BRPI1011496B1

BRPI1011496B1 - Ciclo apenas de vapor de fluido de transferência de calor para o armazenador térmico de energia solar

Info

Publication number: BRPI1011496B1
Application number: BRPI1011496-3A
Authority: BR
Inventors: Joseph Sydney Coventry
Original assignee: Sunrise Csp Pty Limited
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2020-08-18
Also published as: ES2775999T3; AU2010268769A1; BRPI1011496A2; ZA201200556B; EP2470837B1; US9347713B2; CN102483263A; IL217266A0; MA33461B1; MX2012000007A; MX354673B; CN102483263B; CY1122814T1; AU2010268769B2; EP2470837A4; US20120103321A1; WO2011000045A1; EP2470837A1; IL217266A; PT2470837T

Abstract

ciclo apenas de vapor de fluido de transferência de calor para o armazenador térmico de energia solar fluido de transferência de calor em estado apenas de vapor é circulado através de coletor(es) solar(es) (12) e um meio de armazenamento de calor sensível (14) para transferir calor do coletor(es) solar(es) (12) para o meio de armazenamento de calor sensível (14). o fluido de transferência de calor é um liquido em temperatura ambiente, mas substancialmente no estado de vapor por todo o ciclo completo quando em operação.

Description

Campo da Invenção

Esta invenção refere-se a estações de energia solar e, mais particularmente, a estações de energia solar que usam água como o fluido de transferência de calor em combinação com um meio de armazenamento de calor sensível.

Fundamento

Estações de energia solar que usam um meio de armazenamento de calor sensível, tipicamente um sal fundido, foram propostas para armazenar energia solar capturada. O meio de armazenamento de calor sensível pode então ser usado para geração de vapor com objetivo de acionar sistemas de gerador de turbina a vapor convencionais.

É vantajoso armazenar energia a temperaturas mais altas porque isto minimiza a massa do meio de armazenamento para um meio de armazenamento de energia sensível, e permite recuperação de energia do armazenador a temperatura mais alta, o que leva a eficiências de conversão mais altas no ciclo de geração de energia.

A energia é transferida do coletor solar para o meio de armazenamento de energia sensível por um fluido de transferência de calor. Foram propostos óleos sintéticos como um fluido de transferência de calor, mais estes são tipicamente estáveis apenas a cerca de 400° C, limitando a temperatura mais elevada do meio de armazenamento de calor sensível. O óleo é tipicamente usado como o meio de transferência de calor para plantas solares de calha, incluindo plantas com armazenador térmico de sal fundido, no entanto, as calhas solares são limitadas quanto à temperatura mais elevada que elas podem operar com eficiência aceitável, pois elas acompanham o sol em um eixo simples e, portanto, têm uma relação de concentração solar mais baixa que coletores solares de acompanhamento de dois eixos, tais como pratos. O uso de óleo para uma planta solar de calha não restringe a temperatura mais elevada a que elas poderiam de outro modo operar, ou seja, de 450°C a cerca de 400°C.

As tecnologias de prato e torre têm a capacidade de alcançar temperaturas ainda mais altas, além de 600° C, o que tem as vantagens previamente mencionadas de minimizar a massa do meio de armazenamento e facilitar deficiências de conversão mais altas no ciclo de geração de energia. Infelizmente não existe fluido que permaneça em estado líquido a tanto nesse tipo de alta temperatura quanto a temperatura ambiente (com a exceção de liga de Sódio-Potássio (NaK) que é considerada perigosa demais para uma rede de encanamento solar, pois ela é altamente reativa com água, e pode explodir quando em contato com água ou ar).

Tipicamente, as tecnologias de torre solar, que têm um receptor solar fixo, aquecem diretamente sal fundido no ponto focal que está localizado em estreita proximidade aos vasos de armazenamento. A reticulação do sal, que atua tanto como o meio de armazenamento de energia quanto fluido de transferência de calor, é relativamente simples, e drenagem de retorno por gravidade garante que o sal seja esvaziado da tubulação durante a noite ou períodos nublados prolongados e, consequentemente, não pode congelar nos encanamentos ou receptor. Para tecnologias de prato solar, a solução de aquecimento direto é problemática, pois cada prato tem seu próprio ponto focal, e pratos podem ser distribuídos ao longo de uma área muito grande. O esvaziamento dos encanamentos pode ser impraticável ou inviável. As misturas de sal usadas para o armazenamento térmico são sólidas em temperaturas ambiente, daí que um campo solar distribuído usando sal como o fluido de transferência de calor e o meio de armazenagem seria requerido que fosse aquecido todo o tempo, dia e noite. Qualquer falha no sistema de aquecimento resultaria em congelamento de sal na rede de tubulação.

A água pode ser usada como um fluido de transferência de calor. Ao usar água como o fluido de transferência de calor sobre uma alta faixa de temperatura, existe tipicamente uma mudança de fase a pressões de trabalho práticas. À medida que a água é resfriada e muda de fase de vapor supera aquecido para água líquida existe um problema bem conhecido "ponto de estrangulamento" com a transferência de energia de vapor para um meio de armazenamento de calor sensível. Este problema "ponto de estrangulamento" limita significantemente a temperatura superior do armazenador de calor quando vapor de alta temperatura está disponível.

