Métodos y sistemas de concentración de potencia solar con material de cambio de fase líquido-sólido para transferencia de calor.

Métodos y sistemas de concentración de potencia solar con material de cambio de fase líquido-sólido para transferencia de calor mediante el uso de un material de transferencia de calor (HTM) de cambio de fase sólido-líquido.

Los sistemas y métodos incluyen un receptor solar para calentar y fundir una cantidad de HTM sólido. Los sistemas también incluyen un intercambiador de calor en comunicación fluida con el receptor solar proporcionando intercambio de calor entre el HTM líquido y el fluido de trabajo de un bloque de generación de potencia. Los sistemas y métodos también incluyen un depósito de almacenamiento caliente en comunicación con el receptor solar y el intercambiador de calor El depósito de almacenamiento caliente está configurado para recibir una parte del HTM líquido desde el receptor solar para almacenamiento directo como un medio de almacenamiento de energía térmica. De esta manera, el sistema caracteriza el uso de un HTM de cambio de fase que funciona tanto como un medio de transferencia de calor como un medio de almacenamiento de energía térmica.

Métodos y sistemas de concentración de potencia solar con material de cambio de fase líquido-sólido para transferencia de calor.

Campo técnico

Las realizaciones descritas en la presente memoria se refieren de manera general a una tecnología de concentración de potencia solar ("CSP") y más particularmente a tecnologías CSP que utilizan un material de transferencia de calor ("HTM") que experimenta un cambio de fase de sólido a líquido y de líquido a sólido durante un ciclo de transferencia de calor.

Antecedentes

Los sistemas de Concentración de Potencia Solar (CSP) utilizan energía solar para accionar un ciclo de potencia térmica para la generación de electricidad. Las tecnologías CSP incluyen sistemas de colector cilindro-parabólico, lineal de Fresnel, de receptor central o "torre de potencia", y de plato/motor. Se ha dirigido un considerable interés en CSP por los estándares de portfolio de energías renovables aplicables a proveedores de energía en el suroeste de los Estados Unidos y las tarifas de inyección de energías renovables en España. Los sistemas CSP se despliegan típicamente como plantas de potencia grandes, centralizadas para aprovechar las economías de escala. Una ventaja clave de ciertos sistemas CSP, en particular los colectores cilindro-parabólicos y las torres de potencia, es la capacidad de incorporar almacenamiento de energía térmica. El almacenamiento de energía térmica (TES) es a menudo menos caro y más eficiente que el almacenamiento de energía eléctrica tal como baterías por ejemplo. Además, el TES permite a las plantas CSP tener un factor de capacidad y potencia de expedición aumentados según se necesita, para cubrir picos de demanda vespertinos u otros por ejemplo.

Las plantas CSP a menudo utilizan aceite, sal fundida o vapor para transferir energía solar desde un campo de recogida de energía solar, una torre receptora solar u otro aparato a un bloque de generación de potencia. Estos materiales típicamente fluyen en un sistema de tuberías o conductos como un gas o líquido y de esta manera se conocen de manera general como "fluidos de transferencia de calor" (HTF). Los HTF típicos se hacen fluir a través de aparatos de intercambio de calor para calentar agua a vapor o calentar un "fluido de trabajo" alternativo a una temperatura de operación que se usa entonces en un ciclo de generación de potencia para accionar una turbina y generar potencia eléctrica. Los HTF utilizados comúnmente tienen propiedades que en ciertos casos limitan el rendimiento total de la planta CSP. Por ejemplo, un HTF de aceite sintético usado comúnmente tiene un límite

de temperatura superior de 39°C, la sal fundida tiene un límite de temperatura superior de alrededor de 565°C mientras que la generación directa de vapor requiere controles complejos y permite una capacidad de almacenamiento térmico limitada.

Las plantas CSP que emplean un HTF que experimenta una transición de fase líquido-gas son conocidas en la técnica. Por ejemplo, la Patente de US 8.181.641 y la US 4.117.682 cada una propone una disposición de torre y un HTF que presenta un cambio de fase líquido-gas. Tal tecnología se beneficia de la alta capacidad térmica de un material que experimenta una transición de fase líquido-gas y los grandes coeficientes de transferencia de calor asociados con un flujo de dos fases en el receptor. En un sistema de transición de fase líquido-gas, el HTF caliente está necesariamente en una fase de gas; por lo tanto, puede ser difícil el almacenamiento de energía térmica eficiente. Adicionalmente, la eficiencia del ciclo de potencia está algo limitada por la temperatura para ciclos algo menos eficientes tales como un ciclo de potencia de Rankine sobrecalentado.

