Sistema de energía térmica solar.

Un sistema de energía térmica solar (100) que comprende:

un receptor solar (110);

una disposición de almacenamiento de energía térmica (120) que incluye un fluido de almacenamiento de energía térmica destinado a ser hecho circular por el receptor solar (110) para almacenar energía térmica;

una turbina de vapor multietapa (130) que puede funcionar con un vapor de presión variable generado por el fluido de almacenamiento de energía térmica para accionar un generador eléctrico (150) a fin de producir energía eléctrica, en donde la turbina de vapor multietapa (130) puede funcionar con el vapor de presión variable generado por una disposición generadora de vapor primaria (140) para suministrar un vapor de alta presión a una presión deseada, producido a partir del fluido de almacenamiento de energía térmica, a una entrada de turbina de alta presión (132a) de la turbina de vapor multietapa (130), saliendo el vapor de una etapa de turbina aguas abajo de una salida de turbina de alta presión (132b); y

una disposición generadora de vapor secundaria (150) que tiene un conjunto de recalentamiento (158),

caracterizado por que la disposición generadora de vapor secundaria (150) está adaptada para suministrar un vapor de presión intermedia, producido a partir del fluido de almacenamiento de energía térmica recibido de la disposición de almacenamiento de energía térmica (120) a través del conjunto de recalentamiento (158), y por que la disposición generadora de vapor secundaria está configurada y dispuesta de tal manera que el vapor de presión intermedia y el vapor que sale de la etapa de turbina aguas abajo de la salida de turbina de alta presión (132b) se mezclan y suministran ambos al conjunto de recalentamiento (158) para ser recalentados y suministrados a una entrada de turbina de presión intermedia (134) de la turbina de vapor multietapa (130).

Sistema de energía térmica solar.

Antecedentes Campo de investigación

La presente revelación se refiere en general al campo de la energía solar concentrada y, más particularmente, a una central de energía térmica solar concentrada con almacenamiento de calor por sal fundida que utiliza energía solar concentrada para almacenar energía térmica, y que utiliza la energía térmica almacenada para generar electricidad.

Breve descripción de la técnica relacionada

Una central de energía térmica solar basada en un receptor central de vapor directo (DSCR) incluye un campo grande de heliostatos y un receptor solar colocado en una torre de altura sustancial. Los heliostatos enfocan la luz solar directa sobre el receptor solar para producir vapor destinado a utilizarse en el funcionamiento de una turbina de vapor para producir electricidad. Típicamente, la central de energía térmica solar funciona, en un ciclo diario, durante las horas de luz solar clara, mientras que se para por las noches o en periodos nubosos. Sin embargo, si la central de energía térmica solar ha de satisfacer una demanda de electricidad creciente, necesita ser operativa con independencia de la disponibilidad de luz solar, es decir, por las noches o en periodos nubosos. Una materialización de tal central de energía térmica solar genera un requisito de almacenamiento de energía térmica solar durante las horas del día y la utilización de la misma por las noches o en periodos nubosos. Para tal requisito se utiliza generalmente un receptor central que incluye un fluido de almacenamiento de energía solar, tal como sal fundida. El receptor solar con sal fundida se conoce generalmente como receptor central de sal fundida (MSCR).

La solicitud de patente US número 2008/0034757, considerada como la técnica anterior más próxima, discute un método y un sistema de integrar calor solar en un ciclo de Rankine regenerativo. El sistema utiliza energía solar para calentar un fluido de transferencia térmica de una sola fase que puede hacerse circular en un sistema de calor solar. El sistema de calor solar incluye un calentador de fluido que trabaja en circuito cerrado, acoplado fluldicamente a los colectores de calor solar y que transfiere la energía térmica del fluido de transferencia térmica a un fluido de trabajo del sistema de generación de energía. Así, el fluido de trabajo es precalentado antes de que entre en la caldera del sistema de generación de energía. El calentador solar de fluido de trabajo puede conectarse en una porción del ciclo de Rankine aguas abajo de otros calentadores de fluido de trabajo o aguas arriba de al menos un calentador de fluido de trabajo.