Para que calor seja transferido da água (seja vapor ou líquido) para o meio de armazenamento, a água precisa estar a uma temperatura mais alta que o meio de armazenamento em todos os pontos ao longo do trocador de calor. Ao condensar vapor para líquido, a temperatura permanece a mesma (a pressão constante) entre vapor a 100% e líquido a 100%. Isto causa um ponto de estrangulamento no ponto de vapor a 100% que limita a temperatura máxima que pode ser atingida no meio de armazenamento. O problema de ponto de estrangulamento está ilustrado em um diagrama de temperatura-entalpia na figura 1, que mostra a entalpia de água 2 a 165 bares de 300° C a 600° Cea entalpia de um meio de armazenamento de calor sensível 4 aquecido pela água. Apesar da alta temperatura de vapor de entrada neste exemplo, uma temperatura máxima do meio de armazenamento está limitada pela 'fixação' a cerca de 380° C.

Foi proposto separar o fluxo de vapor em três seções: líquido puro, 2 fases de líquido e vapor e vapor puro. Nesse método, três meios de armazenamento de calor separados são necessários. Existe armazenador de calor sensível tanto para fase líquida quanto de vapor, e um material de mudança de fase (tal como um sal apropriado) para a região de duas fases. Embora isto evite o problema de ponto de estrangulamento, isso resultaria em um sistema de armazenamento de energia relativamente complexo.

As plantas de energia solar que usam pratos solares convertem luz solar em eletricidade em quase duas vezes a eficiência de outras tecnologias (torre ou calha) devido à combinação de capacidade de alta temperatura e alta eficiência ótica. No entanto, a geração de energia com pratos solares quando combinada com armazenamento de sal fundido é problemática ao usar fluidos de transferências de calor na forma convencional pelas razões acima mencionadas.

Sumário da Invenção

A presente invenção provê uma fonte de energia, tal como uma estação de energia solar que circula fluido de transferência de calor, preferencialmente água, apenas em estado de vapor ao transferir energia para um armazenador de calor sensível. O ciclo de água totalmente no estado de vapor (superaquecido) evita o problema de ponto de estrangulamento, e os problemas associados com outros tipos de fluido de alta estabilidade de temperatura e fases sólidas em temperatura ambiente, como previamente descrito.

Na forma preferida da invenção é provido armazenador de calor sensível para armazenamento de calor. O armazenador de calor sensível utiliza preferencialmente um meio de armazenamento de calor sensível simples, tipicamente uma mistura de um ou mais compostos. No entanto, encontra-se dentro do escopo da invenção o uso de dois ou mais diferentes meios, cada um dos quais compreende uma parte descontínua separada do armazenador de calor sensível e que pode trocar calor com o fluido de transferência de calor através de subsistemas de troca de calor separados. Por exemplo, meios de armazenamento de calor sensível de temperatura "alta" e "baixa” podem ser usados para estender a faixa de temperatura do fluido de transferência de calor entre entrar e deixar o sistema de troca de calor. Diferentes meios podem ser de diferentes compostos, diferentes misturas de compostos ou misturas de diferentes compostos. Como usado na descrição e reivindicações, o termo “armazenador de calor sensível” deve ser interpretado de uma maneira não limitativa, e pode incluir um ou mais meios de armazenamento de calor sensível.

Ao transferir calor dos coletores solares da estação energia para o armazenador de calor sensível, vapor superaquecido a uma alta temperatura entra no sistema de trocador de calor, e vapor temperatura mais baixa que está acima, em ou abaixo, mas próximo à curva de saturação, sai do mecanismo do trocador de calor para retornar aos coletores solares.

A invenção também provê uma estação de energia solar tendo: - um armazenador de calor sensível; - pelo menos um coletor solar; - um fluido de transferência de calor que é um líquido em temperatura ambiente: - um trocador de calor para transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível, - a estação tendo um primeiro modo de operação, em que calor é transferido do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível e fluido de transferência de calor substancialmente no estado de vapor é retornado para dito pelo menos um coletor solar.

Preferencialmente, a estação de energia inclui meios para limitar, impedir ou interromper troca de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível quando a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor em uma primeira posição estão abaixo de um primeiro conjunto de valores limiares.

A primeira posição é preferencialmente a jusante de dito pelo menos um coletor solar.

A transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível pode ser limitada, impedida ou interrompida mediante interrupção de fluxo de um ou ambos entre o fluido de transferência de calor e o(s) meio(s) de armazenamento de calor sensível (quando um fluido) através de um sistema de trocador de calor.

Quando um ou mais meios de armazenamento de calor sensível fluido são bombeados através de um sistema de trocador de calor, isto pode ser alcançado interrompendo bombeamento do meio(s) de armazenamento de calor sensível fluido. O fluido de transferência de calor pode continuar a passar através do trocador de calor ou pode ser levado a desviar-se do trocador de calor.

Preferencialmente o fluido de transferência de calor é superaquecido ainda imediatamente após troca de calor com o armazenador de calor sensível. No entanto, o fluido de transferência de calor pode ser resfriado para a curva de saturação ou logo abaixo, mas próximo à curva de saturação. Quando a transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível está ocorrendo, preferencialmente o fluido de transferência de calor permanece substancialmente no estado de vapor por todo o ciclo.

