ES2293820B1 - Sistema de generacion de vapor a partir de radiacion solar. - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un sistema de generación de vapor a partir de radiación solar en el que el vapor se genera en dos o más subsistemas independientes de torre central y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de vapor generados al punto de utilización. El caudal total de vapor así disponible puede emplearse en procesos industriales, servicios urbanos, plantas de generación eléctrica, plantas de cogeneración, plantas de desalación, etc.
Description
Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar.
La invención se refiere a un sistema de
generación de vapor a partir de radiación solar en el que el vapor
se genera en dos o más subsistemas independientes de torre central
y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de
vapor generados al punto de utilización. El caudal total de vapor
así disponible puede emplearse en procesos industriales, servicios
urbanos, plantas de generación eléctrica, plantas de cogeneración,
plantas de desalación, etc.
El sistema existente más desarrollado de
aprovechamiento de energía solar para generación de vapor es de
colectores distribuidos cilindroparabólicos, con fluido térmico
como transmisor de calor. Con el fluido térmico se produce vapor de
agua en un generador de vapor central que normalmente se emplea
para generar energía eléctrica en una turbina de vapor. Con este
sistema se han construido y están operativas varias plantas de
decenas de megavatios y están planificadas o en construcción varias
más. Este exitoso sistema presenta sin embargo varios
inconvenientes importantes, que dificultan su expansión comercial a
gran escala. Entre ellos destacan el bajo rendimiento medio anual
del campo de colectores (con su impacto sobre el coste del campo
por unidad de energía útil), la dificultad de integrar un
almacenamiento térmico eficaz y el riesgo ambiental asociado al
fluido térmico. En la actualidad se están tratando de soslayar los
dos últimos aspectos, mediante la incorporación de almacenamientos
de sales y la generación directa de vapor en los colectores o el
empleo de sales como vector de transmisión y almacenamiento único.
Sin embargo la generación directa de vapor, además de las
dificultades técnicas que entraña, incrementa la variabilidad de la
producción de vapor y es incompatible con los almacenamientos de
sales, requiriendo otras posibles formas de almacenamiento todavía
menos desarrolladas, como sistemas de cambio de fase. El empleo
único de sales como transmisor de calor y almacenamiento se
presenta prometedor pero constituye un reto técnico notable y puede
que nunca llegue a constituir una opción comercial viable.
Por otra parte, el aprovechamiento de energía
solar para generación de vapor mediante sistemas de torre central
está menos desarrollado, estando actualmente previstas las primeras
plantas de demostración comercial de la tecnología, para producción
de energía eléctrica a partir del vapor de agua generado: Solar
Tres (17 MWe) con receptor de sales fundidas y PS10 (11 MWe) con
receptor de vapor saturado. La primera, diseñada con un gran
almacenamiento de sales para 15 horas, dispondrá de un receptor de
120 MWth, mientras que la segunda, con un pequeño almacenamiento de
vapor para 50 minutos, dispondrá de un receptor de 50 MWth. Las
previsiones de futuro de esta tecnología de generación (según el
Departamento de Energía de EEUU) son alcanzar en el 2030 potencias
eléctricas unitarias de 200 MWe, con un receptor de 1400 MWth y un
campo de heliostatos de 2.447.000 m^{2}. Sin embargo, esta
filosofía establecida de diseño de plantas de generación eléctrica
de gran potencia con una torre central de gran altura y un gran
número de heliostatos concentrando la radiación solar en el
receptor situado sobre la torre presenta notables problemas de
escalación, que impiden alcanzar un apropiado grado de optimización
del diseño y de los resultados técnico- económicos de este tipo de
plantas de generación. Los principales problemas son la
inviabilidad técnico-económica de elevar
suficientemente la altura de la torre para mantener la relación
entre la distancia del heliostato más lejano y la altura de la
torre, los errores de apunte de los heliostatos alejados de la
torre y las pérdidas por atenuación atmosférica. Estos problemas
están además relacionados, ya que al disminuir el ángulo entre el
haz de radiación reflejada y el terreno, por ser elevada la relación
indicada, es preciso separar excesivamente las filas de heliostatos
para reducir las pérdidas por bloqueos, lo que incrementa aún más
las distancias a la torre y, por tanto, los errores de apunte y las
pérdidas por atenuación atmosférica. Todo ello perjudica al
rendimiento del campo al aumentar su tamaño por encima de cierto
punto, empeorando el factor coseno, el factor de transmisión
atmosférica y el factor de interceptación, además de implicar un
menor aprovechamiento del terreno y dificultar un diseño óptimo del
receptor. El recurso al emplazamiento de heliostatos en zonas
alrededor de la torre poco apropiadas en cuanto a factor coseno,
con campos norte de gran ángulo o campos circulares, no hace sino
substituir unos factores de pérdida de rendimiento por otros. Por
todo lo anterior, al incrementar a partir de cierto punto el tamaño
de la planta, la mejora del rendimiento del ciclo y la reducción de
los costes específicos de operación no compensan la reducción del
rendimiento del sistema de captación, impidiendo mejorar los
rendimientos globales y reducir los costes de generación.
