Procedimientos y aparato para la optimización del control del almacenamiento de energía térmica.

Se describen sistemas y procedimientos de concentración de energía solar (CSP) que hacen uso de un material de transferencia de calor de cambio de fase sólida-líquida (MTC).

Los sistemas y procedimientos incluyen un receptor solar configurado para recibir un flujo solar concentrado para calentar una cantidad del MTC sólido y hacer que una parte del MTC sólido se funda en un MTC líquido. Los sistemas y procedimientos incluyen también un intercambiador de calor en comunicación de fluido con el receptor solar. El intercambiador de calor está configurado para recibir el MTC líquido y permitir el intercambio de calor entre el MTC líquido y el fluido de trabajo de un bloque de generación de energía. El intercambiador de calor permite además la solidificación del MTC líquido. Los sistemas y procedimientos incluyen también un sistema de transporte de material que permite el transporte del MTC solidificado desde el intercambiador de calor al receptor solar.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2012/060375.

Solicitante: Abengoa Solar, Llc.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 1250 Simms St 80401 1250 Simms St Lakewood CO Colorado ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: ERICKSON,Luke, MUREN,Russell, GAVILAN,Antonio.

Fecha de Publicación: 9 de Julio de 2015.

Clasificación Internacional de Patentes:

F03G6/00 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03G MOTORES DE RESORTES, DE PESOS, DE INERCIA O ANALOGOS; DISPOSITIVOS O MECANISMOS QUE PRODUCEN UNA POTENCIA MECANICA, NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR O QUE UTILIZAN UNA FUENTE DE ENERGIA NO PREVISTA EN OTRO LUGAR (disposiciones relativas a la alimentación de energía obtenida a partir de fuerzas de la naturaleza en los vehículos B60K 16/00; propulsión eléctrica de los vehículos por fuente de energía obtenida a partir de fuerzas de la naturaleza B60L 8/00). › Dispositivos productores de potencia mecánica a partir de energía solar (hornos solares F24).
F28D20/02 F […] › F28 INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL. › F28D INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA OTRA SUBCLASE, EN LOS QUE LOS MEDIOS QUE INTERCAMBIAN CALOR NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; calentadores de fluidos que tienen medios para producir y transferir calor F24H; hornos F27; partes constitutivas de los aparatos intercambiadores de calor de aplicación general F28F ); APARATOS O PLANTAS DE ACUMULACION DE CALOR EN GENERAL. › F28D 20/00 Aparatos o plantas de acumulación de calor en general; Aparatos cambiadores de calor regenerativos no cubiertos por los grupos F28D 17/00 o F28D 19/00. › utilizando calor latente.

Fragmento de la descripción:

Procedimientos y aparato para la optimización del control del almacenamiento de energía térmica

Solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional US N° 61/558.275, presentada el 1 de Noviembre del 211, cuya solicitud se incorpora a la presente memoria, por referencia, en su totalidad.

Campo técnico

Las realizaciones descritas en la presente memoria están dirigidas a procedimientos y aparatos de optimización de control para el almacenamiento de energía térmica. Más particularmente, las realizaciones descritas están dirigidas a la optimización del control para el almacenamiento de energía térmica en un sistema de almacenamiento de energía térmica, con un material de cambio de fase en cascada, asociado con un sistema de generación de energía solar por concentración.

Antecedentes

Muchos proveedores de energía eléctrica están incorporando instalaciones de generación de energía solar por concentración en su combinación de fuentes de electricidad. En estas instalaciones, la energía solar por concentración proporciona el calor necesario para impulsar turbinas de vapor convencionales para la generación de energía. La mayoría de las instalaciones de generación de energía solar por concentración existentes funcionan sólo cuando el sol no está oculto por una cobertura nubosa y está posicionado suficientemente por encima del horizonte para proporcionar luz adecuada para el funcionamiento de la planta. De esta manera, muchas instalaciones de generación de energía solar por concentración existentes no pueden funcionar durante el anochecer o en períodos de coberturas nubosas intermitentes.

