Caldera solar.

Una caldera solar comprende un panel solar incluyendo un colector de entrada,

un colector de salida y una pluralidad de tubos que conectan, de manera fluida, el colector de entrada al colector de salida. Los tubos son sustancialmente coplanares entre sí, formando una superficie receptora solar y una superficie interna opuesta. El panel es modular en términos de altura, anchura, número de tubos y tamaño de los tubos, para una manipulación mejorada del alto flujo de calor y las tensiones inducidas térmicamente resultantes.

Caldera solar

Referencia cruzada con solicitudes relacionadas La presente solicitud es, en parte, una continuación de la solicitud de patente US N° 13/007.262, presentada el 14 de Enero de 2011, que es, en parte, una continuación de cada una de la solicitud de patente US N° 12/620.109 presentada 17 de noviembre de 2009 y la solicitud de patente US N° 12/547.650 presentada el 26 de Agosto de 2009. Esta solicitud es también, en parte, una continuación de la solicitud de patente US N° 12/552.724, presentada el 2 de Septiembre de 2009.

Cada una de dichas solicitudes de patente US N° 12/547.650, 12/552.724 Y 12/620.109 reivindican prioridad sobre la solicitud provisional US N° 61/151.984, presentada el 12 de Febrero de 2009, sobre la solicitud provisional US N° 61/152.011, presentada el 12 de Febrero de 2009, sobre la solicitud provisional US N° 61/152.035, presentada el 12 de Febrero de 2009, sobre la solicitud provisional US N° 61/152.049, presentada el 12 de Febrero de 2009, sobre la solicitud provisional US N° 61/152.077, presentada el 12 de Febrero de 2009, sobre la solicitud provisional US N° 61/152.114, presentada el 12 de Febrero de 2009, y sobre la solicitud provisional US N° 61/152.286, presentada el 13 de Febrero de 2009. Cada una de las solicitudes de patente anteriores se incorpora en su totalidad, por referencia, a la presente memoria.

Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere a la producción de energía solar y, más particularmente, a calderas solares y paneles receptores solares para calderas solares.

2. Descripción de la técnica relacionada

La generación de energía solar ha sido considerada como una fuente viable para ayudar a satisfacer las necesidades energéticas en un momento de creciente conciencia de los aspectos ambientales de la producción de energía. La producción de energía solar se basa, principalmente, en la capacidad de recoger y convertir la energía libremente disponible procedente del sol y puede ser producida con muy poco impacto sobre el medio ambiente. La energía solar puede ser utilizada sin crear residuos radiactivos, como en la producción de energía nuclear, y sin producir emisiones contaminantes, incluyendo gases de efecto invernadero como en la producción de energía usando combustibles fósiles. La producción de energía solar es independiente de los costes fluctuantes del combustible y no consume recursos no renovables.

Generalmente, los generadores de energía solar emplean campos de espejos controlados, llamados heliostatos, para recoger y concentrar la luz solar sobre un receptor para proporcionar una fuente de calor para la producción de energía. Típicamente, un receptor solar adopta la forma de un panel de tubos que transportan un fluido de trabajo a través del mismo. Los generadores solares anteriores han usado fluidos de trabajo tales como sal fundida, ya que esta tiene la capacidad de almacenar energía, lo que permite la generación de energía cuando no hay radiación solar. Típicamente, los fluidos de trabajo calentados son transportados a un intercambiador de calor donde liberan calor en un segundo fluido de trabajo, tal como aire, agua o vapor de agua. La energía es generada haciendo pasar el aire caliente o vapor a través de una turbina que acciona un generador eléctrico.

Más recientemente, se ha determinado que la producción de energía solar puede aumentarse y simplificarse mediante el uso de agua/vapor de agua como el único fluido de trabajo en un receptor que es una caldera. Esto puede eliminar la necesidad de un intercambiador de calor ineficiente entre dos fluidos de trabajo diferentes. Este desarrollo ha conducido a nuevos desafíos en la manipulación del calor solar intenso sin dañar el sistema. En una caldera solar, las tasas de transferencia de calor pueden alcanzar niveles de aproximadamente 2-3 veces la tasa de transferencia de calor de una caldera típica alimentada con combustibles fósiles. Esta alta tasa de transferencia de calor intensifica los problemas relacionados con el mantenimiento de un calentamiento uniforme y una distribución del flujo a lo largo de los diseños conocidos de paneles de caldera. La alta tasa de transferencia de calor da lugar a altas presiones y temperaturas en los tubos de la caldera y estructuras relacionadas. Además, en las calderas solares, sólo se calienta un lado de cada tubo de caldera, mientras que el lado opuesto está a la sombra, lo que da lugar a tensiones relacionadas con gradientes en la expansión/contracción térmica. Además, debido a que el sol sale y se pone cada día, las calderas solares deben experimentar un ciclo diario de expansión/contracción térmica, lo que puede conducir a un aumento de los daños por fluencia y por fatiga debidos a las tensiones originadas por los ciclos.

