Central termosolar de concentración con dos fluidos en el receptor y en el almacenamiento.

Central termosolar de concentración de fluido condensable con un receptor multitubo (5) con zonas de radiación baja (2),

intermedia (3) y alta (4) tal que la zona de baja radiación (2) es utilizada para calentar el fluido de trabajo del ciclo, en estado líquido, desde la temperatura de condensación, procedente de un condensador (13) de nivel variable, hasta la de evaporación, siendo almacenado en un calderín (12) de nivel variable a dicha temperatura. Las zonas de radiación intermedia (3) y alta (4) son utilizadas para calentar un fluido calorífico desde su temperatura mínima hasta su temperatura máxima, siendo almacenado en dos o tres tanques de almacenamiento (9, 10 y 11) a diferentes temperaturas, para una posterior cesión de calor al fluido de trabajo para evaporarlo y sobrecalentarlo antes de entrar a la turbina (32) del ciclo.

Sector de la técnica La invención se encuadra en el campo de las centrales de energía solar que requieren concentración de la radiación originaria, la cual llega a un receptor multitubo con un gradiente de concentración (con zonas activas de mayor y menor concentración) , como son el caso de un receptor de cavidad en un campo Fresnel de reflexión o de un receptor exterior en un campo de helioslalos de torre central. Concretamente se refiere al uso de dos fluidos en un receptor multitubo y en el almacenamiento, y al procedimiento para maximizar el aprovechamiento de las zonas de baja concentración y minimizar las pérdidas exergéticas.

En particular, la invención tiene en cuenta la variación de la concentración en un receptor multitubo, y cómo las diferentes temperaturas óptimas de trabajo de dos fluidos caloríficos pueden ser utilizadas para maximizar el aprovechamiento energético de la radiación incidente.

Problema técnico a resolver

Esta invención pretende resolver dos problemas técnicos: por un lado, aprovechar la radiación incidente en un receptor solar con concentraciones relativamente bajas a causa de la dispersión del haz reflejado y, por otro lado, permitir un sistema de almacenamiento térmico con más de un nivel de temperatura, lo que minimiza las pérdidas exergéticas en la transmisión de calor; todo ello busca la simplificación de la planta y la reducción de costes.

En campos solares con receptor fijo donde varios heliostatos reflejan la radiación hacia dicho único receptor, tales como los colectores lineales Fresnel y las torres centrales, se produce una dispersión de la luz proporcional a la distancia entre cada espejo y el receptor. Ello produce que en la parte central del receptor la radiación incidente es muy alta, mientras que en los laterales es mucho menor. El uso de un único fluido calorífico en el receptor hace que el rango de temperaturas sea relativamente estrecho, siendo entre 290 oC y 400 oC en aceites sintéticos (tradicionalmente utilizados en colectores cilindro-parabólicos) , y entre 290 oC y 565 oC en las sales fundidas (utilizadas en algunas torres centrales) . El principal problema radica en el umbral de utilización del fluido calorífico, que impide el aprovechamiento de zonas de bajas concentraciones. Esto no tendría por qué encontrarse en el caso de generación directa de vapor, en el que el agua puede ser introducida a muy baja temperatura (la que existe a la salida de la bomba de condensado) , y precalentarse con aprovechamiento exergético en las zonas de menor concentración para evaporarse y sobrecalentarse a continuación en la zona central; sin embargo tal sistema se encontraría con dificultades de gestión en transitorios, así como para el almacenamiento de energía térmica debido al enorme volumen específico del vapor, siendo este un punto esencial en la generación de electricidad solar de concentración. De este modo, la invención pretende resolver la conjunción de la maximización del aprovechamiento térmico de la radiación concentrada sobre el receptor y el almacenamiento de esa energía en volúmenes y con costes aceptables.