La modificación del funcionamiento de una planta de manera que no tenga una estricta dependencia solar tiene muchos beneficios económicos, incluyendo un período de funcionamiento potencialmente extendido para cada día. Para que funcione apropiadamente durante períodos de cobertura nubosa o al anochecer, una planta debe tener la capacidad de almacenar energía en alguna forma, a un bajo costo. El almacenamiento de energía térmica es la forma más económicamente factible para que

una planta lleve a cabo el almacenamiento de energía requerido. Hasta la fecha, se han investigado muchas formas de almacenamiento de energía térmica, incluyendo: el almacenamiento en dos tanques, en termoclina, químico, en medio sólido y en un material de cambio de fase. En la actualidad, no ha surgido ninguna tecnología como una estrategia de almacenamiento dominante. Por el contrario, cada tecnología ha reconocido ventajas y desventajas. Los sistemas de almacenamiento de energía térmica basados en materiales de cambio de fase (MCF) son de gran interés para aplicaciones de energía solar por concentración, de alta temperatura, debido al potencial de un rendimiento mejorado con costo de material relativamente bajo.

El concepto de almacenamiento de energía térmica con un material bifásico de cambio de fase hace uso de un material con una temperatura de fusión entre las temperaturas de los lados caliente y frío de un campo solar como un medio de almacenamiento de energía térmica. Cuando el sistema se hace funcionar en un modo de "carga", el fluido de transferencia de calor desde el campo solar es enfriado mediante la fusión del material de cambio de fase. En un modo de "descarga", el fluido de transferencia de calor relativamente frío es calentado haciéndolo pasar en sentido inverso a través del sistema de almacenamiento de energía térmica solidificando, de esta manera, el material de cambio de fase. El beneficio de un sistema basado en un material de cambio de fase es la alta densidad de energía conseguida aprovechando el calor latente de un material adecuado además de utilizar el calor sensible. La densidad de almacenamiento de energía de un material de almacenamiento de energía adecuado puede ser duplicada, típicamente, mediante la adición de almacenamiento de calor latente sobre un intervalo de temperaturas de 1°C.

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica basados en material de cambio de fase deben incluir múltiples tipos de sales con diferentes temperaturas de fusión para almacenar y descargar eficazmente energía en un intervalo de temperaturas de 1°C o más. En un diseño con múltiples materiales, la cantidad total de energía que puede ser almacenada para una masa de almacenamiento determinada a un diferencial de temperatura de 1°C puede aumentarse en gran medida. La disposición anterior de grupos de materiales de cambio de fase dispuestos linealmente, (en el que cada grupo o contenedor de un determinado material de cambio de fase se conoce como un "cubo") se denomina una cascada y puede ser considerada como una cascada de agua, con la temperatura de fusión más alta en la parte superior, seguido de temperaturas de fusión progresivamente más bajas hasta el cubo en la parte inferior.

Un sistema de almacenamiento de energía térmica con material de cambio de fase que tiene un número suficiente de cubos permite el almacenamiento de energía a la temperatura más alta posible. El teóricamente mejor sistema con material de cambio de fase tendría un número excepcionalmente elevado de cubos con materiales de cambio de fase con diferentes temperaturas de fusión repartidas uniformemente a lo largo del intervalo de temperaturas esperadas del fluido de transferencia de calor. La implementación de un número excepcionalmente elevado de cubos con materiales de cambio de fase distintos no es práctica, sin embargo, en parte debido a que hay un número limitado de opciones adecuadas de materiales de cambio de fase. Generalmente, es más factible utilizar 3-5 materiales de cambio de fase con temperaturas de fusión repartidas tan uniformemente como sea posible en todo el intervalo diseñado de temperaturas de almacenamiento.

Casi todos los sistemas de almacenamiento de energía térmica pueden ser descritos como pertenecientes a una de dos categorías: activos y pasivos. Un sistema activo se clasifica como un sistema que acopla activamente su material de almacenamiento con fluido de transferencia de calor del sistema, típicamente, mediante interacciones mecánicas. Por ejemplo, un sistema de sales fundidas de dos tanques se clasifica como un sistema activo debido a que la sal fundida es bombeada activamente. Los sistemas pasivos no tienen interacción mecánica. Un ejemplo común de un sistema pasivo es el almacenamiento con hormigón, en el que el material de almacenamiento incluye tuberías de fluidos de transferencia de calor y acepta y suministra, de manera pasiva, energía térmica al fluido de trabajo. Un sistema de almacenamiento de energía térmica con material de cambio de fase tal como se ha descrito anteriormente es un tipo de sistema de almacenamiento pasivo.