Alternativamente, un diseño de sistema y receptor puede caracterizar un material de transferencia de calor (HTM) sólido. Un sistema conocido caracteriza partículas sólidas que caen que son iluminadas y calentadas mediante flujo solar concentrado, como se describe por Evans et al. en 1985 "Numerical Modeling of a Solid Particle Solar Central Receiver" Informe Sandia SAND85-8249. Un diseño de CSP de partículas sólidas puede producir temperaturas máximas teóricas más altas, y por lo tanto puede aprovecharse de eficiencias del ciclo de potencia teóricas más altas. Desafortunadamente, las pérdidas por convección para un sistema receptor de partículas sólidas son altas, en gran parte debido a la interacción de las partículas que caen y el aire dentro del receptor. Si se usa una ventana para limitar las interacciones aire-partícula, surgen otros retos de diseño que pueden afectar la eficiencia del sistema total, por ejemplo la absorción de la ventana. Además, el uso de ventanas en un receptor solar aumenta la dificultad de mantener una transparencia de ventana aceptable y evitar roturas.

Las plantas CSP que usan un HTF de sal líquida también son conocidas en la técnica. Por ejemplo, las Patentes de US 6.71.711 y 4.384.55 describen un sistema de receptor de sal fundida basado en torre, y la Patente de US 7.51.529 describe un sistema basado en plato. Estos sistemas dependen del HTF que permanece en un estado líquido según pasa a través de elementos receptores, de almacenamiento, y de intercambiador de calor del sistema. El uso de un HTF líquido permite un almacenamiento de energía térmica simple por medio de un depósito aislado térmicamente, pero crea el problema de mantener el HTF que tiene un punto de congelación inherentemente alto en forma líquida. Adicionalmente, la eficiencia de

transferencia de calor solar dentro de un receptor de HTF líquido se reduce por la necesidad de mantener el HTF solamente en la fase líquida.

Un colector solar cilindro-parabólico que tiene un material de cambio de fase ("PCM") sólido- líquido confinado dentro del receptor se describe en la Patente de US 4.469.88. Este diseño de PCM sólido-líquido permite el calentamiento simultáneo de un material de almacenamiento de energía térmica separado, estacionario y el HTF. No obstante, debido a que el intercambio de calor entre el material de almacenamiento de energía térmica y el HTF debe tener lugar en este diseño en el receptor, la eficiencia del sistema total está limitada debido a las pérdidas de calor totales prohibitivas durante la carga, descarga, y espera.

Los sistemas de colector cilindrico y de torre CSP que emplean materiales que tienen un cambio de fase sólido-líquido también se describen en la Patente de US 4.127.161 y W. Steinmann, y R. Tamme, "Latent heat storage for solar steam Systems" Journal of Solar Energy 13(1) Engineering (28). En estos sistemas no obstante, el sistema de almacenamiento térmico está físicamente remoto del receptor, conduciendo a un rendimiento del sistema inherentemente transitorio y estrategias de operación complicadas, así como una degradación térmica a través del uso de intercambiadores de calor indirectos.

Las realizaciones descritas en la presente memoria se dirigen hacia superar una o más limitaciones técnicas que incluyen pero no se limitan a los problemas tratados anteriormente.

Compendio de las realizaciones

Ciertas realizaciones descritas en la presente memoria comprenden sistemas de concentración de potencia solar (CSP). Los sistemas CSP caracterizan el uso de un material de transferencia de calor (HTM) de cambio de fase sólido-líquido. Los sistemas incluyen un receptor solar configurado para recibir un flujo solar concentrado para calentar una cantidad del HTM sólido y causar a una parte del HTM sólido fundirse a un HTM líquido. Los sistemas también incluyen un intercambiador de calor en comunicación fluida con el receptor solar. El intercambiador de calor está configurado para recibir un HTM líquido y proporcionar intercambio de calor entre el HTM líquido y el fluido de trabajo de un bloque de generación de potencia. El intercambiador de calor además proporciona la solidificación del HTM líquido. Los sistemas también incluyen un sistema de transporte de material que proporciona transporte del HTM solidificado desde el intercambiador de calor al receptor solar.