Mais preferencialmente, o fluido de transferência de calor permanece superaquecido entre deixar o trocador de calor e retornar ao pelo menos um coletor solar. Um ou mais compressores circulam preferencialmente o vapor quando no primeiro modo operacional. A estação de energia solar tem preferencialmente meio de aquecimento que aquece seletivamente o fluido de transferência de calor quando o fluido de transferência de calor está abaixo do primeiro conjunto de valores limiares. O meio de aquecimento pode ser um ou mais coletores solares que aquecem o fluido de transferência de calor para acima do primeiro conjunto de valores limiares. Durante o estágio de aquecimento, preferencialmente não ocorre transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível.

Preferencialmente o meio para impedir troca de calor inclui meio de circulação para retornar o fluido de transferência de calor para a entrada de pelo menos um coletor solar quando o fluido de transferência de calor está abaixo do primeiro conjunto de valores limia-res.

Preferencialmente a estação de energia inclui um subsistema de bomba que é ope- rável para bombear fluido de transferência de calor vapor ou líquido através de dito pelo menos um coletor solar.

Preferencialmente o subsistema de bomba inclui um dispositivo para separar uma mistura das fases líquida e de vapor, comumente referido como um separador de vapor quando usado com água. Como usado neste relatório, o termo “separador de vapor” não deve ser tomado como requerendo uso de água como o fluido de transferência de calor.

Preferencialmente o subsistema de bomba é operável para bombear fluido de transferência de calor vaporoso através de pelo menos um coletor solar quando condições de temperatura e pressão estão acima de um segundo conjunto de valores limiares, e fluido de transferência de calor líquido quando condições de temperatura e pressão estão abaixo do segundo conjunto de valores limiares.

Na forma preferida da invenção é usada água como um fluido de transferência de calor, e o subsistema de bomba inclui um separador de vapor, um compressor de vapor e uma bomba de líquido. Acima do primeiro conjunto de valores limiares superaquecidos, vapor é circulado dos coletores solares para um meio de armazenamento de calor sensível pelo compressor. Entre o primeiro e um segundo conjunto de valores limiares o fluido de transferência de calor é aquecido, preferencialmente pelo compressor que circula vapor a- través de pelo menos um coletor solar e de volta para o separador de vapor, mas não ocorre transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível. Na forma preferida isto é atingido simplesmente interrompendo bombeamento do meio de armazenamento de calor sensível através do sistema de trocador de calor, e o fluido de transferência de calor passa de dito pelo menos um coletor solar, através do sistema de trocador de calor e, em seguida, de volta para o(s) coletor(es) solar, preferencialmente por meio do separador de vapor. O sistema pode fazer com que o fluido de transferência de calor se desvie do sistema de trocador de calor.

Abaixo do segundo conjunto de valores limiares o fluido de transferência de calor é aquecido, preferencialmente pela bomba de líquido que bombeia água líquida para pelo menos um coletor solar, e de volta para o separador de vapor, mas não ocorre transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível. Na forma preferida isto é atingido meramente parando de bombear para o armazenador de calor sensível através do trocador de calor, e o fluido de transferência de calor passa de dito pelo menos um coletor solar, através do sistema de trocador de calor e, em seguida, para o separador de vapor. O sistema pode fazer o fluido de transferência de calor se desviar do sistema de trocador de calor. Para impedir fluxo de duas fases através dos coletores, Preferen-cialmente apenas um entre o compressor e a bomba é usado a cada vez e preferencialmen-te ambos não são usados simultaneamente.

O sistema pode ser configurado para se desviar do separador de vapor durante o- peração normal.

Em sistemas que fazem o fluido de transferência de calor se desviar do sistema de trocador de calor, o separador de vapor preferencialmente tem uma primeira entrada que recebe fluido de transferência de calor desviado, e uma segunda entrada que recebe fluido de transferência de calor que foi resfriado por transferência de calor para o armazenador de calor sensível. Em sistemas sem um modo de derivação, uma entrada simples é suficiente.

Dito pelo menos um coletor solar pode compreender um subconjunto de uma pluralidade de coletores solares.

Quando o fluido de transferência de calor está abaixo de um ou ambos os primeiro e segundo conjuntos de valores limiares, ele não precisa ser circulado através de todos os coletores solares.

A invenção também provê um método de operação de uma estação de energia solar tendo um armazenador de calor sensível seletivamente aquecido por um fluido de transferência de calor aquecido por pelo menos um coletor solar, o método incluindo: - determinar a temperatura e pressão de fluido de transferência de calor em uma primeira posição, e se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor estão: 1. ) acima de um primeiro conjunto de valores limiares, fazendo o fluido de transferência de calor aquecer o armazenador de calor sensível, ou 2. ) abaixo do primeiro conjunto de valores limiares, aquecendo o fluido de transferência de calor enquanto impede transferência de calor para o armazenador de calor sensível.

Preferencialmente a primeira posição está a jusante de dito pelo menos um coletor solar, ou seja, após aquecimento.

Preferencialmente o primeiro conjunto de valores limiares é selecionado de modo que o fluido de transferência de calor seja um vapor tanto antes como após transferência de calor para o armazenador de calor sensível.

A(s) etapa (a) pode incluir prover ou abrir uma via de escoamento entre a saída do coletor solar e um sistema de trocador de calor.

Preferencialmente a etapa (b) inclui aquecer o fluido de transferência de calor passando o fluido de transferência de calor através de pelo menos um coletor solar.

