Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor.

Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor con aplicación en los campos de Ia producción de electricidad,

calor de proceso, y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos, producido a partir de Ia combinación de un receptor solar de aire no presurizado, un receptor solar de vapor saturado y un intercambia¬ dor de calor separado del aporte solar y cuya finalidad es Ia producción de vapor sobrecalentado.

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a planta solar combinada de tecnología de aire y vapor con aplicación en los campos de la producción de electricidad, calor de proceso y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos, en la que se pretende combinar las tecnologías de receptor solar de aire y receptor solar de vapor saturado para la producción de vapor sobrecalentado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La tecnología dentro de la que se encuadra la invención y de la que es objeto esta patente es la de tecnología de plantas de energía solar termoeléctrica de torre, en las que un campo de helióstatos (espejos de grandes dimensiones, 40-125 m2 por unidad) dotados de un seguimiento de la posición solar en todo momento (elevación y acimut) , orientan los rayos reflejados hacia un foco colocado en la parte superior de una torre.

La energía solar directa es concentrada en un receptor situado en la parte superior de una torre. Estos receptores cuentan con un fluido caloportador que se calienta a partir de la energía solar concentrada.

Posteriormente éste u otro fluido calentado a partir del anterior pasa por una turbina, para la producción de electricidad.

Existe gran variedad de tipos de receptores que cumplen la misión de recoger la energía solar concentrada y transmitirla a un fluido caloportador, pero todos ellos cuentan aún con una serie de inconvenientes.

A continuación vamos a hacer referencia a tres tipos de receptores según el tipo de fluido caloportador empleado: receptores solares de vapor saturado, receptores solares de vapor sobrecalentado y receptores solares de aire.

Los receptores solares de vapor saturado generalmente tubulares calientan el agua que se hace pasar por el receptor produciéndose en ellos el cambio de fase y obteniendo vapor a determinada temperatura. Estos receptores sin embargo alcanzan como máximo temperaturas de vapor de 330 ºC; para las cuales el rendimiento de la turbina puede considerarse bajo.

Como solución a esto, se planteó la utilización de receptores solares de vapor sobrecalentado cuyo uso permite la implementación de ciclos termodinámicos de mayor eficiencia en las plantas. Sin embargo, estos receptores cuentan con una

gran dificultad tecnológica debido a las exigentes condiciones de temperatura a las que se hace trabajar el receptor.

Las paredes de los tubos del receptor solar de vapor sobrecalentado se someten a ciclos térmicos de forma continuada entre la temperatura ambiente, la temperatura del vapor con que se alimenta este receptor (250 a 310ºC) y la temperatura necesaria en la pared para la generación de vapor sobrecalentado a 540ºC, próxima a 600ºC, esto unido a la falta de controlabilidad del sistema especialmente ante transitorios, (paso de nubes etc.) y a las malas propiedades térmicas del vapor sobrecalentado, hace que los materiales del receptor estén expuestos a importantes tensiones, sufriendo una mayor tensión y fatiga y provocando la aparición de grietas debido a las grandes diferencias de temperatura en las distintas partes del receptor.

Por otra parte existe el problema de trabajar a altas presiones, lo que exige espesores de pared de tubo mayores, que a la hora de transferir altas densidades de potencia al fluido caloportador implican necesariamente altos gradientes térmicos.

Por tanto las dificultades que se encuentran actualmente en los sistemas de vapor sobrecalentado están principalmente ligadas a la resistencia de los materiales debido a las condiciones de aporte solar.

Otro tipo de receptores que encontramos son los receptores de aire con o sin presurización.

Estos receptores son generalmente receptores volumétricos que están específicamente concebidos para optimizar el intercambio de calor con aire como fluido térmico, siendo el absorbedor iluminado que constituye el receptor, una matriz o medio poroso (malla metálica o monolito cerámico) , a través del cual fluye el gas de refrigeración.

Estos receptores consiguen trabajar entre 700ºC y 850ºC de temperatura de salida para absorbedores metálicos y más de 1.000ºC con absorbedores cerámicos pero con eficiencias térmicas inferiores a las de los receptores tubulares (70-80%) .

Los receptores de aire presurizados utilizan aire calentado por la radiación solar e inyectado a continuación en una turbina de gas a una determinada presión.

En estos receptores nos encontramos de nuevo con la condición de trabajar a presiones muy altas, con las dificultades de control que esto supone en una planta de energía solar, en la que no se cuenta además con un aporte de calor constan

te.

EP1519108 divulga un proceso para realizar vapor sobrecalentado comprendiendo un sobrecalentador para sobrecalentar vapor generado en un vaporizador separado. Preferentemente las unidades son independientes y en sistemas separados y la energía solar es usada. EP1519108 divulga un nivel de producción de vapor para una central de energía y una central de energía, especialmente una central de energía solar que tiene turbinas de vapor.