Ciertas limitaciones físicas causan dificultades para controlar un sistema pasivo de almacenamiento con material de cambio de fase para un rendimiento transitorio óptimo. En primer lugar, las sales usadas como materiales de cambio de fase tienen tasas de transferencia de calor muy bajas en comparación con el fluido de transferencia de calor. La menor tasa de transferencia de calor de un material de cambio de fase es debida, en parte, a que el material está estacionario y también a que los materiales de cambio de fase adecuados son malos conductores de calor. Las bajas tasas de transferencia de calor causan que la energía de salida del sistema de almacenamiento sea menor, incluso si el almacenamiento de energía total es grande. En segundo lugar, los materiales de cambio de fase aceptan y liberan calor isotérmicamente sobre la región de fusión, mientras que el fluido de transferencia de calor acepta y libera calor sobre un intervalo de temperaturas.

Por lo tanto, en un sistema manejable de tres a cinco cubos de material de cambio de fase en una cascada, el cubo con la temperatura más alta tendrá una temperatura sustancialmente inferior a la temperatura máxima del fluido de transferencia de calor.

Además, la repetibilidad día a día presenta una dificultad significativa en el funcionamiento de un sistema pasivo de almacenamiento de energía térmica. Los problemas surgen por las diferencias de temperatura durante la carga y la descarga en combinación con la temperatura de salida variable del campo solar y la variación en los caudales del fluido de transferencia de calor. Por ejemplo, en un sistema con material de cambio de fase en cascada con cuatro cubos de material de cambio de fase, un tercer cubo puede tener una diferencia de temperatura de accionamiento de casi 3°C durante la carga en comparación con sólo una diferencia de temperatura de 1°C durante la descarga. Estas diferencias de temperatura están limitadas por la...

Reivindicaciones:

1. Un procedimiento de utilización de energía solar que comprende:

proporcionar un circuito de fluido de transferencia de calor que tiene un fluido de transferencia de calor que fluye en su interior, en el que el circuito de fluido de transferencia 5 de calor está en comunicación térmica con:

un concentrador de energía solar,

un sistema de almacenamiento de energía térmica que comprende una serie en cascada de múltiples cubos de material de cambio de fase, y

un bloque de potencia;

hacer fluir un fluido de transferencia de calor desde una entrada del concentrador de energía solar a una salida del concentrador de energía solar, haciendo que el fluido de transferencia de calor sea calentado con energía solar concentrada;

mientras se produce energía activamente con el bloque de potencia, direccionando parte o la totalidad del fluido de transferencia de calor desde la salida del concentrador de energía 15 solar a través de un cubo de material de cambio de fase causando un intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y el material de cambio de fase; y

hacer fluir el fluido de transferencia de calor direccionado al cubo de material de cambio de fase desde el cubo de fluido de transferencia de calor a través del bloque de potencia causando el intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y el agua en un 2 circuito de vapor asociado con el bloque de potencia antes de hacer fluir el fluido de transferencia de calor de nuevo al concentrador de energía solar.

2. Procedimiento de utilización de energía solar según la reivindicación 1, incluyendo un cubo de alta temperatura, con un material de cambio de fase que tiene una temperatura de fusión más alta que los materiales de cambio de fase incluidos en otros cubos de la serie en

cascada.

3. Un sistema de generación de energía solar que comprende:

un circuito de fluido de transferencia de calor que permite el flujo de un fluido de transferencia de calor en su interior;

un concentrador de energía solar en comunicación térmica con el circuito de fluido de 3 transferencia de calor;

un sistema de almacenamiento de energía térmica que comprende una serie, en cascada, de múltiples cubos de material de cambio de fase en comunicación térmica con el circuito de fluido de transferencia de calor; en el que una entrada a un primer cubo del sistema de almacenamiento de energía térmica está en comunicación directa a través del circuito de 5 fluido de transferencia de calor con una salida del concentrador de energía solar; y

un bloque de potencia en el que una entrada al bloque de potencia está en comunicación directa a través del circuito de fluido de transferencia de calor con una salida del primer cubo del sistema de almacenamiento de energía térmica causando que el calor sea transferido desde el fluido de transferencia de calor que fluye al interior del primer cubo del 1 sistema de almacenamiento de energía térmica y al bloque de potencia y en el que la salida desde el primer cubo está también en comunicación directa a través del circuito de fluido de transferencia de calor con una entrada a otro cubo del sistema de almacenamiento de energía térmica.

4. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 3, en el que el primer 15 cubo es un cubo de alta temperatura que incluye un material de cambio de fase que tiene

una temperatura de fusión mayor que los materiales de cambio de fase incluidos en otros cubos de la serie en cascada.

5. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 3, donde cada cubo incluye una cantidad de un material de cambio de fase y que comprende además:

un intercambiador de calor asociado con cada cubo y el circuito de fluido de transferencia de calor de manera que puede intercambiarse calor entre el fluido de transferencia de calor y el material de cambio de fase en cada cubo; y

una rama secundaria del circuito de fluido de transferencia de calor que conecta una salida de uno de los cubos directamente a una entrada del bloque de potencia, mientras se 25 almacena energía, de manera activa, en el sistema de almacenamiento de energía térmica y se produce energía con el bloque de potencia.

6. Procedimiento de utilización de energía solar según la reivindicación 1; donde el procedimiento comprende además:

hacer fluir el fluido de transferencia de calor desde una salida del bloque de potencia a 3 través de al menos uno de los cubos incompletamente descargados del sistema de almacenamiento de energía térmica causando un intercambio de calor entre los materiales

de cambio de fase en al menos uno de los cubos y el fluido de transferencia de calor,

después de la descarga completa de al menos un cubo del sistema de almacenamiento de energía térmica, pero antes de cargar el sistema de almacenamiento de energía térmica; y

hacer fluir el fluido de transferencia de calor precalentado desde al menos uno de los cubos a al menos uno de entre el concentrador de energía solar y el bloque de potencia.

7. Procedimiento de utilización de energía solar según la reivindicación 6, donde el

procedimiento además comprende; recibir, en al menos uno de los cubos del sistema de almacenamiento de energía térmica, fluido de transferencia de calor desde el bloque de potencia; teniendo el cubo una temperatura más fría e incluyendo un material de cambio de fase que tiene una temperatura de fusión más baja que los materiales de cambio de fase 1 contenidos en al menos otro cubo de la serie en cascada.

8. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 3, donde:

una entrada de al menos uno de los cubos del sistema de almacenamiento de energía térmica está en comunicación directa a través del circuito de fluido de transferencia de calor con una salida desde un bloque de potencia; y una salida desde al menos uno de los cubos 15 del sistema de almacenamiento de energía térmica está en comunicación directa a través del circuito de fluido de transferencia de calor con el concentrador de energía solar, causando que el fluido de transferencia de calor que fluye en el circuito de fluido de transferencia de calor sea calentado después de que al menos un cubo del sistema de almacenamiento de energía térmica haya sido descargado, pero antes de que el sistema de 2 energía térmica sea cargado o calentado por descarga parcial del sistema de

almacenamiento de energía térmica durante los períodos de insolación insuficiente para cargar el sistema de almacenamiento de energía térmica.

9. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 3; donde cada cubo incluye una cantidad de un material de cambio de fase y comprende:

una rama secundaria del circuito de fluido de transferencia de calor que conecta una salida desde un bloque de potencia a una entrada a al menos uno de los cubos del sistema de 3 almacenamiento de energía térmica después de la descarga del sistema de

almacenamiento de energía térmica, pero antes de cargar el sistema de almacenamiento de

energía térmica o durante los períodos de insolación insuficiente para cargar el sistema de

almacenamiento de energía térmica.

1. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 8 o 9, en el que al menos uno de los cubos del sistema de almacenamiento de energía térmica en comunicación con la salida del bloque de potencia; es un cubo con una temperatura más

fría que incluye un material de cambio de fase que tiene una temperatura de fusión más baja que los materiales de cambio de fase incluidos en al menos otro cubo de la serie en cascada.

11. Procedimiento de utilización de energía solar según la reivindicación 1; en el que cada cubo incluye un material de cambio de fase que tiene una temperatura de fusión

seleccionada y donde el

bloque de potencia está compuesto por múltiples componentes de un tren de vapor en el que cada componente del tren de vapor tiene una temperatura de funcionamiento de diseño; y

mientras se descarga el sistema de almacenamiento de energía térmica, hacer fluir el fluido 15 de transferencia de calor desde un primer cubo seleccionado de material de cambio de fase a la entrada de un primer componente del tren de vapor correspondiente y hacer fluir el fluido de transferencia de calor desde un segundo cubo seleccionado de material de cambio de fase a la entrada de un segundo componente correspondiente del tren de vapor, causando un intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y el agua en un 2 circuito de vapor asociado con cada uno de los componentes seleccionados del tren de vapor.