Quando é usado meio de armazenamento de calor sensível fluido, que é bombeado através do sistema de trocador de calor, a etapa (b) pode incluir parar de bombear meio de armazenamento de calor sensível fluido através do sistema de trocador de calor. O fluido de transferência de calor pode continuar a passar através do sistema de trocador de calor.

A etapa (b) pode incluir remover ou fechar uma via de escoamento entre o coletor solar e um sistema de trocador de calor. A etapa (b) pode incluir também prover ou abrir uma via de escoamento entre a saída do coletor solar e um subsistema de bombeamento que bombeia fluido de transferência de calor ao dito pelo menos um coletor solar de modo a se desviar do sistema de trocador de calor.

Quando abaixo do primeiro limiar, o método inclui também determinar a temperatura e pressão de fluido de transferência de calor em um segundo local e: 3. ) se a temperatura e pressão de fluido de transferência de calor está acima de um segundo conjunto de valores limiares, fazer o fluido de transferência de calor em forma substancialmente apenas de vapor ser fornecido a dito pelo menos um coletor solar, e 4. ) se a temperatura e pressão de fluido de transferência de calor estão abaixo do segundo conjunto de valores limiares, mas acima de um terceiro conjunto de valores limiares, fazer o fluido de transferência de calor em forma líquida ser fornecido a dito pelo menos um coletor solar.

Preferencialmente o fluido de transferência de calor em apenas em forma substancialmente de vapor ou apenas em forma substancialmente líquida é fornecido a dito pelo menos um coletor solar. Assim, preferencialmente a etapa (d) resulta em fornecimento de fluido de transferência de calor apenas substancialmente líquido.

As primeira e segunda posições podem ser as mesmas ou diferentes.

O método também inclui não fornecer o fluido de transferência de calor a dito pelo menos um coletor solar se a temperatura e pressão de fluido de transferência de calor estão abaixo do terceiro limiar.

Outros parâmetros podem ser usados para determinar o modo de operação, tal como hora do dia e intensidade de radiação solarem uma ou mais posições.

O método preferencialmente inclui prover um separador de vapor, e a etapa (c) inclui conduzir vapor do separador de vapor, e etapa (d) inclui conduzir líquido do separador de vapor.

A quantidade de fluido de transferência de calor sendo circulado é preferencialmente ajustada para manter o fluido de transferência de calor acima de certos valores limiares, dependendo da quantidade de energia de admissão (ou seja, radiação solar) disponível.

A menos que o contexto claramente requeira do contrário, por toda a descrição e reivindicações, as palavras ‘compreender’, 'compreendendo’, e similares devem ser entendidas em um sentido inclusivo, em oposição a um sentido exclusivo ou exaustivo; isto quer dizer, no sentido de “incluindo, mas não limitado a”.

Breve Descrição dos Desenhos

A fig. 1 é um diagrama de temperatura-entalpia de água e um meio de armazenamento de calor sensível ao resfriar vapor superaquecido para água líquida.

A fig. 2 é um diagrama de temperatura-entalpia de fluido de transferência de calor e meio de armazenamento de calor sensível da estação de energia solar de acordo com um exemplo da invenção.

A fig. 3 é um esquema de uma estação de energia solar de acordo com um primeiro exemplo da invenção.

A fig. 4 é um esquema de uma estação de energia solar de acordo com um segundo exemplo da invenção.

Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas e Outras

Referindo-se às figs. 2 e 3, é mostrada uma estação de energia solar 10 de acordo com um primeiro exemplo da invenção. O sistema solar 10 tem um ou mais coletores solares, agrupamentos de coletor solar ou campo (s) de coletor solar, esquematicamente representados pelo coletor solar 12. Embora o coletor solar 12 mostrado seja um coletor tipo prato parabólico, a invenção não está limitada a estes coletores. O sistema de coleta pode utilizar coletores tipo calha, pode ser um campo de coletor tipo torre, em que múltiplos espelhos focam a luz solar em um ponto de coleta comum, ou qualquer outro sistema de coleta adequado. A natureza exata do sistema de coletor solar não é crítico para a invenção.

A estação de energia solar utiliza água (H2O) como um fluido de transferência de calor para transferir calor coletado da luz solar pelos coletores 12 para um armazenador de calor sensível, geralmente indicado pelo número de referência 13. O armazenador de calor sensível 13 utiliza um meio de armazenamento de calor sensível 14. O meio de armazenamento de calor 14 armazena calor e é usado para fornecer calor sob demanda.

Na forma preferida da invenção o armazenador de calor sensível 13 tem pelo menos um par de tanques 16, 18 para armazenagem do meio de armazenamento de calor sensível 14, que é preferencialmente um fluido, preferencialmente um líquido, na faixa de temperaturas operacionais. Os tanques 16, 18 são tanques “quente” e “frio”, mas isto é relativo. Um tanque simples, com um termóclino, poderia ser usado. Materiais sólidos podem ser usados como um meio de armazenamento de calor, mas não são preferidos. O sistema usa apenas um tipo de meio de armazenamento de calor, e não existe necessidade de dois ou mais tipos diferentes (tais como meio de armazenamento de calor latente, bem como meio de armazenamento de calor sensível), mas o uso de diferentes tipos de meio de armazena-mento de calor sensível não é excluído.