Antecedentes de la invención La invención tiene dos antecedentes inmediatos, siendo algunos de los inventores de la presente y de dicha invención los mismos. El primer antecedente es la patente ES 2 334 198 82, "Central helio-térmica con gestión exergética de calor" , que trata el almacenamiento de la energía térmica en horas de máxima radiación debido a un múltiplo solar mayor que uno, con aprovechamiento exergético mediante la utilización de dos depósitos de almacenamiento calientes a diferentes temperaturas. Los fluidos de almacenamiento en este caso, que pueden ser el mismo o diferentes para los dos depósitos, son diferentes al fluido calorífico que refrigera el receptor de la central solar. Así pues, el almacenamiento a diferentes temperaturas no se hace a partir de una colección de radiación con diferentes concentraciones, sino de transmitir calor desde el fluido calorífico en dos etapas en serie.

Por otro lado, hay un antecedente en lo que se refiere al receptor: la patente ES 2 345 759 82 "Receptor para central solar con espejos longitudinales", con los mismos inventores que la anterior. En la reivindicación segunda de dicha patente se menciona el uso de un receptor multitubo simétrico, de manera que los tubos se agrupan en haces según su distancia al eje central longitudinal, estando los haces laterales sometidos a una menor concentración que los centrales. El fluido calorífico entra a una temperatura relativamente baja por los haces laterales, pasando posteriormente por el central, de manera que la creación de entropía se minimiza. Esta reivindicación, sin embargo, se limita al paso de un único fluido por el receptor, y no concierne al almacenamiento de energía térmica. Además la patente ES 2 356 549 81 , "Receptor solar de anchura variable y procedimiento de variación de la anchura", cuyos inventores figuran en la presente invención, describe un receptor multitubo con válvulas en los extremos de cada tubo o haz de tubos, de forma que el flujo por ellos puede variar. Concretamente, en su reivindicación 4 se dice que en la salida de cada tubo el fluido podrá ir bien a un colector de salida, o al siguiente tubo en serie.

Con respecto a receptores multitubo, la patente WO 2009/029277 A2 plantea su uso en una central termoeléctrica de concentración de reflexión Fresnel en sus figuras 8 a 11 , pero en ellas no aparece un aprovechamiento exergético claro, y en ningún caso el uso de dos fluidos. Los mismos autores de esta última patente utilizan las mismas figuras de un receptor multitubo en la patente WO 2009/023063 A2, donde no se menciona en ningún caso la circulación del fluido calorífico.

Finalmente, la patente US 4400946 A muestra en las figuras 3 y 7 la posibilidad de almacenar en varios depósitos con diferentes temperaturas. Sin embargo en ningún momento se refiere al uso de esos depósitos con fluidos diferentes, que además puedan ser fluidos caloríficos del receptor.

Descripción de la invención La invención describe una central térmica solar de concentración, que sigue un ciclo de potencia de fluido condensable y comprende:

una turbina de vapor y una bomba hidráulica;

un receptor multitubo de radiación solar;

un calderín de nivel variable, que hace las veces de calderín del ciclo y de almacenamiento de un fluido de trabajo saturado a la presión de evaporación del ciclo;

un condensador de nivel variable, que hace las veces de condensador del ciclo y de almacenamiento del fluido de trabajo saturado a la presión de condensación del ciclo;

un sistema de almacenamiento de energía térmica en un fluido calorífico con al menos dos niveles de temperatura, con un depósito de baja temperatura y otro depósito de alta temperatura;

al menos tres intercambiadores de calor del fluido calorífico con el fluido de trabajo: un precalentador, un evaporador y un sobrecalentador.