ES2222823 divulga un receptor solar que tiene un campo de heliostatos dirigiendo la radiación solar sobre un receptor montado en una torre y provisto con un campo absorbente, con un gran número de elementos absorbentes alrededor del exterior del campo absorbente, con un número de módulos absorbentes. El aire fluye alrededor de cada uno de los elementos absorbentes del campo absorbente perpendicular a su cara frontal, la pared frontal del borde absorbente limitados por un canal de flujo de fluidos.

Es importante considerar además que en un receptor solar, la distribución del flujo incidente, incluso en estado cuasi-estacionario, no es uniforme sobre la superficie del receptor. Además, el flujo incidente presenta discontinuidades debido a la variación del paso de nubles, denominadas transitorios. Estos dos factores nos proporcionan una idea más real de las tensiones térmico-estructurales a las que ha de someterse un receptor solar.

Hasta ahora los receptores anteriormente descritos han sido considerados de manera independiente en plantas solares de producción eléctrica o constituyendo un único receptor. La combinación de ambos receptores ubicados de manera independiente en torres albergados en una o varias cavidades supondría una enorme ventaja de cara a solucionar los distintos problemas técnicos anteriormente planteados.

La invención que a continuación se presenta trata de aglutinar las ventajas de la utilización de vapor sobrecalentado en plantas de energía solar, solventando los riesgos actualmente existentes, consiguiendo un mayor control de la planta y favoreciendo de esta manera la estabilidad y durabilidad de dicha patente. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Esta invención se propone como alternativa a las tecnologías existentes que usan un único receptor para la generación de vapor sobrecalentado mediante el aporte de energía solar.

Se incluyen mejoras a las tecnologías actuales gracias a que el objetivo principal (obtener vapor sobrecalentado a determinadas condiciones para alimentar una turbina) , es alcanzado realizando un proceso por etapas que tienen lugar en componentes solares independientes físicamente, razón por la cual pueden aprovecharse las ventajas tecnológicas proporcionadas por cada uno de ellos. La implementación de un sistema como el aquí descrito, permitirá obtener una mayor eficiencia en el proceso global de producción de energía eléctrica.

La invención, tal y como se define en la reivindicación independiente 1, consiste en la producción de vapor sobrecalentado de alta eficiencia mediante la combinación de tres componentes básicos: receptor solar de aire no presurizado, receptor solar de vapor saturado y un intercambiador de calor. El sistema cuenta también con un calderín donde se produce la separación de fases de la mezcla agua-vapor proveniente del receptor de vapor saturado.

En este sistema combinado de receptor de aire y vapor saturado, ambos receptores se encuentran separados físicamente, así cada receptor puede ubicarse en una sola cavidad o en cavidades distintas de la torre, lo que puede dar lugar al establecimiento de estrategias independientes de apuntar el campo de helióstatos. La estrategia de apunte de los helióstatos consiste en un control dinámico adaptativo del campo según los requerimientos de densidad de flujo de calor de cada receptor, manteniendo así estables las condiciones de temperatura de entrada de los fluidos al intercambiador. De esta manera, parte del campo de helióstatos se enfoca al receptor de vapor saturado y otra parte al receptor de aire, permitiendo ejercer un mayor... [Seguir leyendo]

1. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor, en la que el fluido caloportador es agua/vapor y aire, comprendiendo:

a) un campo de heliostatos;

b) un receptor de vapor saturado (5) como método de evaporización;

c) un receptor solar (4) de aire no presurizado;

d) Sistema de sobrecalentamiento comprendiendo un intercambiador de calor aire-vapor

(7) ;

e) un calderín conectando el método de evaporación y el método sobrecalentador:

f) Sistema de control dinámico y adaptativo del campo de heliostatos (1) conforme la densidad de flujo de calor de cada receptor (4, 5) , de este modo manteniendo estable las condiciones de temperatura de la entrada de fluidos al intercambiador de calor aire-vapor (7) ;

f 1) centrando parte de control de un campo de heliostatos (1) en el receptor de vapor saturado (5) ;

f 2) centrando otra parte del campo de heliostatos (1) ;

g) El sistema de sobrecalentamiento está fuera del alcance de la entrada de energía solar concentrada en el campo de heliostatos (1) .

2. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 1, en la que el receptor de vapor saturado (5) es tubular.

3. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 1, en la que el receptor de aire no presurizado (4) y el receptor de vapor saturado (5) están en la misma cavidad.

.

4. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 1, donde un receptor de aire no presurizado (4) y el receptor de vapor saturado (5) están localizados en distintas cavidades.

1.

5. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 1 comprendiendo un primer economizador (18) para el intercambio de calor entre el aire que abandona el sistema de calentamiento y el agua alimentando el calderín (6) para precalentar dicha agua.

1.

6. Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 1 comprendiendo un recalentador para el intercambio entre calor y aire en una salida del sistema de recalentamiento y la salida de vapor de un turbina de alta presión para calentar dicho vapor y consecuentemente suministrar dicho vapor a una turbina de presión media.

FIGURA1

FIGURA2

FIGURA3

FIGURA4