica y se utiliza un fluido de trabajo con una alta capacidad de calor, tal como sal fundida, para transferir calor desde el receptor solar hasta un intercambiador de calor para generar otro fluido de trabajo adecuado para accionar un motor primario. Típicamente, el motor primario es una turbina de vapor que funciona en el Ciclo de Rankine, aunque se pueden utilizar fluidos de turbina distintos al calor. Normalmente, la turbina u otro motor primario accionan un generador eléctrico para alimentar potencia a una rejilla de servicio.

Para transferir calor desde el receptor solar hasta el intercambiador de calor, se pasa el fluido de trabajo a través de canales que están en comunicación térmica íntima con los elementos que absorben radiación del o de cada receptor, y el fluido es circulado entonces hasta el intercambiador de calor a través de conductos fuertemente aislados para evitar la pérdida excesiva de calor desde ellos.

La eficiencia de la conversión de la radiación solar en potencia útil tiene una mucha importancia. Se necesita alta eficiencia para permitir que la CSP pueda competir, en términos de coste por unidad de energía, con otras formas de generación de energía, tales como las estaciones de energía quemadas con combustible fósil. Un aspecto de los sistemas CSP mencionados anteriormente que tiene un efecto pronunciado sobre la eficiencia general del sistema es el de la temperatura y la presión a las que el fluido de la turbina es elevado en el intercambiador de calor antes de pasar a la turbina. Termodlnámlcamente, es deseable calentar el fluido a una temperatura y una presión lo más altas posible, para Incrementar al máximo la diferencia de la temperatura y de la presión a través de la turbina. La temperatura y la presión alcanzables para el fluido de a turbina están limitadas, sin embargo, por las características el fluido de trabajo utilizado para transferir energía térmica desde el receptor solar hasta el intercambiador de calor. Un ejemplo de Influido de trabajo típico para sistemas CSP es una sal fundida: una combinación de 60% de nitrato de sodio y 40% en nitrato de potasio. Esta combinación de nitrato de sodio y de potasio tiene una temperatura máxima de trabajo de aproximadamente 565°C, cuya temperatura no es suficiente para generar vapor super-crítico en el ¡ntercamblador de calor para uso como el fluido de la turbina. Los límites de la temperatura deseada de las mezclas de sal fundida son causados por cristalización a un umbral de temperatura más bajo y por descomposición de la al a una umbral de temperatura más alto. Aunque se conocen sales con temperaturas de descomposición que permiten que la temperatura en el ¡ntercamblador de calor se eleve más allá de 565°C, las sales que tienen temperaturas de descomposición más altas tienen también temperaturas de cristalización incrementadas. Un incremento en la temperatura de cristalización da como resultado un rango Incrementado de temperatura, en el que el sistema CSP no funcionará debido a que el fluido de trabajo no fluirá alrededor del sistema y, por lo tanto, no será capaz de transferir energía desde el receptor solar hasta el ¡ntercamblador de calor.

Por lo tanto, existe una necesidad de un medio para transferir energía desde un receptor solar hasta un ¡ntercamblador de calor, sobre un rango más amplio de temperatura que el que se puede conseguir actualmente utilizando disposiciones conocidas de sistemas CSP.

Sumario de la invención

Un primer aspecto de la presente invención proporciona un sistema de energía solar que comprende un receptor solar para absorber radiación solar y una pluralidad de trayectorias de flujo de fluido separadas que pasan a través del receptor solar en paralelo entre sí, en el que cada trayectoria de flujo de fluido contiene un fluido de trabajo que puede fluir al menos a una temperatura mínima de funcionamiento a través de la trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta una temperatura máxima de funcionamiento, siendo diferentes las temperaturas máxima y mínima de funcionamiento para cada fluido de trabajo, siendo la disposición tal que la energía térmica absorbida en el receptor solar por un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más baja es transferido a un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas en una trayectoria de flujo de fluido adyacente, ocurriendo dicha transferencia de energía térmica antes de que el fluido de trabajo con las temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas absorba energía térmica desde el receptor solar.

Por ejemplo, en una forma de realización preferida, la primera y la segunda trayectorias de flujo de fluido pasan a través el receptor solar, un primer fluido de trabajo puede fluir a través de la primera trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta una primera temperatura máxima; y un segundo fluido de trabajo puede fluir a través de la segunda trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta una segunda temperatura máxima más alta que la primera temperatura máxima.

Como otro ejemplo, el sistema de energía solar puede comprender, además, al menos una tercera trayectoria de flujo de fluido que pasa a través del receptor solar y un tercer fluido de trabajo que puede pasar a través de la tercera trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor hasta una tercera temperatura máxima más alta que la primera y la segunda temperaturas máximas.