Entre los anteriores elementos existe una pluralidad de conexiones hidráulicas. Por otro lado, por el receptor multitubo circulan dos fluidos distintos: un fluido de trabajo, que produce potencia al expandirse en la turbina, y un fluido calorífico, que sirve para acumulación de energía en distintos depósitos de la instalación. Además, el receptor consta de tres zonas de concentración de la radiación:

una primera zona de baja radiación , de manera que la intensidad radiativa en cada uno de sus puntos es menor que en cualquier punto del receptor no perteneciente a la zona de baja radiación, con una superticie relativa a la superticie total tal que la energía capturada media en esa zona sea entre el 25% y el 40% de la energía total capturada en el receptor; una segunda zona de alta radiación, tal que la intensidad radiativa en cada uno de sus puntos es mayor que en cualquier punto del receptor no perteneciente a la zona de alta radiación, con una superficie relativa a la superticie total del receptor tal que la energía capturada media en esa zona sea entre el 5% y el 35% de la energía total capturada en el receptor; y,

una tercera zona de radiación intermedia entre la zona de baja radiación y la zona de alta radiación, de modo que la intensidad radiativa en cualquiera de sus puntos es mayor que la intensidad radiativa en cualquiera de los puntos de la zona de baja radiación, pero menor que en cualquiera de los de la zona de alta radiación.

Por los tubos de la zona de baja radiación circula el fluido de trabajo, y por los tubos de la zona de alta radiación y de la zona de radiación intermedia circula el fluido calorífico, de modo que por la zona de baja radiación del receptor circula el...

-Central termosolar de concentración, que sigue un ciclo de potencia de fluido condensable y comprende:

una turbina de vapor (32) y una bomba hidráulica (16) ; un receptor multitubo (5) de radiación solar;

un calderín (12) de nivel variable, que hace las veces de calderín del ciclo y de almacenamiento de un fluido de trabajo saturado a la presión de evaporación del ciclo;

un condensador (13) de nivel variable, que hace las veces de condensador del ciclo y de almacenamiento del fluido de trabajo saturado a la presión de condensación del ciclo; un sistema de almacenamiento de energía térmica en un fluido calorffico con al menos dos niveles de temperatura, con un depósito (9) de baja temperatura y otro depósito (11) de alta temperatura;

al menos tres inlercambiadores de calor del fluido calorífico con el fluido de trabajo: un precalentador (17) , un evaporador (25) y un sobrecalentador (30) ;

existiendo una pluralidad de conexiones hidráulicas entre los anteriores elementos,

caracterizada por que:

por el receptor multitubo (5) circulan dos fluidos distintos, un fluido de trabajo, que produce potencia al expandirse en la turbina (32) , y un fluido calorlfico que sirve para acumulación de energía en distintos depósitos (9 y 11) de la instalación; y el receptor (5) consta de tres zonas de concentración de la radiación:

una primera zona de baja radiación (2) , de manera que la intensidad radiativa en cada uno de sus puntos es menor que en cualquier punto del receptor (5) no perteneciente a la zona de baja radiación (2) ;

una segunda zona de alta radiación (4) , tal que la intensidad radiativa en cada uno de sus puntos es mayor que en cualquier punto del receptor (5) no perteneciente a la zona de alta radiación (4) ;

y una tercera zona de radiación intermedia (3) entre la zona de baja radiacióri (2) y la zona de alta radiación (4) , de modo que la intensidad radiativa en cualquiera de sus puntos es mayor a la intensidad radiativa en cualquiera de los puntos de la zona de baja radiación (2) , pero menor que en los de la zona de alta radiación (4) ;

por los tubos de la zona de baja radiación (2) circula el fluido de trabajo, y por los tubos de la zona de alta radiación (4) y de la zona de radiación intermedia (3) circula el fluido calorífico, de modo que:

o por la zona (2) de baja radiación del receptor (5) circula el fiuido de trabajo en estado líquido a la presión de evaporación del ciclo, aumentando su temperatura hasta, como máximo, la temperatura de saturación a dicha presión;

o por las zonas de radiación intermedia (3) y alta (4) del receptor (5) circula fiuido calorífico, aumentando su temperatura hasta su máxima temperatura de trabajo para las concentraciones máximas de la época del año dada.