La publicación de la solicitud de patente EP 1 820 964 discute otro método y otro dispositivo para aumentar la producción de energía en una central de energía térmica solar. El método implica producir energía en una parte de estación de energía solar, que se alimenta a una parte de estación de energía convencional mediante un intercambiador de calor, y energía térmica adicional que se alimenta a un circuito de vapor de agua de la parte de estación de energía convencional. La energía térmica adicional es puesta en paralelo con el intercambiador de calor.

Un sistema MSCR típico 10 es evidente en la figura 1. El sistema MSCR 10 incluye un MSCR 12, unos depósitos de almacenamiento frío y caliente 14, 16 y un ciclo 18 generador de vapor de sal fundida (MSSG). El fluido de sal fundida calentado en el MSCR 12 se almacena en el depósito de almacenamiento caliente 14, a una temperatura de aproximadamente 565°C, y después de que su energía térmica sea utilizada por el ciclo MSSG 18, dicho fluido se almacena en el depósito de almacenamiento frío 16, a una temperatura de aproximadamente 290°C, desde donde es enviado adicionalmente al MSCR 12 para que sea recalentado. El ciclo MSSG 18 incluye una disposición generadora de vapor 20, un recalentador 22 y una turbina 24. La disposición generadora de vapor 20 utiliza el calor de la sal fundida caliente y convierte agua de alimentación de un depósito 26 de agua de alimentación en vapor y lo envía a una entrada de turbina de alta presión de la turbina 24 para la conversión del calor en electricidad a través de un generador `G. Además, el vapor procedente de una salida de turbina de alta presión de la turbina 24 es recalentado por el recalentador 20 utilizando la sal fundida caliente. El vapor recalentado es suministrado a una entrada de turbina de presión intermedia de la turbina 24 para la conversión de calor en electricidad.

La temperatura y la presión del vapor en el ciclo MSSG 18 son en general limitadas, respectivamente, por la temperatura de la sal fundida caliente, típicamente a 545°C, y por una limitación de estricción en el ciclo MSSG 18, típicamente a 115 bares o a un valor más bajo. La limitación de estricción en el ciclo MSSG 18 depende de dos factores importantes. En primer lugar, la temperatura del agua de alimentación para ser convertida en vapor necesitará mantenerse por encima de 240°C a fin de evitar que se congele la sal fundida. En segundo lugar, después de que el vapor procedente de la salida de turbina de alta presión de la turbina 24 sea recalentado por el recalentador 20 utilizando la sal fundida caliente, la temperatura de tal sal fundida caliente usada está todavía por encima de la temperatura a la cual puede ser enviada al depósito de almacenamiento frío 14, es decir, por encima de 290°C. Una posible solución para evitar el envío de esa sal fundida caliente desde el recalentador 20 consiste en mezclarla en cualquier etapa de la disposición generadora de vapor 20, es decir, entre cualesquiera de dos elementos constituidos por el economizados el supercalentador y el evaporador. Debido a estos dos requisitos de

limitación de estricción el resultado es, como se ha mencionado, una baja presión de vapor que tiene diversos impactos negativos sobre la eficiencia de la central de energía térmica solar, incluyendo, pero sin limitación, una menor eficiencia de la central energética, una formación de puntos fríos/estancamiento, dando a su vez como resultado una congelación de la sal fundida, un taponamiento y un daño del intercambiador de calor de la disposición generadora de vapor 20.

