RECEPTOR PARA UNA INSTALACIÓN TERMOSOLAR E INSTALACIÓN TERMOSOLAR QUE COMPRENDE DICHO RECEPTOR.

Receptor para una instalación termosolar e instalación termosolar que comprende dicho receptor.

Proporciona un receptor solar con mayor rendimiento que un receptor central de torre. Comprende una pluralidad de tubos absorbedores (2), para absorber energía incidente desde unas guías de luz (8), adaptadas para captar radiación solar en unos focos de colectores solares (11) de concentración, dispuestos los tubos absorbedores (2) consecutivamente y en paralelo en posición adyacente respecto de una dirección transversal al eje longitudinal de los tubos absorbedores (2), que incorporan en su interior un fluido caloportador circulante, donde los ejes longitudinales están contenidos en al menos dos planos, definiéndose al menos dos filas (3, 6) de tubos absorbedores (2) dispuestas de manera alternada, y parcialmente superpuestas. Adicionalmente comprende unos recipientes (4, 5) sometidos a vacío para encerrar los tubos absorbedores (2) y reducir las pérdidas por convección.

Receptor para una instalación termosolar e instalación termosolar que comprende dicho receptor

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir dentro del campo técnico de la tecnología termosolar, en concreto, en el campo de las plantas termosolares, ya sean plantas de producción directa de vapor para ciclo Rankine, así como plantas de calentamiento de aire o gas según un ciclo Brayton, o Stirling, o incluso plantas que emplean un fluido caloportador para producir vapor en un intercambio posterior.

El objeto de la presente invención se refiere a un receptor para una instalación termosolar, así como a una instalación termosolar que comprende dicho receptor.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El principio general de la tecnología termosolar está basado 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 concentración lineal es más fácil de instalar, ya que implica un menor número de grados de libertad, pero permite un factor de concentración menor y, por 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, así como 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) .

La tecnología de receptor central de torre es una tecnología menos madura que la de los colectores cilindro parabólicos, pero con un potencial de producción y de reducción de costes muy alto. Esta tecnología lleva siendo instalada a nivel de prototipo desde los años 80. La primera planta comercial fue la PS10, que lleva operando 5 años con un comportamiento excepcional. Actualmente se están desarrollando importantes mejoras a nivel de costes y rendimientos que permitirán que esta tecnología sea extremadamente competitiva a medio plazo.

La tecnología de receptor central de torre basa su funcionamiento en el uso de una pluralidad de espejos seguidores de dos ejes o heliostatos que captan la radiación solar directa y la concentran en un receptor situado en lo alto de una torre. Por el interior de este receptor circula un fluido que es calentado y utilizado en un ciclo Brayton, Rankine o Stirling para generar electricidad. Eventualmente es posible almacenar la energía térmica para producir electricidad incluso en las horas del día en las que no hay radiación solar (por la noche o durante transitorios en días nublados) .

Los documentos de patente ES8503114, ES8506393 y WO2008012390 describen algunos ejemplos de dichas instalaciones termosolares de tipo receptor central de torre.

Las plantas de receptor central de torre presentan una serie de inconvenientes, algunos de los cuales se mencionan seguidamente:

-el elevado coste de la instalación debido a la necesidad de disponer el receptor en lo alto de la torre;

-rendimiento reducido debido a una serie de efectos ópticos y geométricos relacionados con el hecho de que los rayos solares no inciden paralelos a los ejes ópticos de los heliostatos, de manera que la eficiencia de la planta queda penalizada por el denominado efecto coseno, que se puede mitigar aumentando la altura de la torre, lo cual produce un encarecimiento de la instalación, tal como se ha comentado anteriormente;

- dificultades en proporcionar en el receptor una distribución de irradiancia sustancialmente uniforme; y

-el número de helióstatos de un campo se ve reducido porque dichos helióstatos no se pueden disponer a grandes distancias de la torre, debido a que se generan pérdidas por transmisividad atmosférica y desbordamiento del receptor, en este último caso, debido a que un helióstato muy alejado de la torre genera en el receptor una mancha demasiando amplia, con lo cual la concentración de energía disminuye sensiblemente.

Adicionalmente, en los documentos mencionados se describen receptores de torre configurados a base de tubos rellenos de un fluido caloportador que se calienta por incidencia de la luz solar.

El objeto de la presente invención consiste en salvar los inconvenientes mencionados y proporcionar receptores para plantas termosolares que proporcionen rendimiento y comportamiento mejorados.