La invención propuesta permite soslayar los
inconvenientes expuestos de los sistemas existentes, generando el
vapor en varios subsistemas independientes optimizados de torre
central y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales
de vapor generados al punto de utilización. Con esta solución se
conservan las principales ventajas de los sistemas de torre central
frente a los de colectores cilindroparabólicos (alto rendimiento
del campo de captación, ausencia de fluido térmico, buenas
posibilidades de almacenamiento térmico) sin los problemas de
deterioro del rendimiento del sistema de captación y del pobre
aprovechamiento del terreno que presentan los sistemas de torre
central al incrementar la capacidad total de generación de vapor.
Otra gran ventaja de la invención propuesta es que permite
construir, probar y optimizar un subsistema de generación de vapor
de limitado tamaño y coste y construir a partir de él sin riesgo de
desarrollo plantas de generación de vapor o electricidad de gran
capacidad, simplemente instalando el requerido número de subsistemas
de capacidad óptima.
Una planta de generación eléctrica de
media-alta capacidad, de unos 30 MWe brutos, con
múltiplo solar igual a 3 y elevada capacidad de almacenamiento,
requeriría para un rendimiento del ciclo del 37% una potencia
térmica absorbida en el receptor de unos 250 MWth. Para esta
capacidad total, un subsistema optimizado siguiendo la invención
propuesta, con una capacidad unitaria de cada receptor varias veces
inferior, podría ofrecer un rendimiento de captación medio anual,
incluyendo pérdidas de almacenamiento y de transporte en las
tuberías de agua-vapor y del receptor, de hasta el
60% aproximadamente (dependiendo de la tecnología empleada), lo que
conduciría a un rendimiento medio anual bruto de la planta (con un
rendimiento medio anual del ciclo del 36% y una disponibilidad del
95%) del 20,5%. Por contra, un sistema convencional de receptor
central de dicha capacidad en el receptor, sólo alcanzaría para las
mismas condiciones aproximadamente un 45% de rendimiento medio
anual de captación, incluyendo el receptor, con lo que tendría un
rendimiento medio anual bruto del 15,4%. Es decir, que la invención
propuesta permitiría mejorar los rendimientos de la tecnología
existente unos 5,1 puntos, requiriendo por tanto un 33% menos de
superficie de heliostatos para generar la misma energía eléctrica.
Adicionalmente, la reducción en el área de terreno ocupada sería aún
más favorable, del orden de un 40% menos, por el mejor
aprovechamiento del terreno de la invención propuesta, con una
distancia media notablemente inferior entre las filas de
heliostatos.
Esta notable mejora del rendimiento y la
consiguiente reducción del coste total de los heliostatos permite
compensar sobradamente los posibles incrementos de coste derivados
de la multiplicidad de torres, almacenamientos térmicos,
generadores de vapor y tuberías que la invención propuesta
requiere. Debe tenerse en cuenta que el coste de los heliostatos
supone del orden del 50% del coste total de la planta, mientras que
todos los equipos reseñados que se multiplican sólo suponen del
orden del 20%. Por tanto, una reducción del 33% del número de
heliostatos implicaría una reducción del 16,5% de la inversión total
de la planta, mientras que la multiplicidad de dichos equipos sólo
supondría entre el 10% y el 20% de incremento de su coste total
(teniendo en cuenta también las ventajas del diseño y fabricación
repetitivos y las mayores posibilidades de fabricación en taller),
lo que implicaría como máximo un 4% de incremento de la inversión
total de la planta. Como balance, la invención propuesta implicaría
una reducción del 12,5% en la inversión total de la planta y en los
correspondientes costes de mantenimiento. Adicionalmente se
tendrían las importantes ventajas en los costes de desarrollo
derivadas del carácter modular del sistema de captación de la
invención propuesta, que elimina los riesgos de escalación del
receptor y del sistema de almacenamiento fundamentalmente.
La invención propuesta es compatible con todas
las tecnologías de torre central, incluyendo las referentes al
fluido de trabajo en el receptor, que puede ser directamente vapor
de agua o un fluido intermedio (aire, sales o cualquier otro), a
partir del cual se obtiene el vapor de agua. En el caso de las
sales u otros fluidos intermedios con buenas características de
transmisión de calor, una alternativa interesante es la de
incorporar sólo el receptor de sales en cada uno de los subsistemas
y llevar todos los caudales de sales calientes producidos a un
generador de vapor central, asociado preferentemente a un sistema
de almacenamiento asimismo central, por las posibles ventajas de
tener un sólo generador de vapor y un sólo sistema de
almacenamiento térmico.
Por el elevado caudal volumétrico de los
receptores de aire a presión atmosférica, la invención propuesta se
considera particularmente apropiada en combinación con esta
tecnología, tanto en su versión de receptores planos como con
receptores de cavidad, si bien estos últimos son más apropiados
para conseguir altos rendimientos de recirculación y globales del
receptor. En combinación con esta tecnología la invención propuesta
podría incorporar asimismo en cada subsistema, además del
correspondiente generador de vapor, un almacenamiento térmico de
elementos sólidos estáticos asociado al circuito de aire, con objeto
de incrementar las horas anuales de operación del sistema de
generación de vapor y permitir un alto grado de regulación de la
producción.