No es que no se hayan hecho hasta la fecha esfuerzos suficientes para resolver estos requisitos de limitación de estricción. Un esfuerzo particular puede ser evidente en la figura 2, en donde el recalentador 20, como se muestra en la figura 1, ha sido retirado, eliminando la necesidad de recalentar el vapor que sale de la salida de turbina de alta presión de la turbina 24. Tal disposición puede evitar que se mezcle sal fundida todavía caliente en cualquier etapa de la disposición generadora de vapor 20, excluyendo así el requisito de una limitación de estricción. Sin embargo, en este caso la presión de vapor proporcionada en una entrada de turbina de alta presión de la turbina 24 deberá incrementarse lo suficiente para compensar la eficiencia perdida por la no la realización del recalentamiento. Pero debido a la baja presión de vapor, esta disposición puede incurrir en una humedad muy alta en una salida de la turbina de vapor de baja presión, con un impacto negativo sobre la eficiencia y una erosión de los últimos álabes de la etapa.

Sumario

La presente revelación describe un sistema de energía térmica solar que se presentará en el siguiente sumario simplificado para proporcionar una comprensión básica de uno o más aspectos de la revelación que están destinados a superar los inconvenientes discutidos, pero a incluir todas las ventajas de la misma, junto con la aportación de algunas ventajas adicionales. Este sumario no es una extensa visión general de la revelación. No se pretende identificar elementos claves o críticos de la descripción ni delinear el alcanza de la presente revelación. Por el contrario, el único propósito de este sumario es presentar algunos conceptos de la revelación, sus aspectos y sus ventajas en una forma simplificada como un preludio de la descripción más detallada que se presenta más adelante.

Un objeto de la presente revelación es describir un sistema de energía térmica solar que pueda ser capaz de ser operativo sobre una variable libre de la limitación de estricción, particularmente la variable de limitación de estricción de tener la necesidad de mezclar debidamente sal fundida caliente liberada del recalentador hacia la tubería de alta presión en orden, y que todavía pueda ser capaz de obtener vapor de presión suficiente para enviarlo a una turbina de etapa de presión intermedia a fin de incrementar la eficiencia global de tal central.

Otro objeto de la presente revelación es revelar... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de energía térmica solar (100) que comprende: un receptor solar (110);

una disposición de almacenamiento de energía térmica (120) que incluye un fluido de almacenamiento de energía térmica destinado a ser hecho circular por el receptor solar (110) para almacenar energía térmica;

una turbina de vapor multietapa (130) que puede funcionar con un vapor de presión variable generado por el fluido de almacenamiento de energía térmica para accionar un generador eléctrico (150) a fin de producir energía eléctrica, en donde la turbina de vapor multietapa (130) puede funcionar con el vapor de presión variable generado por

una disposición generadora de vapor primaria (140) para suministrar un vapor de alta presión a una presión deseada, producido a partir del fluido de almacenamiento de energía térmica, a una entrada de turbina de alta presión (132a) de la turbina de vapor multietapa (130), saliendo el vapor de una etapa de turbina aguas abajo de una salida de turbina de alta presión (132b); y

una disposición generadora de vapor secundaria (150) que tiene un conjunto de recalentamiento (158), caracterizado por que la disposición generadora de vapor secundaria (150) está adaptada para suministrar un vapor de presión intermedia, producido a partir del fluido de almacenamiento de energía térmica recibido de la disposición de almacenamiento de energía térmica (120) a través del conjunto de recalentamiento (158), y por que la disposición generadora de vapor secundaria está configurada y dispuesta de tal manera que el vapor de presión intermedia y el vapor que sale de la etapa de turbina aguas abajo de la salida de turbina de alta presión (132b) se mezclan y suministran ambos al conjunto de recalentamiento (158) para ser recalentados y suministrados a una entrada de turbina de presión intermedia (134) de la turbina de vapor multietapa (130).