-Central termosolar de concentración según la reivindicación 1, caracterizada por que la zona de baja radiación (2) se encuentra en los laterales del receptor (5) ; la zona de alta radiación (4) se encuentra en la zona central del receptor (5) ; y

la zona de radiación intermedia (3) se encuentra entre la zona de baja radiación (2) y la zona de alta radiación (4) .

-Central termosolar de concentración según cUalquiera de las reivindicaciones anteriores,

caracterizada por que comprende unas vélvulas (14 y 15) Y un vaso de expansión (33) en el circuito de la zona de baja radiación (2) del receptor (5) , de forma que las vélvulas (14 y 15) se abren y cierran y la bomba hidréulica (16) se activa y desactva en función de la radiación recibida en la zona de baja radiación (2) del receptor (5) ;

el vaso de expansión (33) permite las expansiones y contracciones del fluido de trabajo en el circuito debido a cambios de temperatura en caso de estar las válvulas (14 y 15)

cerradas.

-Central termos alar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que existe, al menos, un depósito (10) de almacenamiento de fluido calorlfico, a una temperatura intermedia entre las temperaturas del primer depósito (9) y del segundo depósito (11) de almacenamiento del fluido calorífico.

- Central terrnosolar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que comprende:

una pluralidad de vélvulas de corte o cierre (14, 15, 31, 37, 39 Y 41) en los diversos circuitos de conexión entre los dos depÓSitos de almacenamiento (9 y 11 ) Y el calderin (12) , la turbina (32) , el condensador (13) y la bomba (16) del condensado, y el receptor

(5) y los intercambiadores de calor (17, 25 Y 30) ;

una pluralidad de bombas de impulsión de caudal (24, 38, 40 Y 42) ;

de manera que dichas válvulas (14, 15, 31, 37, 39 Y 41) Y dichas bombas (24, 38, 40 Y 42)

se activan y se desactivan en función de la radiación recibida en cada zona (2, 3 Y 4) del receptor (5) en función de la radiación recibida.

-Central termosolar de concentración según la reivindicación 4, caracterizada por que comprende:

una pluralidad de válvulas de corte o cierre (14, 15, 18, 20, 22, 26, 28, 31 Y 35) en los diversos circuitos de conexión entre los tres depósitos de almacenamiento (9, 10 Y 11) Y

el calderín (12) , la turbina (32) , el condensador (13) y la bomba (16) del condensado, y el receptor (5) y los intercambiadores de calor (17, 25 Y 30) ; una pluralidad de bombas de impulsión de caudal (19, 21, 23, 24, 27, 29 Y 36) ;

de manera que dichas valvulas (14, 15, 18, 20, 22, 26, 28, 31 Y 35) Y dichas bombas (19, 21 ,

23, 24, 27, 29 Y 36) se activan y se desactivan en función de la radiación recibida en cada zona (2, 3 Y 4) del receptor (5) en función de la radiación recibida.

-Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que cuando la radiación en la zona de baja radiación (2) del receptor (5) hace alcanzar una temperatura en el fluido de trabajo de, al menos, 100 oC por debajo de la temperatura en el calderln (12) , y siempre que el condensador (13) no esté vaclo y que el calderín (12) no esté lleno, el fluido de trabajo es presurizado desde la 'presión de condensación en el condensador (13) hasta la presión de evaporación en el calderln (12) , siendo bombeado a dicha presión en estado liquido desde el condensador (13) hasta el calderín (12) por el circuito de la zona de baja radiación (2) del receptor (5) .

-Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según la reivindicación 7 caracterizado por que:

cuando la temperatura alcanzada por el fluido de trabajo en el circuito de la zona de baja radiación (2) del receptor (5) es menor que la de saturación a la presión del calderín (12) , se bombea Huido calorífico desde el tanque de alta temperatura (11) hacia el tanque de baja temperatura (9) por el inlercambiador de calor precalentador (17) , donde cede calor

disminuyendo su temperatura hasta alcanzar la temperatura del tanque (9) ;

y el fluido de trabajo circula en estado liquido desde la zona de baja radiación (2) del receptor (5) hacia el caldenn (12) por el precalentador (17) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorifico aumentando su temperatura hasta la temperatura del calderín (12) ,

que es la temperatura de saturación a la presión de evaporación del ciclo.

-Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según la reivindicación 7 caracterizado por que:

cuando la temperatura alcanzada por el fluido de trabajo en el circuito de la zona de baja radiación (2) del receptor (5) es menor que la de saturación a la presión del calderin (12) , se bombea fluido calorífico desde el tanque temperatura intermedia (10) hacia el tanque de baja temperatura (9) por el intercambiador de calor precalentador (17) , donde cede calor

disminuyendo su tempe'ratura hasta alcanzar la temperatura del tanque (9) ;

y el fluido de trabajo circula en estado líquido desde la zona de baja radiación (2) del

receptor (5) hacia el caldeón (12) por el precalentador (17) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorlfico aumentando su temperatura hasta la temperatura del calderín (12) ,

que es la temperatura de saturación a la presión de evaporación del ciclo.

- Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones 7 u 8 caracterizado por que cuando la radiación en la zona de radiaciones intermedia (3) ya". (4) del receptor (5) aumenta hasta que el fluido calorifico alcanza la temperatura del tanque de almacenamiento de alta temperatura (11) , y siempre que el tanque de baja temperatura (9) no esté vacío y que el tanque de alta temperatura (11) no esté lleno, el fluido calorífico es bombeado desde el tanque de baja temperatura (9) , circulando primero por el circuito de la zona de radiación intermedia (3) del

receptor (5) y después por el circuito de la zona de alta radiación (4) del receptor (5) , hasta el tanque de a"a temperatura (11) .

-Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones 7 o 9 caracterizado por que:

cuando la radiación en la zona de radiación intermedia (3) del receptor (5) aumenta hasta que el fluido calorífico alcanza la temperatura del tanque de almacenamiento de temperatura intermedia (10) , y siempre que el tanque de baja temperatura (9) no esté

vacío y que el tanque de temperatura intermedia (10) no esté lleno, el fluido calorífico es 33

bombeado desde el tanque de baja temperatura (9) , circulando por el circuito de la zona de radiación intermedia (3) del receptor (5) hasta el tanque de temperatura intermedia (10) ; cuando la radiación en la zona de alta radiación (4) del receptor (5) aumenta hasta que

el fluido calorífico alcanza la temperatura del tanque de almacenamiento de alta temperatura (11) , y siempre que el tanque de temperatura intermedia (10) no esté vacío y que el tanque de alta temperatura (11) no esté lleno, el fluido calorífico es bombeado desde el tanque de temperatura intermedia (10) , circulando por el circuito de la zona de alta radiación (4) del receptor (5) , hasta el tanque de alta temperatura (11) .

-Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11 caracterizado por que:

cuando se requiere el funcionamiento de la central para generación de potencia, y siempre que el tanque de alta temperatura (11) contenga fluido calorífico,

el calderfn (12) contenga fluido de trabajo,

el tanque de baja temperatura (9) no esté lleno de fluido calorífico el condensador (13) no esté lleno de fluido de trabajo,

entonces el fluido calorlfico es impulsado desde el tanque de alta temperatura (11) hacia el de baja temperatura (9) pasando primero por el intercambiador sobrecalentador (30) y después por el intercambiador de calor evaporador (25) , donde cede calor disminuyendo su temperatura hasta la del tanque (9) ;

el fluido de trabajo en estado Ilqui~o saturado es impulsado desde el calderín (12) por el evaporador (25) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorffico evaporándose parcialmente, volviendo el fluido de trabajo al calderln (12) en estado de mezcla liquido

vapor a la misma presión y temperatura;

-_ el fluido de trabajo en estado de vapor saturado circula desde el calder!n (12) por el $obrecalentador (30) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorífico aumentando su temperatura a presión aproximadamente constante hasta una temperatura entre 30 'C y 5 'C inferíor a la temperatura del tanque caliente (11) ; circulando el fluido de trabajo en forma de vapor sobrecalenlado después por la turbina (32) , donde baja su presión y temperatura cediendo energia a la turbina (32) ; y desembocando el fluido de trabajo a la

temperatura y presión de condensación en el condensador (13) , donde es condensado y

almacenado en forma de liquido saturado.

-Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11 caracterizado por que cuando se requiere el funcionamiento de la central para generación de potencia, y siempre que los tanques de temperatura intermedia (10) y alta (11) contengan fluido calorífico, el calderín (12) contenga fluido de trabajo, los tanques de temperatura baja (g) e intenmedia (10) no esté llenos de fluido calorffico,

el condensador (13) no esté lleno de fluido de trabajo,

entonces:

el fluido calorifico es impulsado desde el tanque de temperatura intermedia (10) hacia el

de baja temperatura (9) por el intercambiador de calor evaporador (25) , donde cede calor disminuyendo su temperatura hasta la del tanque (9) ;

el fluido de trabajo en estado líquido saturado es impulsado desde el calderín (12) por el evaporador (25) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorífico evaporándose parcialmente, volviendo el fluido de trabajo al calderín (12) en estado de mezcla líquido

vapor a la misma presión y temperatura;

el fluido calorífico es impulsado desde el tanque de alta temperatura (11) hacia el de baja temperatura (9) por el intercambiador de calor sobrecalentador (30) , donde cede calor

disminuyendo su temperatura hasta la del tanque (10) ;

el fluido de trabajo en estado de vapor saturado circula desde el calderín (12) por el sobrecalentador (30) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorffico aumentando su temperatura a presión aproximadamente constante hasta una temperatura entre 30

'C y 5'C inferior a la temperatura del tanque caliente (11) ; circulando el fluido de trabajo en forma de vapor sobrecalentado después por la turbina (32) , donde baja su presión y

temperatura cediendo energía a la turbina (32) ; Y desembocando el fluido de trabajo a la temperatura y presión de condensación en el condensador (13) , donde es condensado y almacenado en forma de liquido saturado.

-Procedimiento de operación de una central termosolar de concentración según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11 caracterizado por que cuando se requiere el funcionamiento de la central para generación de potencia, y siempre que los tanques de temperatura intermedia (10) y alta (11) contengan fluido calortfico, el calderin (12) contenga fluido de trabajo, los tanques de temperatura baja (9) e intermedia (10) no estén llenos de fluido calorífico, el condensador (13) no esté lleno de fluido de trabajo,

enlonces:

el fluido calorífico es impulsado desde el tanque de temperatura intermedia (10) hacia el

de baja temperatura (9) por el intercambiador de calor evaporador (25) , donde cede calor disminuyendo su temperatura hasla la del tanque (9) ; el fluido de trabajo en estado liquido saturado es impulsado desde el calderin (12) por el evaporador (25) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorifico evaporándose parcialmente, volviendo el fluido de trabajo al calderin (12) en estado de mezcla liquido

vapor a la misma presión y temperatura;

el fluido calorífico es impulsado desde el tanque de alta temperatura (11) hacia el de temperatura intermedia (10) por el intercambiador de calor sobrecalentador (3D) , donde cede calor disminuyendo su temperatura hasta la del tanque (10) ;

el fluido de trabajo en estado de vapor saturado circula desde el calderín (12) por el

sobrecalentador (30) , donde absorbe el calor cedido por el fluido calorífico aumentando su temperatura a presión aproximadamente constante hasta una temperatura entre 30 oC y 5 oC inferior a la temperatura del tanque caliente (11) ; circulando el fluido de trabajo en forma de vapor sobrecalentado después por la turbina (32) , donde baja su presión y temperatura cediendo energia a la turbina (32) ; Y desembocando el fluido de trabajo a la temperatura y presión de condensación en el condensador (13) , donde es condensado y almacenado en forma de líquido saturado.