Además, las realizaciones del sistema incluyen un depósito de almacenamiento caliente en comunicación fluida con el receptor solar y el intercambiador de calor. El depósito de almacenamiento caliente está configurado para recibir una parte del HTM líquido desde el

receptor solar para almacenamiento directo como medio de almacenamiento de energía térmica. De esta manera, los sistemas caracterizan el uso de un HTM de cambio de fase que funciona tanto como un medio de transferencia de calor como un medio de almacenamiento de energía térmica. Por lo tanto, se puede evitar un sistema de almacenamiento de energía térmica...

1. Un sistema de concentración de potencia solar que comprende:

un material de transferencia de calor de cambio de fase sólido-líquido;

un receptor solar comprendiendo uno o más tubos receptores configurado para recibir un flujo solar concentrado para calentar una cantidad del material de transferencia de calor sólido y hacer a al menos una parte del material de transferencia de calor sólido fundirse a un material de transferencia de calor líquido;

un intercambiador de calor en comunicación fluida con el receptor solar, el intercambiador de calor que recibe el material de transferencia de calor líquido, y que proporciona intercambio de calor entre el material de transferencia de calor líquido y un fluido de trabajo de un ciclo de potencia, el intercambiador de calor que además proporciona la solidificación del material de transferencia de calor líquido;

un sistema de transporte de material que proporciona transporte del material de transferencia de calor sólido desde el intercambiador de calor al receptor solar; y

un depósito de almacenamiento caliente en comunicación fluida con el receptor solar y el intercambiador de calor, el depósito de almacenamiento caliente que proporciona almacenamiento de energía térmica usando el material de transferencia de calor líquido como un medio de almacenamiento de energía térmica.

2. El sistema de la reivindicación 1 que además comprende un depósito de almacenamiento frío en comunicación mecánica o fluida con la etapa de solidificación y el receptor solar, el depósito de almacenamiento frío que proporciona almacenamiento del material de transferencia de calor sólido.

3. El sistema de la reivindicación 1 en donde el intercambiador de calor comprende un intercambiador de calor de contacto directo que proporciona contacto físico entre el material de transferencia de calor y el fluido de trabajo.

4. El sistema de la reivindicación 3 en donde el intercambiador de calor comprende un granulador.

5. El sistema de la reivindicación 4 en donde la entrada de material de transferencia de calor sólido al receptor solar comprende una suspensión del material de transferencia de calor líquido y de gránulos.

6. El sistema de la reivindicación 1 en donde el intercambiador de calor comprende un intercambiador de calor de múltiples etapas que comprende al menos una etapa primaria donde ocurre el intercambio de calor entre el material de transferencia de calor líquido y el fluido de trabajo y una etapa de solidificación donde el intercambio de calor entre el material de transferencia de calor y el fluido de trabajo causa la solidificación del material de transferencia de calor.

7. El sistema de la reivindicación 6 en donde la etapa de solidificación comprende un aparato de fabricación de palanquillas.

8. El sistema de la reivindicación 7 en donde la entrada de material de transferencia de calor sólido al receptor solar comprende palanquillas sólidas.

9. El sistema de la reivindicación 1 en donde el material de transferencia de calor comprende una aleación de aluminio.

1. El sistema de la reivindicación 9 en donde el fluido de trabajo comprende s-CO2.

11. El sistema de la reivindicación 1 en donde el sistema de transporte de material comprende un transportador mecánico.

12. El sistema de la reivindicación 1 en donde el receptor solar además comprende:

uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sustancialmente sólida;

uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sólida y líquida mezcladas; y

uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sustancialmente líquida.

13. El sistema de la reivindicación 12 que además comprende: una torre que soporta el receptor solar;

una tolva receptora de sólidos situada dentro de la torre y configurada para proporcionar la carga de material de transferencia de calor sólido en el receptor; y

una tolva receptora de líquidos situada dentro de la torre y configurada para proporcionar la carga de material de transferencia de calor líquido dentro del receptor.

14. El sistema de la reivindicación 1 en donde el receptor solar además comprende:

múltiples tubos receptores orientados sustancialmente de manera vertical, los múltiples tubos receptores que tienen una abertura asociada con el sistema de transporte de material que proporciona que el material de transferencia de calor sólido sea cargado en uno o más de los múltiples tubos receptores; y

una salida desde los tubos receptores que proporciona el flujo de material de transferencia de calor líquido desde el receptor.

15. El sistema de la reivindicación 14 en donde los múltiples tubos receptores están dispuestos en una formación sustancialmente circular.