Una aplicación particularmente interesante de la
invención propuesta es la de generación de electricidad mediante la
expansión del vapor producido en una turbina de vapor. En esta
aplicación, con objeto de incrementar el rendimiento del ciclo,
puede ser rentable llevar a cabo un proceso de recalentamiento del
vapor. En el caso básico de disponerse de un generador de vapor por
subsistema será conveniente adoptar soluciones que minimicen la
pérdida de carga del proceso de recalentamiento. Entre ellas pueden
citarse la de realizar los recalentamientos en los subsistemas más
próximos al turbogrupo, la de instalar un subsistema especial único
de mayor tamaño para el recalentamiento o la de emplear un circuito
intermedio transmisor de calor sólo en los subsistemas dedicados al
recalentamiento. En el caso alternativo de que el fluido empleado
en el receptor sea buen transmisor de calor (por ejemplo sales) y
se disponga de un único generador de vapor central, el
recalentamiento se realizaría en este mismo equipo con parte del
flujo de fluido transmisor, en paralelo con el proceso de
vaporización-sobrecalentamiento.
Las figuras 1, 2 y 3 incluyen a efectos
ilustrativos posibles disposiciones de planta y esquemas de
aplicación siguiendo la invención propuesta.
La figura 1 muestra una posible disposición de
una planta con 23 subsistemas en la que las torres (1) se han
dispuesto en un entramado triangular, tratando de compatibilizar la
forma óptima de un campo de heliostatos (2) con un buen
aprovechamiento del terreno. La central de aprovechamiento de la
energía (3), para generación eléctrica u otros usos se ha situado
prácticamente en el centro de los subsistemas, para minimizar el
trazado de tuberías de transmisión de calor.
La figura 2 muestra un posible esquema de
aplicación con receptor de aire a presión atmosférica (4) para
generación eléctrica, con recalentamiento del vapor a presión
intermedia, con sólo 6 subsistemas representados. Cada subsistema
incluye el receptor de aire (4), un almacenamiento térmico (5) y un
generador de vapor (6), siendo éste en los subsistemas más cercanos
al sistema de potencia un recalentador y en los más alejados un
vaporizador-sobrecalentador. El circuito de aire de
cada subsistema dispone de ventiladores de regulación (7) y el
circuito de agua- vapor de cada subsistema se ha previsto en este
ejemplo regulado mediante una válvula automática (8), con un
sistema de alimentación común para todos los subsistemas.
La figura 3 muestra un posible esquema de
aplicación con receptor de sales fundidas (9) para generación
eléctrica, también con recalentamiento del vapor a presión
intermedia y sólo 6 subsistemas representados. Cada subsistema
incluye el receptor de sales (9), pero en este caso no incluye ni
almacenamiento ni generador de vapor, sino que las sales se conducen
en este ejemplo al sistema de potencia, donde se encuentra un
almacenamiento de tanques caliente y frío (10) y el generador de
vapor con vaporizador-sobrecalentador y
recalentador en paralelo (11). El circuito de sales de cada
subsistema se ha previsto en este ejemplo regulado mediante una
válvula automática (12), con un sistema de bombeo de sales (13)
común para todos los subsistemas.
Claims (9)
1. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar caracterizado porque el vapor se genera en
dos o más subsistemas independientes de torre central y
heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de vapor
generados al punto de utilización.
2. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar de acuerdo con la reivindicación 1ª
caracterizado porque en el receptor situado en la torre
central de cada subsistema se genera directamente vapor de
agua.
3. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar de acuerdo con la reivindicación 1ª
caracterizado porque en el receptor situado en la torre
central de cada subsistema se calienta un flujo de aire a presión
prácticamente atmosférica, empleándose el flujo de aire caliente
obtenido para generar vapor de agua en una caldera de
recuperación.
4. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar de acuerdo con la reivindicación 1ª
caracterizado porque en el receptor situado en la torre
central de cada subsistema se calienta un flujo de sal fundida,
empleándose el flujo de sal caliente obtenido para generar vapor de
agua en una caldera de recuperación.
5. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar caracterizado porque se calientan sales
fundidas en dos o más subsistemas independientes de torre central y
heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de sales
fundidas generados a un generador de vapor central.
6. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar de acuerdo con la reivindicación 3ª
caracterizado porque el receptor de aire es de cavidad.
7. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar de acuerdo con la reivindicación 3ª
caracterizado porque cada subsistema incorpora un
almacenamiento de energía térmica de elementos sólidos estáticos en
el circuito de aire.
8. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar de acuerdo con la reivindicación 1ª o 5ª
caracterizado porque el vapor generado se emplea para
producción de energía eléctrica en una turbina de vapor.
9. Sistema de generación de vapor a partir de
radiación solar de acuerdo con la reivindicación 8ª
caracterizado porque parte de la energía solar captada se
emplea para efectuar un recalentamiento de vapor.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20080316 Kind code of ref document: A1 |
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| FG2A | Definitive protection |
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| FA2A | Application withdrawn |
Effective date: 20100123 |