No modo de realização preferido, o calor armazenado no armazenador de calor 13 é usado para gerar vapor para um sistema de gerador elétrico. Desse modo, o sistema 10 inclui um ou mais blocos de energia convencionais 6, cada um dos quais inclui pelo menos um conjunto de gerador por turbina a vapor. O vapor é gerado para os blocos de energia 6 trocando calor com o meio de armazenamento de calor sensível 14. Líquido quente é bombeado do tanque ‘quente’ 16 para o tanque 'frio' 18 por meio de um sistema de troca de ca- lor 8, onde água é aquecida para vapor. O sistema de troca de calor 8 pode incluir um ou mais trocadores de calor separados.

O sistema não está limitado a geração elétrica, e pode ser usado para outras aplicações que requeiram uma fonte de calor.

As misturas de sais são preferidas para armazenamento de energia sensível em combinação, pois elas são líquidas dentro da faixa de temperaturas de trabalho acima de temperatura ambiente, o que permite tanto boa transferência de calor para água como geração de vapor a temperaturas e pressões adequadas, para atingimento de altas eficiências de conversão de energia térmica a elétrica. Além disso, misturas de sal são densas, têm baixa reatividade química e têm baixa pressão de vapor e custo relativamente baixo.

A mistura de sal mais comum para armazenamento de energia é uma mistura de sal nitrato de 60% por peso de nitrato de sódio, e 40% por peso de nitrato de potássio. Este sai pode ser usado sobre uma faixa de temperatura de aproximadamente 260°C a 620°C. Outros sais também são viáveis para armazenamento de energia, tais como os sais nitritos e sais carbonatos, e têm limites de temperatura operacional superior e inferior diferentes.

Durante operação normal, em condições que provêm saída acima de valor limiar proveniente dos coletores 12, água na forma de vapor superaquecido deixa os coletores 12 e entra no sistema de troca de calor 20 indicado pelo número de referência 22. O sistema de troca de calor 20 pode incluir um ou mais trocadores de calor separados O calor é transferido para o meio de armazenamento de calor 14 e bombeado através do sistema de troca de calor 20 do tanque frio 18 para o tanque quente 16 pela bomba 60. A água permanece preferencialmente como vapor “seco” através do sistema de troca de calor 20 e sai em número de referência 24 a uma temperatura acima da temperatura de saturação para a pressão no sistema. Por exemplo, a uma pressão absoluta de 165 bares, a temperatura de saturação é de cerca de 350°C. Usando apenas o estado de vapor, vapor superaquecido que entra no trocador de calor a cerca de 600°C pode ser resfriado a cerca de 370°C (provendo alguma tolerância para variabilidade), enquanto aquece o meio de armazenamento de calor sensível de cerca de 290°C a cerca de 590°C, dando uma diferença de temperatura entre os tanques frio e quente de cerca de 300°C.

Ao contrário, referindo-se à fig. 1, usar água a 165 bares que é aquecida a 600°C e em seguida condensada a água líquida, permite apenas que um armazenador de calor sensível simples seja aquecido a cerca de 380°C. Neste tipo de sistema, a temperatura mais baixa do meio de armazenamento de calor é de cerca de 290°C, dando uma diferença de temperatura entre tanques quente e frio de menos de 100°C.

Embora um sistema que mantenha o fluido de transferência de calor em um estado superaquecido seja possível em um estado de equilíbrio ou estado próximo a de equilíbrio, a energia solar é uma fonte de energia intermitente, e um sistema desenhado para usar vapor superaquecido também precisa ser projetado para lidar com condições onde não é possível geração de vapor superaquecido. Por exemplo, no inicio do dia, o sistema pode estar a temperatura ambiente. Similarmente, condições solares transitórias, devido a presença de nuvens, significarão que condições de ‘projeto’ para o vapor superaquecido não podem sempre ser atendidas.

Em um sistema que tem um compressor simples para bombeamento de vapor superaquecido, se a água não puder ser mantida acima da temperatura de saturação, o vapor começa a se condensar. Isto, por sua vez, reduz a pressão. Alimentar vapor molhado a um compressor pode causar avaria. Além disso, a baixas temperaturas quando substancialmente toda a água no sistema é líquida, a pressão de vapor é muito baixa.

Além disso, em um estado “morno" intermediário, quando o sistema está na temperatura de saturação da água, podem ocorrer condições de duas fases dentro da tubulação de trabalho. As condições de duas fases não são desejáveis no compressor nem desejáveis na reticulação de fluido de transferência de calor para os coletores. É melhor ter ou fluxo de vapor ou fluxo de líquido em uma tubulação, mas não ambos, vapor e líquido.

A presente invenção provê um modo de “aquecimento”, preferencialmente um modo de aquecimento de dois estágios, que é ativado sempre que temperaturas de condição de projeto (e pressões) não são possíveis. No modo de “aquecimento" o calor coletado pelos coletores solares não é transferido para o meio de armazenamento de calor sensível, mas é usado para manter e preferencialmente aumentar a entalpia do fluido de transferência de calor. Isto é atingido provendo um subsistema de bombeamento 30 que bombeia preferencialmente água ou vapor, conforme as condições requeiram, através dos coletores solares, mas não transferem o calor coletado para o meio de armazenamento de calor sensível.