12. Procedimiento de utilización de energía solar según la reivindicación 11, en el que la temperatura de fusión del material de cambio de fase en el primer cubo corresponde a la temperatura de funcionamiento diseñada del primer componente del tren de vapor y la

temperatura de fusión del material de cambio de fase en el segundo cubo corresponde a la temperatura de funcionamiento diseñada del segundo componente del tren de vapor.

13. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 3; en el que el bloque de potencia está compuesto por múltiples componentes de un tren de vapor unidos por un circuito de vapor, en el que una salida del circuito de fluido de transferencia de calor

desde al menos el primer cubo y el segundo cubo del sistema de almacenamiento de energía térmica están en comunicación directa con una entrada del circuito de fluido de transferencia de calor a, al menos, el primer componente correspondiente y el segundo

componente correspondiente del tren de vapor.

14. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 13; donde cada cubo incluye una cantidad de un material de cambio de fase y el sistema además comprende:

múltiples ramas secundarias del circuito de fluido de transferencia de calor que conectan 5 una salida desde al menos un primer cubo y un segundo cubo a una entrada de al menos un primer componente y un segundo componente del tren de vapor durante la descarga del sistema de almacenamiento de energía térmica.

15. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 13 o 14, en el que la temperatura de fusión del material de cambio de fase en el primer cubo corresponde a la

temperatura de funcionamiento diseñada del primer componente del tren de vapor y la temperatura de fusión del material de cambio de fase en el segundo cubo corresponde a una temperatura de funcionamiento diseñada del segundo componente del tren de vapor.

16. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 13 o 14, en el que la temperatura de fusión del material de cambio de fase en el primer cubo es

aproximadamente igual a la temperatura de funcionamiento diseñada del primer componente del tren de vapor y la temperatura de fusión del material de cambio de fase en el segundo cubo es aproximadamente igual a una temperatura de funcionamiento diseñada del segundo componente del tren de vapor.

17. Procedimiento de utilización de energía solar según la reivindicación 1; donde el

procedimiento comprende además:

durante los períodos de insolación demasiado baja para cargar el sistema de almacenamiento de energía térmica, descargar parcialmente el sistema de almacenamiento de energía térmica haciendo fluir un fluido de transferencia de calor desde una salida del bloque de potencia a través de al menos uno de los cubos del sistema de almacenamiento 25 de energía térmica causando el intercambio de calor entre los materiales de cambio de fase en el uno o más cubos y el fluido de transferencia de calor; y

hacer fluir el fluido de transferencia de calor precalentado desde al menos uno de los cubos a través del concentrador de energía solar al bloque de potencia causando el intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y el agua en un circuito de vapor asociado con 3 el bloque de potencia.

18. Procedimiento de utilización de energía solar según la reivindicación 17, en el que al

menos uno de los cubos del sistema de almacenamiento de energía térmica que reciben el fluido de transferencia de calor desde el bloque de potencia son cubos a una temperatura más fría que incluyen un material de cambio de fase que tiene una temperatura de fusión más baja que los materiales de cambio de fase incluidos en otros cubos de la serie en 5 cascada.

19. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 3, donde el sistema comprende:

un bloque de potencia en comunicación térmica con el circuito de fluido de transferencia de calor del bloque de potencia que está compuesto por múltiples componentes de un tren de

vapor en comunicación térmica con un circuito de vapor; y

una rama secundaria del circuito de fluido de transferencia de calor que se extiende entre un cubo de material de cambio de fase y un componente del tren de vapor o una rama secundaria del circuito de fluido de transferencia de calor que se extiende entre un cubo de material de cambio de fase y el campo solar.

2. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 19; donde el sistema

comprende además:

21. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 19 a 2, que

comprende además una rama secundaria del circuito de fluido de transferencia de calor que se extiende entre un cubo de material de cambio de fase y un componente del tren de vapor y una rama secundaria del circuito de fluido de transferencia de calor que se extiende entre un cubo de material de cambio de fase y el campo solar.

22. Sistema de generación de energía solar según la reivindicación 19 a 21, que

comprende además múltiples ramas secundarias del circuito de fluido de transferencia de calor que se extienden entre cubos de material de cambio de fase seleccionados y uno o más componentes del tren de vapor y múltiples ramas secundarias del circuito de fluido de transferencia de calor que se extienden entre los cubos de material de cambio de fase

seleccionados y el campo solar.

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