En las calderas típicas, por ejemplo calderas de carbón, las superficies de transferencia de calor, concretamente, el supercalentador, recalentador y evaporador, están separados con respecto a la ubicación física, así como con respecto al modo de transferencia de calor, por ejemplo, convección frente a radiación dominante. La separación de las superficies de transferencia de calor es importante ya que cada sección diferente contiene fluido con propiedades físicas diferentes, incluyendo la temperatura, la presión y la calidad. Esta separación permite que las diferentes superficies de transferencia de calor sean soportadas de manera individual y permite diferentes tasas de expansión térmica en cada una de las diferentes superficies de transferencia de calor. Por ejemplo, la sección de evaporación en una caldera típica adopta la forma de un cuadrilátero, con soportes rígidos sobre la línea central de cada pared y soldaduras fijas en cada esquina. Esto es posible porque cada lado de la caldera se expandirá a una tasa constante e igual, ya que cada lado tiene las mismas condiciones de vapor y experimenta un flujo de calor similar. Cuando la caldera se calienta y se expande, la sección de evaporación, con forma de cuadrilátero, se expande sin añadir tensión adicional sobre los paneles de evaporación.

En contraste, frecuentemente, las calderas solares tienen superficies de transferencia de calor que son integrales, contiguas o están apiladas una encima de la otra, lo que significa que las superficies de transferencia de calor se encuentran muy cerca, unas de las otras. Además, cada superficie de transferencia de calor individual puede tener entradas de flujo de calor, temperaturas de vapor y temperaturas de metal extremadamente diferentes, debido a la distribución no homogénea de la energía solar. Si se usa un procedimiento tradicional de soporte para los paneles, tal como en calderas de carbón tradicionales, por ejemplo, la gran variación en la expansión térmica causaría que los paneles se separaran.

Mientras los sistemas conocidos de producción de energía solar han sido considerados generalmente satisfactorios para sus propósitos previstos, sigue existiendo una necesidad en la técnica de calderas solares y paneles de calderas solares que puedan acomodar mejor el calor y la tensión relacionada con la producción de energía solar. También sigue existiendo una necesidad en la técnica de dichas calderas solares y paneles de calderas solares que sean fáciles de fabricar y usar. La presente invención proporciona una solución a estos problemas.

Sumario de la invención La presente invención está dirigida a paneles modulares nuevos y útiles para calderas solares. Según una realización ejemplar, el panel incluye un colector de entrada, un colector de salida y una pluralidad de tubos que conectan, de manera fluida, el colector de entrada al colector de salida. Los tubos son sustancialmente coplanares, unos con los otros, formando una superficie receptora solar y una superficie interna opuesta.

En ciertas realizaciones, cada tubo tiene un diámetro exterior en un intervalo que incluye aproximadamente 5, 08 cm (2 pulgadas) y valores inferiores. Cada tubo puede tener un diámetro exterior en un intervalo que incluye aproximadamente 3, 81 cm (1, 5 pulgadas) y valores inferiores, aproximadamente 2, 54 cm (1 pulgada) y valores inferiores, o aproximadamente 1, 27 cm (0, 5 pulgadas) .

Según ciertas realizaciones, los tubos tienen una caída de presión en un intervalo que incluye de aproximadamente 1, 34 kg/cm2 a aproximadamente 19, 34 kg/cm2 (de aproximadamente 19 psi a aproximadamente 275 psi) . Los tubos pueden tener una caída de presión en un intervalo que incluye de aproximadamente 1, 76 kg/cm2 a aproximadamente 5, 27 kg/cm2...