No exemplo da fig. 3 isto é atingido simplesmente desligando a bomba 60, de modo que fluido de transferência de calor passando através do sistema de troca de calor 20 não pode transferir qualquer quantidade significativa de calor para o meio de armazenamento de calor sensível. Apreciar-se-á que qualquer meio de armazenamento de calor sensível remanescente no sistema de troca de calor 20 pode ser aquecido, mas isto é insignificante. É claro que com um sistema de troca de calor de anti-retorno 20 não haverá meio de armazenamento de calor sensível remanescente no sistema de troca de calor 20. O fluido de transferência de calor passa através do sistema de troca de calor 20 e entra no subsistema de bombeamento 30 através de uma entrada 32.

O subsistema de bombeamento 30 inclui um separador de vapor 50, um compressor 52, e uma bomba de líquido 54. Em um separador de vapor, vapor molhado é separado em fases de líquido e vapor. O separador de vapor 50 inclui um espaço para água líquida 56 e um espaço para vapor 57.

Durante operações normais fluido de transferência de calor proveniente do trocador de calor 20 entra no separador de vapor através da entrada 32. Se o vapor está molhado, todo líquido é separado e coletado no espaço 56, e substancialmente apenas vapor é passado para o compressor 52 através da saída de vapor 58. O separador de vapor 50 pode ser desviado através de uma linha (não mostrada), se o vapor ainda está aquecido nesse ponto. Na prática, durante operação normal, o vapor que entra no separador de vapor 50 ainda estará superaquecido. O sistema inclui um tanque de condensado 62 que é usado para modular a quantidade de fluido circulando, como discutido posteriormente. Isto permite ao fluido de transferência de calor passar através do separador de vapor acima da temperatura de saturação, sob uma faixa de diferentes níveis de entrada de energia (solar).

Assume-se que a intensidade solar se reduz um pouco devido à posição do sol ou nuvem de luz. A temperatura do vapor que deixa todos ou alguns coletores 12 cairá. Isto pode ser compensado variando-se o fluxo de massa através dos coletores solares. Similarmente, a quantidade do vapor que é resfriada à medida que ele passa através do sistema de troca de calor 20 pode ser alterada variando fluxo de massa do meio de armazenamento de calor através do sistema de troca de calor 20.

Entretanto, a um certo valor limiar, a combinação de temperatura e pressão de vapor que deixam os coletores solares pode resultar em condensação de água no trocador de calor 20. Encontra-se dentro do escopo da invenção que o fluido de transferência de calor esteja em ou pouco abaixo da curva de saturação (ou seja, parcialmente condensado) à medida que ele deixa o sistema de troca de calor 20. Isto ocorre porque em operação normal, a temperatura do meio de armazenamento de calor sensível fria entrando no sistema de trocador de calor está suficientemente abaixo das temperaturas de curva de saturação que simplesmente pode ocorrer transferência de calor sem que ocorra o problema de ponto de estrangulamento. No entanto, o sistema comuta-se para um primeiro modo de aquecimento quando a combinação de temperatura e pressão cai abaixo de um primeiro valor limiar. Neste primeiro modo de aquecimento, a bomba 60 é desligada, e vapor passa para a entrada do separador de vapor 34 substancialmente não resfriado. Com temperaturas e pressões mais baixa, algum vapor pode condensar para alcançar equilíbrio. Qualquer líquido no vapor é separado e se acumula no reservatório 56. O compressor 52 continua a funcionar e a bomba de liquido 54 fica inativa Vapor continua a circular através dos coletores solares 12.

Assume-se que uma nuvem tenha passado apenas sobre parte do campo de coletor. Os coletores ainda coletarão alguma energia, e a temperatura de vapor e pressão permanecerão suficientemente altas para permitir circulação de vapor contínua. Uma vez que a nuvem tenha passado, a energia coletada aumentará. A temperatura do vapor que deixa os coletores 12 aumenta. À medida que a energia no sistema aumenta, mais líquido no reservatório irá converter-se a vapor.

O vapor continua a passar através do sistema de trocador de calor 20 não resfriado até que a temperatura e pressão do vapor que deixa os coletores solares 12 alcance uma valor limiar, em cujo ponto a bomba 60 é reiniciada e recomeça operação “normal”.

Se a temperatura e pressão do vapor que deixa os coletores solares 12 estão abaixo de um segundo valor limiar, o sistema funciona em um segundo modo de aquecimento. Este modo é tipicamente no início do dia, quando existe alguma energia solar a ser coletada, mas não o bastante para permitir aquecimento do meio de armazenamento de calor sensível ou para fornecer vapor aos coletores solares. Entretanto, este modo pode ocorrer durante o dia, se passar nuvem pesada sobre o campo, e a temperatura cair abaixo do segundo valor limiar. Neste segundo modo de aquecimento, a bomba 60 é desligada, de modo que não existe transferência de calor do fluido de transferência de calor para o meio de armazenamento de calor sensível. O compressor 50 é preferencialmente desligado, e a bomba de líquido 54 opera para bombear água liquida do separador de vapor por meio da saída 61 para os coletores solares 12. Podem existir circunstâncias onde tanto o compressor 50 como a bomba 54 operam (por um curto período de tempo) durante transição entre os dois modos.

O tanque de condensado 62 é usado para modular a quantidade de fluido de transferência de calor circulando para manter o sistema dentro de parâmetros operacionais e possibilitar operação inicial.

À medida que a entrada de energia varia, a quantidade de circulação de fluido pode ser ajustada adicionando ou removendo fluido do separador de vapor 50.

