Dispositivo, planta y método con alto nivel de eficiencia energética para el almacenamiento y uso de energía térmica de origen solar.

Un dispositivo (1) para almacenar y liberar energía térmica apto para recibir una radiación solar concentrada,

cuyo dispositivo (1) comprende:

- al menos un lecho (3, 30) de partículas fluidizables, dispuesto al menos en parte en las superficies de recepción (20) para dicha radiación;

- medios de alimentación (14, 142, 21) para la alimentación de un gas de fluidización para la fluidización de dichas partículas; y

- elementos de intercambio de calor (4) a través de los que fluye, durante el uso, un fluido operativo y dispuestos en o en la proximidad de dicho lecho (3, 30) de partículas fluidizables,

en el que la disposición global es tal que, durante el uso, porciones (3, 30) de dicho lecho de partículas son aptas para ser movidas selectivamente por el gas de fluidización para el almacenamiento de energía térmica recibida de la radiación solar en una etapa de almacenamiento y para liberar la energía térmica almacenada en dichos elementos de intercambio de calor (4) en una etapa de liberación,

y caracterizado por que la disposición general es tal para permitir una activación independiente de la etapa de almacenamiento de calor y de la etapa de liberación de calor.

Dispositivo, planta y método con alto nivel de eficiencia energética para el almacenamiento y uso de energía térmica de origen solar

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una planta industrial basada en la utilización y el almacenamiento de energía solar, a un dispositivo para almacenar y liberar energía térmica solar adecuado para su uso dentro de dicha planta y a un método relacionado.

Antecedentes de la invención

Es conocido el uso de la energía solar concentrada a través de helióstatos, fijos o por seguimiento. Es también conocida la posibilidad de almacenar el calor no utilizado en materiales sólidos con alta conductividad térmica (típicamente grafito) para su uso posterior. Para la explotación del calor que normalmente se utiliza un intercambiador de calor que también puede ser sumergido en el material de almacenamiento y atravesado por un fluido de trabajo - típicamente agua, vapor u otros portadores - capaz de absorber y transportar energía calorífica contenida en el mismo.

Dado que sistemas de almacenamiento, como el grafito, son capaces de alcanzar altas temperaturas (hasta 2 °C), el límite de la tecnología se establece por la resistencia térmica de los haces de tubos de metal a cargo de la eliminación del calor.

Además, el almacenamiento en sólidos no permite - por la inercia térmica de los mismos y para valores de difusividad térmica bajos - seguir la tendencia de la potencia requerida dado que las condiciones atmosféricas y los ciclos día-noche varían.

Basado en lo anterior, por lo tanto, una dificultad de los sistemas conocidos está relacionada con la baja eficiencia debida a las temperaturas máximas alcanzables limitadas y su falta de flexibilidad para seguir la tendencia de la carga cuando las condiciones atmosféricas varían.

El documento WO 29/147651 divulga un generador de energía solar que incluye medios para adsorber y acumular el calor de los rayos solares concentrados por un sistema de concentración. Tales medios tienen una cámara que alberga una pluralidad de cápsulas que contienen un material de dos fases con una temperatura de transición de fase en el rango de la que se puede llegar dentro de la cámara. Tales medios están conectados operativamente a una planta de utilización del calor.

El documento US 23/1515 divulga una caldera de lecho fluidizado circulante que tiene uno o más recintos de lecho fluidizado burbujeante.

Sumario de la invención

Por lo tanto, el problema técnico subyacente de la presente invención es superar los inconvenientes mencionados anteriormente con referencia al estado de la técnica.

El problema anterior se resuelve mediante un dispositivo según la reivindicación 1 y mediante un método según la reivindicación 17.

Las características preferidas de la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.

Una ventaja importante de la invención es que permite producir de manera eficiente y fiable un almacenamiento de energía térmica solar, minimizando el estrés térmico de los intercambiadores de calor y aumentando la eficiencia del intercambio de calor al fluido de trabajo, a través del uso de un lecho granular fluidizable que pueden desempeñar la doble función de sistema de intercambio y de sistema de almacenamiento del calor recogido. La base de este uso son las características favorables de la transferencia de calor de lechos fluidizados y el transporte eficiente de calor debido a la movilidad de la fase granular. Ambas características están vinculadas a la posibilidad de dar a un sólido un comportamiento reológico granular que puede asimilarse al de un líquido, gracias precisamente a su fluidificación.

Sinérgicamente con lo anterior, la separación de la etapa de almacenamiento del calor recibido de la radiación solar concentrada de la de la liberación de dicho calor y la producción de energía potencial resultante - es decir, generalmente de la transferencia de calor al fluido de trabajo - permite mejorar dramáticamente la versatilidad y la eficiencia global de la planta.

En una realización preferida, se hace posible dicha separación separando el circuito de gas de fluidización del de fluido de trabajo.