2. El sistema de energía térmica solar (100) según la reivindicación 1, en el que la disposición de almacenamiento de energía térmica (120) comprende:

un primer depósito de almacenamiento (122) para almacenar el fluido de almacenamiento de energía térmica

caliente; y

un segundo depósito de almacenamiento (124) para almacenar el fluido de almacenamiento de energía térmica frío, suministrando la disposición de almacenamiento de energía térmica (120) el fluido de almacenamiento de energía térmica frío proveniente del segundo depósito de almacenamiento (124) al receptor solar (110) para que sea recalentado.

3. El sistema de energía térmica solar (100) según las reivindicaciones 1 y 2, en el que la disposición generadora de vapor primaria (140) está adaptada para recibir el fluido de almacenamiento de energía térmica caliente proveniente del primer depósito de almacenamiento (122) a fin de generar el vapor de alta presión a la presión deseada destinado a ser suministrado a la entrada de turbina de alta presión (132a) de la turbina de vapor multietapa (130).

4. El sistema de energía térmica solar (100) según las reivindicaciones 1 y 2, en el que la disposición generadora de vapor secundaria (150) está adaptada para recibir el fluido de almacenamiento de energía térmica caliente proveniente del primer depósito de almacenamiento (122) a través del conjunto de recalentamiento (158) a fin de generar un vapor de presión intermedia.

5. El sistema de energía térmica solar (100) según las reivindicaciones 1 y 2, en el que el fluido de almacenamiento de energía térmica caliente da como resultado un fluido de almacenamiento de energía térmica frío al ser utilizado su calor por la disposición generadora de vapor primaria (140) para generar el vapor de alta presión, y en el que el fluido de almacenamiento de energía térmica frío resultante es suministrado directamente al segundo depósito de almacenamiento (124) desde la disposición generadora de vapor primaria (140).

6. El sistema de energía térmica solar (100) según las reivindicaciones 1 y 2, en el que el fluido de almacenamiento de energía térmica caliente da como resultado un fluido de almacenamiento de energía térmica frío al ser utilizado su calor por la disposición generadora de vapor secundaria (150) para generar el vapor de presión intermedia, y el fluido de almacenamiento de energía térmica frío resultante es suministrado directamente al segundo depósito de almacenamiento (124) desde la disposición generadora de vapor secundaria (150).

7. El sistema de energía térmica solar (100) según las reivindicaciones 1 y 2, en el que la disposición generadora de vapor primaria (140) comprende un economizador de alta presión (142, 152), un evaporador de alta presión (144, 154) y un supercalentador (146, 156) configurados de manera comunicable para utilizar el calor del fluido de almacenamiento de energía térmica caliente recibido del primer depósito de almacenamiento (122) a fin de generar el vapor de alta presión a la presión deseada.

8. El sistema de energía térmica solar (100) según las reivindicaciones 1 y 2, en el que la disposición generadora de

vapor secundaria (150) comprende un economizador de presión intermedia, un evaporador de presión intermedia y un supercalentador (146, 156) configurados de manera comunicable para utilizar el calor del fluido de almacenamiento de energía térmica caliente recibido del primer depósito de almacenamiento (122) a través del conjunto de recalentamiento (158) a fin de generar el vapor de presión intermedia.

9. El sistema de energía térmica solar (100) según la reivindicación 1, en el que el vapor proveniente de una salida

de turbina de presión intermedia (134) es suministrado a una entrada de turbina de baja presión (136) de la turbina de vapor multietapa (130).

10. El sistema de energía térmica solar (100) según la reivindicación 1, que comprende, además, una disposición de acondicionamiento (190) para acondicionar el vapor que sale de la turbina de vapor multietapa (130), en donde la 10 disposición de acondicionamiento (190) comprende:

un condensador (192) para condensar el vapor que sale de la turbina multietapa (24) a fin de obtener agua;

unas disposiciones calentadoras de baja y alta presión (196) configuradas para calentar el agua recibida del condensador (192); y

un suministro de agua de alimentación (170) configurado para suministrar agua de alimentación de alta presión a las 15 disposiciones generadoras de vapor primaria y secundaria (150).