No início, uma massa maior de fluido é requerida para preencher o volume dos encanamentos para um ou mais pratos de modo a possibilitar bombeamento do fluido. Líquido adicional pode ser bombeado do tanque de condensado.

À medida que energia é adicionada, mais do fluido de transferência de calor se e- vapora e assim a pressão no sistema aumenta. Uma vez que a pressão no sistema alcança um valor limiar, vapor é sangrado do separador de vapor 50 para o tanque de condensado 62, onde ele é condensado, de modo a reduzir a massa circulante. Isto continua até que todo o fluido de transferência de calor se torne vapor. A remoção de fluido de transferência de calor pode ocorrer depois que todo fluido se torna vapor à medida que a energia no sistema aumenta para limitar condições operacionais, tais como a pressão operacional. Válvulas adequadas (não mostradas) permitem que o tanque de condensado 62 seja isolado do separador de vapor.

O subsistema de bomba 30 é desligado totalmente quando não existe qualquer benefício em mantê-lo funcionando, tal como à noite ou a baixas intensidade de radiação solar. Devido a exigências de energia para bombeamento, a baixas intensidades de radiação solar, pode existir uma perda líquida de energia. O sistema pode medir intensidade de radiação solar e outros parâmetros, e usar estes para determinar a introdução ou não de bombeamento.

Água liquida é bombeada para os coletores 12 e aquecida pelos coletores. A água retorna ao separador de vapor e aquece a água líquida no reservatório 56. À medida que a temperatura do líquido aumenta, iguaimente ocorre com sua pressão de vapor. A água liquida continua a ser circulada. No começo do dia, quando o sol nasce, a intensidade de energia solar aumenta. A temperatura e pressão do sistema aumentam até que a pressão de vapor no separador fica acima de um valor limitar. Nesse valor limiar o sistema passa para o primeiro modo de aquecimento, o compressor 52 arranca e a bomba 54 para. A bomba 60 permanece desligada. O vapor é então circulado até que a temperatura de ‘projeto’ é alcançada, de modo a permitir operação normal, como descrito acima, em que transferência de calor do vapor superaquecido para o meio de armazenagem de energia de calor sensível recomeça ligando a bomba 60.

Assim, o sistema tem a simplicidade relativa de usar um composto de armazenador de calor sensível simples, embora provendo a alta temperatura de armazenamento provida por uso de múltiplos compostos de armazenador de calor.

Embora o sistema possa passar fluido de transferência de calor através de todos os coletores solares 12 de um agrupamento quando nos modos de aquecimento, isto não é essencial. Pode ser preferível que o sistema passe apenas fluido de transferência de calor através de um pequeno número dos coletores quando em ambos os modos de aquecimento.

A fig. 4 esquematicamente mostra um segundo exemplo da invenção. Partes similares utilizam os mesmos números do primeiro exemplo. Este exemplo opera com os três modos diferentes do primeiro exemplo, mas durante modos de aquecimento desvia-se do sistema de troca de calor para impedir transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível.

O subsistema de bombeamento 30 tem duas entradas 32 e 34 e uma única saída 36. A entrada 32 é conectada à saída do trocador de calor 20 enquanto que a entrada 34 é conectada por meio de uma válvula de três vias 38 (ou outra combinação adequada de válvulas) à saída de coletor solar/tubulação de entrada de trocador de calor 40. A saída 36 alimenta para a tubulação de entrada 42 dos coletores solares.

Em modo normal, a válvula 38 permite que vapor superaquecido passe dos coletores solares para o sistema de trocador de calor 20, e a entrada 34 para o subsistema de bombeamento 30 é fechada.

Nos modos de aquecimento, a válvula desvia fluido de transferência de calor saindo do coletor solar 12 para a entrada 34 do subsistema de bombeamento 30 e, assim, fluido de transferência de calor escoa através do sistema de troca de calor 20. Os mesmos valores limiares conforme descritos acima são usados para determinar se a bomba de líquido 54 ou o compressor 52 funciona. A abertura e fechamento da válvula 38 correspondem ao ligamento ou desligamento da bomba 60.

Será apreciado por aqueles que são versados na arte que muitas modificações e 5 variações óbvias podem ser feitas aos modos de realização descritos aqui sem se afastar do espirito ou escopo da invenção.

Claims

1. Estação de energia solar (10), tendo: um armazenador de calor sensível (13); pelo menos um coletor solar (12); um fluido de transferência de calor que é líquido em temperatura ambiente; um trocador de calor (20) para transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível (13), CARACTERIZADA pelo fato de que a estação de energia solar (10) inclui um primeiro subsistema de bomba (30) que inclui um separador de vapor (50), um compressor (52), e uma bomba de líquido (54), o compressor (52) sendo adaptado para circulação de fluido de transferência de calor em um estado de vapor entre o trocador de calor (20) e o pelo menos um coletor solar (12), e em que a estação (10) é adaptada para determinar a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor em uma primeira posição e se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor estiverem acima de um primeiro conjunto de valores limiares, operar a estação em um primeiro modo, no qual o fluido de transferência de calor no estado de vapor superaquecido deixa o pelo menos um coletor solar (12), o calor é transferido a partir do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível (13) e o fluido de transferência de calor substancialmente no estado de vapor é retornado para o pelo menos um coletor solar (12), e se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor estiverem abaixo do primeiro conjunto de valores limiares, operar a estação em um segundo modo no qual o fluido de transferência de calor é aquecido enquanto não transfere calor para o armazenador de calor sensível (13).