16. El sistema de la reivindicación 1 que además comprende un bloque de potencia asociado con el intercambiador de calor, el bloque de potencia que comprende el fluido de trabajo y múltiples componentes de generación de potencia.

17. El sistema de la reivindicación 16 en donde el ciclo de potencia comprende un ciclo de producción de potencia termodinámica Brayton de s-CO2.

18. Un sistema de concentración de potencia solar de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que el receptor solar comprende:

múltiples tubos receptores orientados sustancialmente de manera vertical;

un sistema de transporte de material que proporciona transporte de material de transferencia de calor sólido a una abertura en uno o más de los múltiples tubos receptores; y

una salida de los tubos receptores que proporciona el flujo de material de transferencia de calor líquido desde el receptor.

19. El sistema de la reivindicación 18 en donde el receptor solar comprende además:

uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sustancialmente sólida;

uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sólida y líquida mezcladas; y

uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sustancialmente líquida.

2. El sistema de la reivindicación 19 en donde el flujo de material de transferencia de calor de fase sólida y el flujo de material de transferencia de calor de fase líquida se mezclan

juntos fuera de uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sólida y líquida mezcladas.

21. El sistema de la reivindicación 19 en donde el receptor solar además comprende: una torre que soporta el receptor solar;

una tolva receptora de sólidos situada dentro de la torre y configurada para proporcionar la carga de material de transferencia de calor sólido en el receptor; y

una tolva receptora de líquidos situada dentro de la torre y configurada para proporcionar la carga de material de transferencia de calor líquido en el receptor.

22. El sistema de la reivindicación 21 en donde el material de transferencia de calor de fase sólida se precalienta anterior a la introducción en uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sustancialmente sólida.

23. El sistema de la reivindicación 22 en donde el material de transferencia de calor de fase sólida se precalienta mediante flujo solar directo.

24. El sistema de la reivindicación 22 en donde el material de transferencia de calor de fase sólida se precalienta por contacto con un fluido de transferencia de calor secundario.

25. El sistema de la reivindicación 19 en donde uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sustancialmente sólida se colocan lejos del flujo solar directo y además se colocan para ser calentados por radiación indirecta de otros tubos receptores.

26. El sistema la reivindicación 25 en donde uno o más tubos receptores que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sólida y líquida mezcladas se colocan para recibir un nivel más alto de flujo solar que uno o más tubos que contienen un flujo de material de transferencia de calor de fase sustancialmente líquida.

27. El sistema de la reivindicación 18 en donde los múltiples tubos receptores se disponen en una formación sustancialmente circular.

28. El sistema de la reivindicación 27 en donde el sistema de transporte de material comprende un brazo de distribución de giro configurado para girar alrededor del receptor para cargar las palanquillas en la formación circular de tubos receptores.

29. Un método de generación de potencia que comprende:

proporcionar un material de transferencia de calor de cambio de fase sólido-líquido;

colocar el material de transferencia de calor sólido en un receptor solar configurado para recibir un flujo solar concentrado;

calentar al menos una parte del material de transferencia de calor sólido en el receptor solar para hacer al material de transferencia de calor sólido fundirse a una fase líquida;

almacenar al menos una parte del material de transferencia de calor líquido en un depósito de almacenamiento de energía térmica caliente;

intercambiar calor entre el material de transferencia de calor líquido y un fluido de trabajo de un bloque de generación de potencia para calentar el fluido de trabajo a una temperatura de operación y causar la solidificación del material de transferencia de calor líquido;

accionar un ciclo de generación de potencia con la energía del fluido de trabajo calentado; y

transportar el material de transferencia de calor sólido al receptor solar.

3. El método de la reivindicación 29 que además comprende almacenar material de transferencia de calor sólido en un depósito de almacenamiento frío en comunicación mecánica o fluida con el receptor solar.

31. El método de la reivindicación 29 en donde el paso de solidificación comprende granular el material de transferencia de calor líquido en un intercambiador de calor de contacto directo.

32. El método de la reivindicación 29 en donde la entrada de material de transferencia de calor sólido al receptor solar comprende una suspensión de material de transferencia de calor sólido y material de transferencia de calor líquido.

33. El método de la reivindicación 29 que además comprende fabricar palanquillas de material de transferencia de calor sólido a partir de material de transferencia de calor líquido.

34. El método de la reivindicación 29 que además comprende transportar material de transferencia de calor sólido al receptor solar con un transportador mecánico.