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DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene como primer objeto un receptor para una instalación termosolar, donde dicho receptor comprende una pluralidad de tubos absorbedores que incorporan en su interior un fluido caloportador que se puede hacer circular por el interior de dichos tubos absorbedores. Los tubos absorbedores están adaptados para recibir la radiación de manera sustancialmente perpendicular a sus ejes longitudinales. Los tubos absorbedores están dispuestos según uno o varios módulos que comprenden una pluralidad de tubos absorbedores dispuestos consecutivamente en posición adyacente según una dirección transversal al eje longitudinal, donde los ejes longitudinales de los tubos absorbedores de cada módulo están contenidos en al menos dos planos, de modo que el eje longitudinal de un tubo absorbedor determinado no está contenido en el mismo plano que el eje longitudinal de los tubos absorbedores inmediatamente contiguos. Lo que se acaba de describir es equivalente a disponer los tubos absorbedores en al menos dos filas de manera alternada, y parcialmente superpuestas en dirección normal a los planos definidos por los ejes longitudinales, para asegurarse de que sustancialmente toda la radiación incidente incide sobre algún tubo absorbedor.

Los tubos absorbedores, que son preferentemente cilíndricos de sección circular, están dispuestos de manera preferente en vertical, para evitar deformaciones de flexión debido al peso propio y al peso del fluido caloportador. Asimismo, el receptor puede comprender tuberías colectoras, a las cuales están conectados todos los tubos absorbedores, ya sea en su parte superior o en su parte inferior, con el fin de recolectar el fluido caloportador calentado en todos los tubos absorbedores, para dirigir dicho fluido caloportador al intercambiador de calor, o bien directamente a una turbina.

De manera preferente, cada uno de los tubos absorbedores está fijado a cada tubo absorbedor adyacente para evitar que se separen y la radiación incidente pueda escapar entre los tubos absorbedores sin incidir en ninguno de dichos tubos absorbedores. Ejemplos de fijaciones son abrazaderas o soldadura.

Los tubos absorbedores están preferentemente fabricados en acero o en un material de conductividad y resistencia adecuadas.

Los tubos absorbedores están preferentemente encerrados en unos recipientes transparentes (preferentemente de vidrio) sometidos a vacío, para eliminar pérdidas por convección. Un vacío adecuado para los propósitos de la invención es un vacío inferior a 10 -7 torr. De acuerdo con una primera realización, al menos una pluralidad de los tubos absorbedores están alojados en al menos uno de tales recipientes. En este caso, se prefiere un número de filas de tubos absorbedores igual a dos. De acuerdo con otra realización, existe una pluralidad de tales recipientes adaptados para alojar cada uno a un tubo absorbedor. De acuerdo con dicha segunda realización, los recipientes son tubos coaxiales a los tubos absorbedores, así como el número de filas en que se disponen los tubos absorbedores, al igual que el diámetro de los tubos absorbedores y el diámetro de los recipientes están en una relación tal que se sigue asegurando que, tanto para incidencia perpendicular a la superficie del tubo como para el caso de cierta desviación angular respecto de dicha perpendicular la radiación incidente incide sobre algún tubo absorbedor, es decir, no atraviesa hacia el semiespacio opuesto respecto de los tubos absorbedores sin incidir en algún tubo absorbedor. De manera preferente, el número de filas de tubos absorbedores es tres.

De manera preferente, los tubos absorbedores están recubiertos con recubrimientos absorbentes capaces de soportar temperaturas superiores a 550 ºC. A modo de ejemplo, los tubos sometidos a vacío pueden estar recubiertos con recubrimientos absorbentes de tipo TSSS (del inglés “thickness sensitive spectrally selective coatings”) de alta absortividad (95%) y baja emisividad (8%) , mientras que los tubos no sometidos a vacío pueden estar...

1. Receptor (1) para una instalación termosolar, que comprende una pluralidad de tubos absorbedores (2) , para absorber energía incidente sobre dichos tubos absorbedores (2) proveniente de radiación solar, dispuestos según uno o varios módulos que incluyen una pluralidad de dichos tubos absorbedores (2) dispuestos consecutivamente y en paralelo en posición adyacente respecto de una dirección transversal al eje longitudinal de los tubos absorbedores (2) , que incorporan en su interior un fluido caloportador que se puede hacer circular por el interior de dichos tubos absorbedores (2) ,

donde los ejes longitudinales de los tubos absorbedores (2) de cada módulo están contenidos en al menos dos planos, de modo que el eje longitudinal de un tubo absorbedor (2) determinado no está contenido en el mismo plano que el eje longitudinal de los tubos absorbedores (2) inmediatamente contiguos, definiéndose al menos dos filas (3, 6) de tubos absorbedores (2) dispuestas de manera alternada, y parcialmente superpuestas en dirección normal a dichos planos definidos por los ejes longitudinales de los tubos absorbedores (2) , de manera que sustancialmente toda la radiación incidente incide sobre alguno de los tubos absorbedores (2) , caracterizado porque los tubos absorbedores (2) están incluidos en recipientes (4, 5) transparentes sometidos a vacío.