2. Estação de energia solar (10), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que no primeiro modo, a estação (10) é adaptada para operar de modo que a temperatura do fluido de transferência de calor está acima, em ou abaixo, mas próxima à curva de saturação do fluido de transferência de calor imediatamente após a troca de calor com o armazenador de calor sensível (13).

3. Estação de energia solar, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que o primeiro subsistema de bomba (50) é adaptado para fornecer o fluido de transferência de calor para o pelo menos um coletor solar (12) seja na forma liquida ou de vapor.

4. Estação de energia solar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que no segundo modo, a estação (10) é adaptada para determinar a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor em uma segunda posição e se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor na segunda posição estiverem acima de um segundo conjunto de valores limiares, a estação (10) é adaptada para fornecer fluido de transferência de calor vaporoso para pelo menos um coletor solar (12), e se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor na segunda posição estiverem abaixo do segundo conjunto de valores limiares, a estação (10) é adaptada para fornecer fluido de transferência de calor líquido para pelo menos um coletor solar (12).

5. Estação de energia solar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA por incluir: um circuito fechado interconectando o pelo menos um coletor solar e o trocador de calor; um reservatório (62) para armazenamento do fluido de transferência de calor separado do circuito, e um mecanismo de transferência para seletivamente transferir o fluido de transferência de calor entre o circuito e o reservatório (62), através da qual a estação (10) é adaptada para ajustar a massa de fluido de transferência de calor no circuito.

6. Estação de energia solar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que a estação (10) é adaptada para operar no primeiro modo para que o fluido de transferência de calor permaneça superaquecido entre deixar o trocador de calor (20) e retornar ao pelo menos um coletor solar (12).

7. Estação de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que a estação (10) é adaptada para operar no segundo modo para: a - pelo menos manter a entalpia do fluido de transferência de calor, ou b - aumentar a entalpia do fluido de transferência de calor.

8. Método de operação de uma estação de energia solar (10), CARACTERIZADO pelo fato de que tem: um armazenador de calor sensível (13); pelo menos um coletor solar (12); um fluido de transferência de calor que é líquido em temperatura ambiente; um trocador de calor (20) para transferência de calor do fluido de transferência de calor para o armazenador de calor sensível (13), e um primeiro subsistema de bomba (30) que inclui um separador de vapor (50), um compressor (52), e uma bomba de líquido (54), o compressor (52) sendo adaptado para circulação de fluido de transferência de calor em um estado de vapor entre o trocador de calor (20) e o pelo menos um coletor solar (12), o método, incluindo: determinar a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor em uma primeira posição, e: (a) se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor na primeira posição estiverem acima de um primeiro conjunto de valores limiares, operar a estação (10) em um primeiro modo, no qual o fluido de transferência de calor no estado de vapor superaquecido deixa o pelo menos um coletor solar (12), calor é transferido a partir do fluido de trans-ferência de calor para o armazenador de calor sensível (13) e fluido de transferência de calor substancial mente no estado de vapor é retornado para o pelo menos um coletor solar, e (b) se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor na primeira posição estiverem abaixo do primeiro conjunto de valores limiares, operar a estação (10) em um segundo modo, no qual o fluido de transferência de calor está aquecido enquanto não transfere calor para o armazenador de calor sensível (13).

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro conjunto de valores limiares é selecionado de modo que no primeiro modo o fluido de transferência de calor está acima, em ou abaixo, mas próximo à curva de saturação do fluido de transferência de calor imediatamente após a troca de calor com o armazenador de calor sensível (13).

10. Método, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO pelo fato de que, quando operando no segundo modo, determinar a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor em uma segunda posição, e: (c) se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor na segunda posição estiverem acima de um segundo conjunto de valores limiares, operar a estação (10) para fornecer o fluido de transferência de calor em forma substancialmente apenas de vapor ao pelo menos um coletor solar (12), e (d) se a temperatura e pressão do fluido de transferência de calor na segunda posição estiverem abaixo do segundo conjunto de valores limiares, mas acima de um terceiro conjunto de valores limiares, operar a estação (10) para fornecer o fluido de transferência de calor em forma substancialmente líquida ao pelo menos um coletor solar (12).

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, CARACTERIZADO pelo fato de que o armazenador de calor sensível (13) compreende pelo menos um meio de armazenamento de calor sensível (14) e no primeiro modo, a estação (10) está operando para passar o fluido de transferência de calor através do trocador de calor (20) e para passar um meio de armazenamento de calor sensível (14) através do trocador de calor (20).

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo modo inclui parar de passar meio de armazenamento de calor sensível (14) fluido através do trocador de calor (20).

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo modo inclui aquecer o fluido de transferência de calor pela passagem do fluido de transferência de calor através de pelo menos um 5 coletor solar (12).

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 13, CARACTERIZADO pelo fato de que a quantidade de fluido de transferência de calor sendo circulado é ajustada com entrada de energia para o fluido de transferência de calor.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 14, 10 CARACTERIZADO pelo fato de que, no primeiro modo, o fluido de transferência de calor permanece superaquecido entre deixar o trocador de calor (20) e retornar ao pelo menos um coletor solar (12).

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 15, CARACTERIZADO pelo fato de que, no segundo modo, a entalpia do fluido de transferência 15 de calor é: a - pelo menos mantida, ou b - é aumentada.