En una realización particularmente preferida, el dispositivo comprende dos lechos fluidizables, uno esencialmente a cargo de almacenamiento y un segundo, que recibe calor del primero, principalmente a cargo de Intercambio con el fluido de trabajo. También de acuerdo con esta realización, la fluidización de lechos se hace mediante el uso de aire tomado del medio ambiente como gas fluidificante.

Para lograr la máxima recuperación de energía, la salida de aire caliente de lechos fluidizados se envía a un ¡ntercamblador aire-aire donde libera su calor al aire de fluidización frío recogido desde el medio ambiente.

Durante la etapa de almacenamiento el primer lecho recibe calor de un campo de helióstatos través de un receptor y se mantiene en condiciones de fluidización por aire que se callenta en el interior del aire al ¡ntercamblador de calor de aire mencionado anteriormente.

En caso de ser necesario para mantener el calor almacenado en una etapa sin la producción de energía, el primer lecho de almacenamiento se mantiene en reposo.

Durante una etapa de producción de energía, el lecho de almacenamiento ahora fluidizado intercambiará calor con el lecho fluido de generación adyacente al mismo y, posiblemente, separados por tabiques, de preferencia de tipo metálico. Dentro del lecho de generación está inmerso el haz de tubos atravesado por el fluido de trabajo. También en este caso, el aire de fluidización se precalienta mediante el intercambiador aire-aire. Operando de esta manera, el sistema de compresión de aire de fluidización será operado a temperatura ambiente, así como el sistema de filtración de la salida de aire desde el lecho fluidizado, donde es posible la presencia de particulado sólido decantado.

Habiendo concentrado el intercambio de calor para el beneficio del fluido de trabajo en el lecho fluidizado se generación, a causa de los altos coeficientes de transferencia de calor de los lechos fluidizados, minimiza las superficies del haz de tubos y luego el uso de materiales preciosos para la fabricación de los mismos.

Brevemente, el sistema puede ser dividido sustancialmente en tres masas, a saber, una para el almacenamiento a granel (el primer lecho fluidizado, en la realización mostrada anteriormente), una masa para el intercambio hacia el fluido de trabajo (el segundo lecho fluidizado, en la realización mostrada anteriormente) y una masa para la recuperación de calor (intercambiador de calor aire/aire todavía en la realización preferida mencionada anteriormente), estando tales masas unidas entre sí permitiendo lograr un sistema que puede operar con gran flexibilidad y eficiencia.

Otras ventajas, características y modalidad de uso de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de algunas formas de realización, presentadas a modo de ejemplo y no con fines limitativos.

Breve descripción de los dibujos

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

La figura 1 muestra una disposición de la planta de acuerdo con una realización preferida de la invención;

La figura 1a muestra una sección esquemática/vista frontal de la disposición de una parte de la planta de la figura 1, que incorpora una estructura de torre con intercambiador de calor aire/aire y muestra una partición de una distribución, un circuito de entrada de gas de fluidización y su ruta;

La figura 2 muestra una sección en planta de la porción de la planta de la figura 1a, que muestra la disposición de tubos de un intercambiador de calor que recibe el fluido de trabajo y la partición de un primer lecho de partículas fluidizables que actúa como un medio de almacenamiento y un segundo lecho de partículas de fluidizables comprometidas en el intercambio de calor con el fluido de trabajo, y

Las figuras 3 y 3a se refieren a un dispositivo de liberación y almacenamiento utilizable en la planta de la figura 1, dispositivo que utiliza gas combustible como fuente de energía auxiliar y que se muestra, respectivamente, en sección lateral y vista en planta.

Descripción detallada de realizaciones preferidas de la invención

Con referencia inicialmente a las figuras 1 y 1a, una planta de producción de energía eléctrica a partir de radiación solar concentrada de acuerdo con una realización preferida de la invención está globalmente indicada por 1.

La planta 1, a su vez incorpora uno o más dispositivos 1 para el almacenamiento de energía... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo (1) para almacenar y liberar energía térmica apto para recibir una radiación solar concentrada, cuyo dispositivo (1) comprende:

- al menos un lecho (3, 3) de partículas fluidizables, dispuesto al menos en parte en las superficies de recepción (2) para dicha radiación;

- medios de alimentación (14, 142, 21) para la alimentación de un gas de fluidización para la fluidización de dichas partículas; y

- elementos de intercambio de calor (4) a través de los que fluye, durante el uso, un fluido operativo y dispuestos en o en la proximidad de dicho lecho (3, 3) de partículas fluidizables,

en el que la disposición global es tal que, durante el uso, porciones (3, 3) de dicho lecho de partículas son aptas para ser movidas selectivamente por el gas de fluidización para el almacenamiento de energía térmica recibida de la radiación solar en una etapa de almacenamiento y para liberar la energía térmica almacenada en dichos elementos de intercambio de calor (4) en una etapa de liberación,

y caracterizado por que la disposición general es tal para permitir una activación independiente de la etapa de almacenamiento de calor y de la etapa de liberación de calor.

