COLECTOR SOLAR CON RECEPTOR MULTITUBULAR, PLANTAS TERMOSOLARES QUE CONTIENEN DICHO COLECTOR Y MÉTODO DE OPERACIÓN DE DICHAS PLANTAS.

Colector solar con receptor multitubular, plantas termosolares que contienen dicho colector y método de operación de dichas plantas donde los receptores multitubulares cuentan con un reflector primario (5) formado por dos curvas paramétricas simétricas y continuas,

un reconcentrador secundario (6) y un receptor (1) que comprende varios tubos (7) unidos de sección circular, situándose el centro de gravedad del colector muy próximo al eje de giro del propio colector y siendo la relación de concentración C/Cmax mayor de 0,63, con una eficiencia de colección del 100% y con un número máximo de reflexiones de los rayos solares (8) de dos. Las plantas termosolares que contienen dichos receptores multitubulares los combinan con colectores cilindro paramétricos o cilindro parabólicos con receptor tubular y pueden ser para generación directa de vapor (con zona de saturado y sobrecalentado) o no (con los colectores conectados en serie).

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201001406.

Solicitante: ABENGOA SOLAR NEW TECHNOLOGIES, S.A.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: NÚ;EZ BOOTELLO,Juan Pablo.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F24J2/14
  • F24J2/18
COLECTOR SOLAR CON RECEPTOR MULTITUBULAR, PLANTAS TERMOSOLARES QUE CONTIENEN DICHO COLECTOR Y MÉTODO DE OPERACIÓN DE DICHAS PLANTAS.

Fragmento de la descripción:

Colector solar con receptor multitubular, plantas termosolares que contienen dicho colector y método de operación de dichas plantas.

Sector técnico de la invención

La invención se encuadra en el sector técnico de la tecnología termosolar, más concretamente en el sector de los colectores cilíndricos así como las plantas en las que se instalan dichos colectores, ya sean plantas de producción directa de vapor como plantas que utilizan un fluido caloportador para producir vapor en un intercambiador posterior.

Antecedentes de la invención

El principio general de la tecnología termosolar está basada en el concepto de la concentración de la radiación solar para calentar un fluido caloportador y generar electricidad.

La captación de energía solar y su concentración es uno de los mayores retos en el desarrollo de plantas termosolares. Existen principalmente dos tipos de tecnologías de concentradores: la concentración puntual y la concentración lineal. La lineal es más fácil de instalar al tener menos grados de libertad, pero tiene un factor de concentración menor y por lo tanto puede alcanzar menores temperaturas que la tecnología de concentración puntual.

Dentro de los concentradores puntuales se distinguen los concentradores de disco parabólicos y las centrales de torre. Dentro de la tecnología lineal, el Concentrador Cilindro Parabólico (CCP) es el sistema de concentración más maduro y ahora empiezan a surgir los nuevos Colectores Lineales tipo Fresnel (CLF).

Los colectores Fresnel están compuestos por un sistema primario y un secundario. El primario lo forman una serie de filas paralelas de espejos reflectores, planos o ligeramente curvados, con estructuras móviles que son los que se encargan de emitir y orientar la radiación solar al secundario. La radiación llega a la apertura del secundario y es redireccionada por unos espejos a un "tubo" focal imaginario que es donde se coloca el tubo absorbedor.

Este sistema secundario queda elevado sobre el campo de espejos a varios metros de altura y se encarga de reconcentrar la radiación solar que emite el primario y direccionarla hacia un tubo absorbedor.

El absorbedor queda inmóvil en el espacio e independizado del colector que es el que realiza el seguimiento del sol. El reconcentrador tiene un doble efecto positivo:

permite aumentar la superficie colectora evitando que los rayos se escapen y permite aumentar la concentración del campo primario. Además, este tipo de colector permite un uso más compacto del terreno al quedar las filas muy próximas unas de otras.

Eventualmente, el terreno bajo los campos de espejos puede utilizarse para fines ajenos a la producción de energía. Las filas tienen un tamaño pequeño en comparación con un colector cilíndrico paramétrico por lo que las cargas de viento son menores y las estructuras son más livianas.

La tecnología cilindro-parabólica es una tecnología más madura que la de los colectores Fresnel y con un extenso historial que demuestra estar preparada para la instalación a gran escala. Esta tecnología lleva siendo instalada a nivel comercial desde los años 80 con un excepcional comportamiento. Desde entonces, ha experimentado importantes mejoras a nivel de costes y rendimientos. Actualmente hay 300 MWs en operación, 400 en construcción y alrededor de 6 GWs en promoción a nivel mundial.