Con preferencia, cada trayectoria de fluido Incluye un depósito de almacenamiento delante del receptor solar y un depósito de almacenamiento detrás del receptor solar, de manera que cada fluido de trabajo es almacenado en un depósito antes y después del calentamiento en el receptor solar.

En general, diferentes fluidos de trabajo pueden ocupar primero y segundo compartimientos de al menos uno de los depósitos de almacenamiento, estando localizado el primer compartimiento en una trayectoria de flujo de fluido para almacenar fluido de trabajo con temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más bajas después de que ha sido tratado en el receptor solar y estando localizado el segundo compartimiento en una trayectoria de fluido para almacenar fluido de trabajo con temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas después de que ha sido calentado en el receptor solar, estando dispuestos el primero y el segundo compartimientos del depósito de almacenamiento de tal manera que durante el funcionamiento del sistema el fluido de trabajo con la temperatura de funcionamiento mínima más alta se mantiene en una condición fluida por energía térmica desde el fluido de trabajo con la temperatura de funcionamiento mínima más baja.

Con el fin de extraer energía útil desde el sistema, cada trayectoria de flujo de fluido puede incluir un intercambiador de calor a través del cual el fluido de trabajo calentado en el funcionamiento en esa trayectoria de flujo pasa a impartir energía térmica a un fluido de la turbina, estando dispuestos los intercambiadores de calor en serie con respecto al flujo del fluido de la turbina, de tal manera que un intercambiador de calor posterior en la serie imparte más energía térmica al fluido de la turbina después de que ha pasado a través de un intercambiador de calor precedente. Con vapor de agua como el fluido de la turbina, esto permite al vapor alcanzar un estado supercrítico para eficiencia incrementada de la generación de energía. Tal generación de energía se puede conseguir pasando el fluido caliente a través de una turbina que funciona en el ciclo Rankine, estando dispuesta la turbina para accionar un generador eléctrico.

1.- Un sistema de energía solar que comprende un receptor solar (1) para absorber radiación solar y una pluralidad de trayectorias de flujo de fluido (L1, L2, L3) separadas que pasan a través del receptor solar en paralelo entre sí, en el que cada trayectoria de flujo de fluido contiene un fluido de trabajo que puede fluir al menos a una temperatura mínima de funcionamiento a través de la trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor solar (1) hasta una temperatura máxima de funcionamiento, siendo diferentes las temperaturas máxima y mínima de funcionamiento para cada fluido de trabajo, siendo la disposición tal que la energía térmica absorbida en el receptor solar (1) por un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más baja es transferido a un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas en una trayectoria de flujo de fluido (L2, L3) adyacente, ocurriendo dicha transferencia de energía térmica antes de que el fluido de trabajo con las temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas absorba energía térmica desde el receptor solar (1).

2 - El sistema de energía solar de la reivindicación 1, en el que la primera y la segunda trayectorias de flujo de fluido (L1, L2) pasan a través el receptor solar (1), un primer fluido de trabajo puede fluir a través de la primera trayectoria de flujo de fluido (L1) para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta una primera temperatura máxima; y un segundo fluido de trabajo puede fluir a través de la segunda trayectoria de flujo de fluido (L2) para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta una segunda temperatura máxima más alta que la primera temperatura máxima.

3 - El sistema de energía solar de la reivindicación 2, que comprende, además, al menos una tercera trayectoria de flujo de fluido (L3) que pasa a través del receptor solar (1) y un tercer fluido de trabajo que puede pasar a través de la tercera trayectoria de flujo de fluido (L3) para absorber energía térmica desde el receptor hasta una tercera temperatura máxima más alta que la primera y la segunda temperaturas máximas.

4 - El sistema de energía solar de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada trayectoria de fluido (L1, L2, L3) Incluye un depósito de almacenamiento (9, 4, 16) delante del receptor solar (1) y un depósito de almacenamiento (4, 16, 21) detrás del receptor solar, de manera que cada fluido de trabajo es almacenado en un depósito antes y después del calentamiento en el receptor solar.