2. Receptor (1) para una instalación termosolar, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque comprende al menos un primer recipiente (4) sometido a vacío adaptado para alojar al menos una pluralidad de tubos absorbedores (2) .

3. Receptor (1) para una instalación termosolar, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque comprende dos primeras filas (3) de tubos absorbedores (2) .

4. Receptor (1) para una instalación termosolar, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque al menos un tubo absorbedor (2) está encerrado en un segundo recipiente (5) individual sometido a vacío.

5. Receptor (1) para una instalación termosolar, de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el segundo recipiente (5) es tubular, fabricado en vidrio, de sección circular, coaxial respecto de su tubo absorbedor (2) correspondiente.

6. Receptor (1) para una instalación termosolar, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque el diámetro de los tubos absorbedores (2) , las dimensiones de la sección de los recipientes (4, 5) y el número de filas (3, 6) de tubos absorbedores (2) están relacionados de tal manera que sustancialmente la totalidad de la radiación incidente incide en alguno de los tubos absorbedores (2) , no atravesando dicha radiación hacia el semiespacio opuesto respecto de los tubos absorbedores sin incidir en algún tubo absorbedor.

7. Receptor (1) para una instalación termosolar, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque el número de filas (3, 6) de tubos absorbedores (2) es tres.

8. Receptor (1) para una instalación termosolar, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque incorpora adicionalmente al menos un reflector dicroico (7) sustancialmente más transparentes al espectro solar que al espectro de emisión de los tubos absorbedores (2) , de tal manera que la radiación solar puede atravesar en mayor medida el reflector dicroico (7) e incidir sobre los tubos absorbedores (2) para calentarlos, así como la radiación emitida por los tubos absorbedores (2) puede ser en mayor medida reflejada por el reflector dicroico (7) de vuelta hacia los tubos absorbedores (2) , aumentando el rendimiento de la absorción.

9. Instalación termosolar que comprende al menos un colector solar de concentración, dotados de su correspondiente foco, para concentrar la radiación solar en dicho foco, caracterizada porque comprende adicionalmente el receptor (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Instalación termosolar de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque comprende adicionalmente sendas guías de luz (8) flexibles adaptadas para recoger por un primer extremo la radiación en cada uno de los focos y transportar dicha radiación hacia el receptor (1) , haciendo incidir dicha radiación sobre el receptor (1) .

11. Instalación termosolar de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizada porque las guías de luz (8) están adaptadas para hacer incidir la radiación sobre los tubos absorbedores (2) del receptor (1) de manera sustancialmente perpendicular a la superficie exterior de los tubos absorbedores (2) .

12. Instalación termosolar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 y 11, caracterizada porque las guías de luz (8) están adaptadas para hacer incidir la radiación sobre los tubos absorbedores (2) desde posiciones opuestas respecto de los ejes longitudinales de los tubos absorbedores (2) , para evitar esfuerzos termoelásticos en los tubos absorbedores (2) .

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13. Instalación termosolar de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizada porque las guías de luz (8) están dotadas de una apertura numérica superior a 0.48.

14. Instalación termosolar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizada porque incorpora adicionalmente lentes (14) para combinar la radiación de al menos un conjunto de guías de luz (8) en al menos una guía combinada (15) .

15. Instalación termosolar de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque el receptor (1) está adaptado para transformar en energía eléctrica la energía del fluido caloportador según al menos un ciclo seleccionado de una lista que consiste en:

- Ciclo Brayton,

-Ciclo Rankine, y

-Ciclo Stirling.

16. Instalación termosolar de acuerdo con la reivindicación 9 caracterizada porque comprende adicionalmente unos medios de almacenamiento (16) para almacenar temporalmente energía del fluido caloportador aún no transformada en electricidad.

17. Instalación termosolar de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizada porque los medios de almacenamiento (16) se seleccionan entre al menos uno de una lista que consiste en:

-tanques de aire/gas caliente, para almacenar fluido caloportador en forma de aire o gas que alimenta una turbina de gas según un ciclo Brayton o Stirling;

- tanques de vapor de agua saturado comprimido, para el caso de que el fluido caloportador de los tubos absorbedores sea agua para, transformada en vapor, alimentar una turbina de vapor según un ciclo Rankine, o para el caso de que el fluido caloportador sea una sal líquida para calentar, a través de un intercambiador, agua con el mismo fin;

- sales a alta temperatura, para el caso de que el fluido caloportador sea una sal empleada en un ciclo Rankine.

18. Instalación termosolar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 o 17, caracterizada porque al menos una parte de las guías de luz (8) están adaptadas para calentar el fluido caloportador almacenado en los medios de almacenamiento.

19. Instalación termosolar de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 o 14, caracterizada porque comprende adicionalmente una nave de receptores, para alojar el receptor (1) , donde a dicha nave llegan las guías (8, 15) , así como los receptores (1) están ubicados sustancialmente a ras de suelo en el interior de la nave.

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