La tecnología cilindro-parabólica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en la concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la línea focal de los colectores cilindro parabólicos.

Los componentes principales del campo solar de la tecnología cilindro-parabólica son:

• El reflector cilindro-parabólico: La misión del reflector cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbedor la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da la suficiente rigidez. En la actualidad los medios de soporte más utilizados son la chapa metálica, el vidrio y el plástico. Se denomina reflector primario.

• El tubo absorbedor tubular: Por lo general, el tubo absorbedor denominado tubular, consta de dos tubos concéntricos separados o no por una capa de vacío. El tubo interior, por el que circula el fluido que se calienta es metálico y el tubo exterior de cristal.

• El sistema de seguimiento del sol: El sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro-parabólicos del colector alrededor de un eje longitudinal, de manera que los rayos incidan siempre perpendiculares a este eje y paralelos al eje óptico de la parábola.

• La estructura metálica: La misión de la estructura del colector es la de dar rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

Tradicionalmente por el tubo absorbedor circula un fluido caloportador o transmisor de calor, generalmente aceite sintético, que es calentado a aproximadamente 400ºC por los rayos solares concentrados. Este aceite a alta temperatura es bombeado a través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor de agua sobrecalentado.

Sin embargo, en los últimos años se está desarrollando la generación directa de vapor con colectores cilindro parabólicos. Esta tecnología (conocida como GDV) elimina la necesidad de un fluido intermedio de transferencia de calor en el campo solar.

El agua se introduce directamente por el interior de los tubos receptores y absorbe la energía reflejada por los colectores pasando de su estado líquido a vapor saturado y posteriormente a sobrecalentado.

En ambos casos, el calor presente en el vapor, se convierte en energía eléctrica mediante una turbina de vapor convencional y un alternador.

Frente a los aceites sintéticos la GDV tiene las siguientes características:

a) Se sustituye el uso del aceite por el agua.

b) Permite aumentar la temperatura máxima del campo solar que en el caso del aceite viene impuesta por la degradabilidad del mismo (400ºC) y por tanto es posible ir a ciclos de potencia más eficientes.

c) Presenta mayor rendimiento del campo solar debido a que la temperatura media de operación de los colectores es ligeramente inferior a la de los sistemas con aceite y además se suprime el salto de temperatura necesario en el intercambiador aceite/agua.

d) Se reducen los costes de inversión del tren de intercambio, tanque de expansión y otros sistemas relacionados con la utilización del aceite.

e) Se reducen los autoconsumos.

f) Se evitan problemas de congelación de aceite en invierno puesto que el aceite térmico presenta una temperatura de congelación de 12ºC.

En el caso de las plantas de GDV el vapor producido en el campo solar -en condiciones de presión en el rango 60 a 100 bar y de temperatura en el rango de 400ºC a 525ºC- alimenta directamente la turbina sin necesidad de intercambiador. En este tipo de plantas, el campo solar se divide en dos partes. Una parte (del orden del 80% del campo) se utiliza para generar vapor saturado a temperaturas del orden de 300ºC y el resto del campo (del orden del 20% restante) se utiliza para sobrecalentar. Además, la temperatura de entrada del agua al campo solar se reduce al orden de los 240ºC.

La temperatura promedio de trabajo para las plantas de GDV es pues, inferior al caso del aceite sintético. Ello limita las pérdidas radiantes y abre la puerta al uso de colectores con receptores sin vacío o con otro tipo de receptores que permitan minimizar las pérdidas por convección al menos para las zonas del campo solar que trabajen a menor temperatura.

Desde el punto de vista óptico, en el caso del colector cilindro parabólico actual todos los rayos que llegan a la parábola dentro del ángulo de incidencia de diseño, son reflejados al tubo absorbedor. La eficiencia de colección de este concentrador, definida como la fracción de potencia incidente dentro del ángulo de aceptancia del primario, que alcanza el tubo absorbedor es del 100%. Es posible comprobar que la concentración del colector cilindro parabólico actual ronda los 26 soles mientras que el segundo principio de la termodinámica...

 


Reivindicaciones:

1. Colector solar con receptor multitubular caracterizado porque es de tipo paramétrico y cuenta con un reflector primario formado por dos curvas paramétricas, simétricas y continuas, un reconcentrador secundario y un receptor por el que circula el fluido caloportador, estando tanto el reflector primario como el reconcentrador secundario diseñados ópticamente siguiendo el método "The Simultaneous Multiple Surface (SMS)" de Miñano, Benítez, et al. y donde el receptor (1) comprende varios tubos metálicos de sección circular (7) colocados uno al lado de otro, paralelos y unidos entre ellos, apoyados todos en el mismo plano horizontal sobre una base aislante térmica (9).