1. Una caldera solar comprendiendo:

a) un generador de vapor que incluye una pluralidad de paneles generadores de vapor en comunicación de fluido con un circuito de fluido de la caldera;

b) un supercalentador que incluye una pluralidad de paneles de supercalentador comunicados con el circuito de fluido, y

c) un recalentador que incluye una pluralidad de paneles de recalentador comunicados con el circuito de fluido, en el que cada uno de entre el generador de vapor, los paneles del recalentador y los paneles del supercalentador es un panel modular separado que incluye:

i) un colector de entrada:

ii) un colector de salida; y

iii) una pluralidad de tubos que conectan el colector de entrada al colector de salida, en el que los tubos son sustancialmente coplanares, unos con los otros,

formando una superficie de receptor solar y una superficie interior opuesta, y en el que los tubos de los paneles del supercalentador tienen un diámetro más pequeño que los tubos de los paneles del generador de vapor; y en el que los tubos de los paneles del recalentador tienen un diámetro mayor que los tubos de los paneles del generador de vapor.

2. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que cada tubo tiene un diámetro exterior en un intervalo que incluye aproximadamente 5, 08 cm (2 pulgadas) y valores inferiores.

3. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que cada tubo tiene un diámetro exterior en un intervalo que incluye aproximadamente 3, 81 cm (1, 5 pulgadas) y valores inferiores.

4. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que cada tubo tiene un diámetro exterior en 25 un intervalo que incluye aproximadamente 2, 54 cm (1 pulgada) y valores inferiores.

5. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que el supercalentador tiene una caída de presión en un intervalo que incluye aproximadamente 19, 34 kg/cm2 (275 psi) y valores inferiores.

6. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que el supercalentador tiene una caída de 30 presión en un intervalo que incluye aproximadamente 12, 31 kg/cm2 (175 psi) y valores

inferiores.

7. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que el supercalentador tiene una caída de presión en un intervalo que incluye aproximadamente 8, 79 kg/cm2 (125 psi) y valores inferiores.

8. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que el supercalentador tiene una caída de presión en un intervalo que incluye aproximadamente 3, 52 kg/cm2 (50 psi) y valores inferiores.

9. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que cada uno de los tubos tiene un espesor, desde su diámetro interior a su diámetro exterior, en un intervalo de aproximadamente 3, 429 mm a aproximadamente 5, 588 mm (de aproximadamente 0, 135 pulgadas a aproximadamente 0, 220 pulgadas) .

10. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que el número de tubos está comprendido en un intervalo de 50 a 200.

11. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que los tubos tienen una conductividad térmica de aproximadamente 8, 67 W/ (m.K) .

12. Caldera solar de acuerdo a la reivindicación 1; comprendiendo los tubos de cada panel modular:

incluyen material de aleación de acero T91.

13. Caldera solar según la reivindicación 12, en el que el número de tubos está comprendido en un intervalo de 100 a 150.

14. Caldera solar según la reivindicación 12, en el que cada tubo tiene un diámetro exterior menor de 5, 08 cm (2 pulgadas) .

15. Caldera solar según la reivindicación 12, en el que los tubos tienen una conductividad térmica comprendida en un intervalo de aproximadamente 5, 78 W/ (m.K) y valores superiores.

16. Caldera solar según la reivindicación 12, en el que los tubos tienen una caída de presión comprendida en un intervalo que incluye de aproximadamente 1, 34 kg/cm2 (19 psi) a aproximadamente 19, 34 kg/cm2 (275 psi) .

17. Caldera solar según la reivindicación 12, en el que los tubos tienen una caída de presión

comprendida en un intervalo que incluye de aproximadamente 1, 76 kg/cm2 (25 psi) a 18

aproximadamente 5, 25 kg/cm2 (75 psi) .

18. Caldera solar según la reivindicación 1 que comprende:

en el que los tubos de cada panel modular tienen una conductividad térmica en un intervalo de aproximadamente 5, 78 W/ (m.K) y valores superiores.

19. Caldera solar según la reivindicación 1, en la que los tubos incluyen un material seleccionado de entre el grupo de aleaciones que consiste en 178C, 192, 210A1, 210C, T1, T2, T11, T12, T22, T9, T91, 304H, 310H, 316H, 321H y 347H.

20. Caldera solar según la reivindicación 1, en el que los tubos de los paneles del generador de vapor tienen un diámetro exterior en la que cada tubo tienen un diámetro exterior en un intervalo que incluye aproximadamente 2, 54 cm (1 pulgadas) a 3, 81 cm (1, 5 pulgadas) , y en el que los tubos de los paneles del supercalentador tienen un diámetro exterior que incluye aproximadamente 2, 54 cm (1 pulgada) , y en el que los tubos de los paneles del recalentador tienen un diámetro exterior mayor o igual a 3, 81 cm (1, 5 pulgadas) .