5.- El sistema de energía solar de la reivindicación 4, en el que diferentes fluidos de trabajo ocupan primero y segundo compartimientos (20a, 20b) de al menos uno de los depósitos de almacenamiento (4), estando localizado el primer compartimiento (20a) en una trayectoria de flujo de fluido (L1) para almacenar fluido de trabajo con temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más bajas después de que ha sido tratado en el receptor solar (1) y estando localizado el segundo compartimiento (20b) en una trayectoria de fluido (L2) para almacenar fluido de trabajo con temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas después de que ha sido calentado en el receptor solar, estando dispuestos el primero y el segundo compartimientos (20a, 20b) del depósito de almacenamiento (4) de tal manera que durante el funcionamiento del sistema el fluido de trabajo con la temperatura de funcionamiento mínima más alta se mantiene en una condición fluida por energía térmica desde el fluido de trabajo con la temperatura de funcionamiento mínima más baja.

6 - El sistema de energía solar de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada trayectoria de flujo de fluido (L1, L2, L3) incluye un ¡ntercambiador de calor (6, 18, 23) a través del cual el fluido de trabajo calentado en el funcionamiento en esa trayectoria de flujo pasa a impartir energía térmica a un fluido de la turbina, estando dispuestos los intercambiadores de calor en serie con respecto al flujo (8) del fluido de la turbina, de tal manera que un intercambiador de calor posterior en la serie imparte más energía térmica al fluido de la turbina después de que ha pasado a través de un ¡ntercambiador de calor precedente.

7.- El sistema de energía solar de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende bombas (P) que pueden funcionar para bombear el fluido de trabajo alrededor de las trayectorias de fluido de trabajo (L1, L2, L3) a diferentes caudales de flujo, para controlar de esta manera la temperatura máxima que cada fluido de trabajo alcanza a través de absorción de energía térmica desde el receptor solar.

8.- Un método de funcionamiento de un sistema de energía solar, en el que energía térmica es transferida desde un receptor solar hasta una pluralidad de fluidos de trabajo diferentes, de manera que los fluidos de trabajo pueden fluir a través de una pluralidad correspondiente de trayectorias de flujo de fluido y que tienen diferentes temperaturas de funcionamiento mínima y máxima entre sí, comprendiendo el método las etapas de:

a) hacer fluir los fluidos de trabajo al menos a sus temperaturas mínimas de funcionamiento a través de sus trayectorias de flujo de fluido respectivas para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta sus temperaturas máximas de funcionamiento; y

b) transferir energía térmica absorbida en el receptor solar por un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más bajas hasta un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas en una trayectoria de flujo de

fluido adyacente, ocurriendo dicha transferencia de energía térmica antes de que el fluido de trabajo con las temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más altas absorba energía térmica desde el receptor solar.

9.- El método de la reivindicación 8, que comprende hacer fluir un primer fluido de trabajo a través de una primera trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta una primera temperatura; y hacer fluir un segundo fluido de trabajo a través de la segunda trayectoria de flujo de fluido para absorber energía térmica desde el receptor solar hasta una segunda temperatura máxima más alta que la primera temperatura máxima.

10.- El método de la reivindicación 9, que comprende, además, hacer fluir al menos un tercer fluido de trabajo a través de una trayectoria de flujo de fluido correspondiente para absorber energía térmica desde el receptor hasta una tercera temperatura máxima más alta que la primera y segunda temperaturas máximas.

11.- El método de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, que comprende, además, almacenar cada fluido de trabajo en un depósito de almacenamiento antes y después de calentarlo en el receptor solar.

12.- El método de la reivindicación 11, que comprende, además:

a) almacenar un fluido de trabajo con una temperatura de funcionamiento mínima inferior en un depósito de almacenamiento ante de calentarlo en el receptor solar;

b) almacenar un fluido de trabajo con una temperatura de funcionamiento mínima más alta en un depósito de almacenamiento después de calentarlo en el receptor solar; y

c) transferir energía térmica desde el fluido de trabajo con una temperatura de funcionamiento mínima más baja al fluido de trabajo con la temperatura de funcionamiento mínima más alta durante el almacenamiento, con el fin de mantener el fluido de trabajo con la temperatura de funcionamiento más alta en una condición apta para el flujo.

13.- El método de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, que comprende, además, transferir energía térmica desde un fluido de trabajo caliente en cada trayectoria de flujo de fluido hasta un fluido de la turbina, en el que la transferencia de energía térmica al fluido de la turbina desde un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima más altas ocurre después de la transferencia de energía térmica al fluido de la turbina desde un fluido de trabajo que tiene temperaturas de funcionamiento mínima y máxima relativamente más bajas.

14 - El método de una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, que comprende, además, bombear los fluidos de trabajo alrededor de las trayectorias de fluido a caudales diferentes, para controlar de esta manera la temperatura máxima que cada fluido de trabajo alanza a través de la absorción de energía térmica desde el receptor solar.