2. Colector solar con receptor multitubular según reivindicación 1 caracterizado porque al plano horizontal del receptor multitubo (1'') se le añaden dos tramos inclinados en los extremos (10) formados por varios tubos paralelos (7) teniendo los dos tramos inclinados de los extremos (10) la misma inclinación respecto al plano horizontal (11).

3. Colector solar con receptor multitubular según reivindicación 1 caracterizado porque al plano horizontal del receptor multitubo (1''') se le añaden dos tramos inclinados en los extremos (10), los cuales tienen la misma inclinación respecto al plano horizontal estando los tramos inclinados de los extremos (10) formados por tan sólo un tubo (7') situándose este único tubo (7') en contacto con el tubo más extremo (7'') del tramo horizontal (11); el resto de plano inclinado, lo forma una aleta libre (12), sin tubos.

4. Colector solar con receptor multitubular según reivindicación 1 caracterizado porque al plano horizontal del receptor multitubo (1iv) se le añaden dos tramos inclinados en los extremos (10), los cuales tienen la misma inclinación respecto al plano horizontal, estando los tramos inclinados de los extremos (10) por tan sólo un tubo (7'), situado en el punto medio de cada tramo inclinado (10); el resto de plano inclinado, a ambos lados del tubo (7'), lo forman dos aletas libres (12), sin tubos.

5. Colector solar con receptor multitubular según reivindicación 1 caracterizado porque se le añaden unas tapas transparentes (16) inclinadas y partiendo de la base aislante (9) las cuales minimizan las pérdidas convectivas.

6. Colector solar con receptor multitubular según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (7) se unen entre ellos por soldadura.

7. Colector solar con receptor multitubular según reivindicación 6 caracterizado porque a los tubos (7) se les añade una pequeña aleta (14) entre ellos.

8. Colector solar con receptor multitubular según reivindicación 1 caracterizado porque los tubos (7) se unen entre ellos con abrazaderas (15).

9. Planta termosolar que contiene colectores solares con receptores multitubulares como los descritos en reivindicaciones anteriores, cuyo fluido y rango de temperaturas de trabajo no produzcan cambio de fase, caracterizada porque se diseña siguiendo un circuito con diversos colectores conectados en serie y combina los colectores solares paramétricos con receptor multitubo (1) con una serie de colectores cilindro-parabólicos o paramétricos con receptor tubular con vacío (2).

10. Planta termosolar que contiene colectores solares con receptores multitubulares, según reivindicación 9, cuyo fluido y rango de temperaturas de trabajo no produzcan cambio de fase, caracterizada porque el fluido que circula es CO2.

11. Planta termosolar que contiene colectores solares con receptores multitubulares como los descritos en reivindicaciones anteriores, para generación directa de vapor caracterizada porque la planta se diseña dividiendo el campo solar (17) en dos partes: una zona del campo solar (18) se dedica a la generación de vapor saturado con colectores paramétricos con receptor multitubo (1) y otra zona del campo solar (19) se dedica a la generación de vapor sobrecalentado, con colectores con receptor tubular cilindro-parabólicos o paramétricos con receptores tubulares de vacío (2).

12. Planta termosolar que contiene colectores solares con receptores multitubulares según reivindicación 11, cuyo fluido y rango de temperaturas de trabajo produzcan cambio de fase, caracterizada porque el fluido que circula es agua.

13. Método de operación de la planta termosolar descrita en la reivindicación 9 caracterizado porque se introduce fluido a baja temperatura en el primer colector del tipo paramétrico con receptor multitubo (1) y se va calentando al pasar de un colector (1) al siguiente hasta alcanzar una temperatura por encima de 300ºC; tras alcanzar esta temperatura comienza a circular el fluido por una serie de colectores cilindro-parabólicos o paramétricos con receptor tubular de vacío (2) obteniéndose a la salida de estos colectores (2) el fluido a una temperatura (4) por encima de 500ºC.

14. Método de operación de la planta termosolar descrita en la reivindicación 11 caracterizada porque los colectores que trabajan en el campo de saturado (18) a bajas temperaturas son alimentados con el agua de alimentación del circuito (3) a baja temperatura, a medida que circula por los colectores el agua se va calentando y va pasando de un colector (1) al siguiente hasta alcanzar la temperatura de saturación del vapor del orden de 300ºC, a continuación se envía el vapor saturado a los colectores del campo de sobrecalentado (19) y a la salida de estos colectores, se obtiene vapor sobrecalentado a una temperatura (4), por encima de 500ºC, ese vapor se envía directamente a una turbina para producir electricidad.


 

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