2. El dispositivo (1) según la reivindicación 1, en el que dicho lecho de partículas, a su vez consta de:

- una primera porción de almacenamiento (3), apta para almacenar energía térmica recibida de la radiación solar concentrada y dispuesta en las superficies receptoras (2) para la radiación solar; y

- una segunda porción de liberación (3), dispuesta de forma adyacente a dicha primera porción (3) y apta para liberar energía calor almacenado por este último a dichos elementos de intercambio de calor (4),

en el que dicha primera porción de almacenamiento (3) y dicha segunda porción de liberación (3) son aptas para realizar respectivamente dichas etapa de almacenamiento y dicha etapa de liberación mediante una fluidización respectiva.

3. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que dicha primera (3) y segunda (3) porción de dicho lecho de partículas se reciben dentro de una carcasa común de contención (2).

4. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos elementos de intercambio de calor (4) están dispuestos de manera que estén en contacto con al menos parte (3) de dicho lecho (3, 3) de partículas y/o de manera que se superponga contra, durante el uso, por al menos una parte (3) de dicho lecho (3, 3) cuando es fluidificado por dicho gas de fluidización.

5. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos elementos de intercambio de calor son haces de tubos (4).

6. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios de alimentación (15 151) y medios (22, 222) para la combustión segura de un gas combustible dentro de dicho lecho (3, 3) de partículas o parte de los mismos.

7. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos medios (14, 142, 21) de alimentación comprende una compartimentación (141) apta para permitir una fluidización selectiva y/o diferenciada de una o más partes de dicho lecho (3, 3) de partículas por el gas de fluidización y/o una fluidización selectiva y/o diferenciada de dicha primera (3) y segunda (3) parte de dicho lecho de partículas o de partes de este último.

8. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha activación independiente de las etapas de almacenamiento y de liberación se obtiene mediante una separación de los circuitos de fluido de operación y del gas de fluidización.

9. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un intercambiador de calor gas/gas, preferiblemente de aire/ aire (7) en el que la disposición general es tal que, durante el uso, de tal intercambiador (7) son alimentados con un primer gas frío que es el gas de fluidización a emplear para la fluidización de dicho lecho (3, 3) de partículas o de dicha primera (3) y/o segunda porción (3) del mismo y un segundo gas caliente que es la salida de gas de fluidización a partir de dicho lecho (3, 3) de partículas o de dicha primera (3) y/o segunda (3) parte del mismo.

1. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicación anterior, que está dispuesto sobre una estructura de torre (7) que aloja dicho en el mismo intercambiador de gas/gas (7).

11. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que es adecuado para el uso de aire como gas de fluidización.

12. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios (8) para la circulación forzada del gas de fluidización.

13. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios aptos para variar selectivamente la velocidad del gas de fluidización.

14. El dispositivo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios (6) para la extracción de polvo del gas de fluidización, dispuestos aguas abajo de una zona de fluidificación de dicho lecho (3, 3) de partículas.

15. Una planta (1) para la producción de vapor o calor para usos industriales, que comprende uno o más dispositivos (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

16. La planta (1) según la reivindicación anterior, que es una planta de producción de energía eléctrica.

17. Un método para producir vapor o calor para usos industriales a partir de una radiación solar concentrada, proporcionando el empleo de un lecho (3, 3) de partículas fluidizables apto para almacenar energía térmica de origen solar y movible selectivamente por un gas de fluidización, estando el método caracterizado por que comprende:

- una primera etapa de almacenamiento de energía térmica recibida de la radiación solar concentrada mediante el movimiento de una primera porción (3) de dicho lecho de partículas; y

- una segunda etapa de liberación de energía térmica almacenada en dicha primera etapa para calentar elementos de intercambio (4) a través de los que fluye un fluido operativo,

- caracterizado por que dichas etapas de almacenar y liberar calor pueden ser activadas de forma independiente entre sí.

18. El método de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que dicha activación independiente de las etapas de almacenamiento y de liberación se consigue mediante una separación térmica de los circuitos de fluido operativo y de que el gas de fluidización.

19. El método según la reivindicación 17 o 18, que proporciona una etapa de intercambio de calor de gas/gas, preferiblemente aire/aire entre un primer gas frío que es el gas de fluidización a emplear para la fluidización de las porciones de dicho lecho (3, 3) de partículas y un segundo gas caliente que es la salida de gas de fluidización desde dichas porciones de dicho lecho (3, 3) de partículas.

2. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, en el que dicho gas de fluidización es aire.

21. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 2, en el que se presentó una variación selectiva de la velocidad del gas de fluidización.

22. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 21, que es un método de producción de energía eléctrica.

23. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 17 a 22, que proporciona una combustión de combustible fósil gaseoso dentro de dicho lecho (3, 3) de partículas o de partes de los mismos.