ES2334198A1 - Central helio-termica con gestion exergetica del calor. - Google Patents
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Abstract
Central helio-térmica con gestión exergética del calor para funcionar en condiciones nominales un amplio plazo de horas diarias, estructurada en sectores con funciones de calentamiento diferenciadas, y en la que cada sector tiene su propio fluido calorífero, pero todos los sectores tienen consecutivamente el mismo fluido de trabajo del ciclo termodinámico, constando cada sector de una batería de captadores solares(1), un intercambiador principal (2) de contacto térmico con el fluido de trabajo, un sistema de almacenamiento térmico indirecto, y otro directo, y de las bombas, válvulas e instrumentación precisas para configurar cada sector según tres circuitos diferentes, lo que permite almacenar la energía térmica cuando la irradiación solar captada está por encima del valor nominal, y utilizar este calor para hacer funcionar el ciclo termodinámico también en condiciones nominales cuando el valor de la irradiación decae por debajo del nominal.
Description
Central helio-térmica con
gestión exergética del calor.
La invención se encuadra en el campo de las
centrales térmicas cuya fuente térmica es la radiación solar,
concentrada por algunos de los posibles modos de concentración
óptica, y particularmente mediante campos de colectores
cilindro-parabólicos con tubo absorbedor en el eje
focal, o mediante espejos de concentración de la radiación sobre un
receptor central ubicado en una torre. Denominaremos batería de
captadores solares al conjunto de elementos, sea cual sea la
configuración, en los que se produce la absorción de la radiación
solar. Estas centrales están dedicadas a la generación de
electricidad, o de energía mecánica de rotación, mediante un ciclo
termodinámico, que puede usar un ciclo tipo Rankine, con un vapor
que se condense en el foco frío del ciclo, o un ciclo tipo Brayton,
con un gas que no se condense, como fluido de trabajo.
La invención se refiere al modo de estructurar
los diversos componentes de la central, para que ésta aproveche al
máximo la capacidad de captación de energía solar que tenga su
batería de captadores solares, en función del tipo de ciclo y de
las prestaciones nominales del mismo. Respecto de esto último, se
tiene especialmente en cuenta que la turbina del ciclo tendrá su
mejor rendimiento cuando el fluido de trabajo entre en ella con la
temperatura, presión y caudal nominales.
En particular la invención tiene en cuenta la
variación de la potencia de la irradiación solar, tanto con
carácter diario como estacional, y la pertinencia, por tanto, de
disponer de un almacenamiento térmico, que a su vez puede ser de
diversos tipos, pero que se ha de ajustar adecuadamente para que,
durante el mayor tiempo posible, la central funcione en condiciones
nominales.
Existe una amplia variedad de sistemas para
estructurar las centrales solares. Una alternativa esencial es si
se utiliza el mismo fluido en el ciclo termodinámico y en la
batería de captadores solares, entendiendo por ésta el conjunto de
elementos donde se produce la absorción de la radiación solar. En
esta invención se puede utilizar el mismo fluido, o fluidos
distintos, para la batería de captadores y para el ciclo, en función
del tipo de ciclo especialmente.
En este documento designaremos por fluido
calorífero al que extrae el calor de la batería de captadores
solares, y por fluido de trabajo al que evoluciona en el ciclo
termodinámico.
Por ejemplo, en la tecnología convencional
actual de colectores cilindro-parabólicos, el fluido
calorífero, es un aceite térmico, como el Therminol VP; mientras
que el fluido de trabajo del ciclo termodinámico es agua, que sigue
un ciclo de Rankine, donde se encuentran típicamente tres niveles
de actuación térmica; el de precalentamiento del agua; el de
ebullición de ésta; y el de sobrecalentamiento. En el caso de
receptor en torre, el fluido calorífero suele ser una sal fundida;
usando típicamente agua como fluido de trabajo.
Una alternativa es utilizar gas (no condensable)
como fluido de trabajo (ciclo Brayton), y en tal caso el gas puede
utilizarse así mismo como fluido calorífero. En este caso, el gas
se ha de comprimir hasta la presión nominal de alta, y hacerse
circular por la batería de captadores solares para que se caliente,
enviándose a la turbina de gas para su expansión, con la
consiguiente conversión en energía mecánica.
Como condicionante común a todas las centrales
solares térmicas, hay que señalar de nuevo la variación de la
potencia solar. En un día soleado habitual, la batería de
captadores solares irá recibiendo y absorbiendo cada vez mayor
potencia térmica, tal como el sol se alce en su órbita diurna, y de
igual manera se irán calentando el fluido calorífero y el fluido de
trabajo; hasta que éste alcance el mínimo técnico de funcionamiento
de la turbina, que es cuando comienza a funcionar verdaderamente la
central. A partir de ahí va aumentando la potencia, gracias al
aumento de temperatura en la batería de captadores y en los
fluidos, que van además aproximando sus caudales másicos a los
valores nominales correspondientes. A ellos, y a las temperaturas
nominales, se llega cuando la irradiación solar alcanza el valor
para el que se ha diseñado nominalmente la planta; pero la potencia
absorbida en la batería de captadores sigue ascendiendo, porque la
máxima potencia alcanzable por la batería de captadores de la
central es mayor que la nominal, especialmente en días de primavera
y, sobre todo, verano. Llegada a esa situación, la tecnología
convencional es la de enviar la potencia térmica excedente a un
almacenamiento térmico. Concretamente lo que se realiza en el
estado actual del arte es lo siguiente: se sigue aumentando el
caudal de la batería de captadores, y una vez que se ha llegado a
temperatura nominal, se desvía el excedente de caudal de fluido
calorífero a un intercambiador con el almacenamiento térmico, que
típicamente consiste en dos tanques de sales fundidas, uno a
temperatura menor, y otro a temperatura mayor. En el proceso de
carga térmica del almacenamiento, se transfieren sales del tanque
de menor temperatura al de mayor, en un intercambiador a
contracorriente, cuyo fluido caliente (que se enfría) es el fluido
calorífero, que se devuelve a la batería de captadores solares.
Dicho proceso de carga térmica del almacenamiento prosigue mientras
la potencia absorbida por la batería de captadores solares es mayor
que la potencia nominal de la planta. Cuando esta última, por
declinar la potencia solar, es rebasada hacia abajo, el proceso de
carga del almacenamiento acaba, y da comienzo el proceso de
descarga, en el cual el calor aportado al ciclo termodinámico por
la batería de captadores solares, se suplementa por el calor
extraído del almacenamiento térmico. Para esto, las funciones de los
fluidos se alternan en el intercambiador a contracorriente antes
mencionado, y las sales fundidas son ahora el fluido caliente, que
se enfría al tiempo que es transferido del tanque de alta
temperatura al de baja, calentándose el fluido calorífero que va a
alimentar térmicamente al ciclo termodinámico. Ahora bien, en ambos
procesos de intercambio de calor, en la carga y en la descarga
térmica del almacenamiento, se pierde temperatura, por lo que el
fluido calorífero calentado en la fase de extracción de calor del
almacenamiento (descarga) no llega a su temperatura nominal, que es
para la cual funciona la turbina en sus mejores prestaciones.
Análogamente ocurre con otros tipos de almacenamientos
convencionales, tales como los que almacenan directamente vapor a
presión, o calor en lechos sólidos, de tipo cerámico, pues tanto en
la carga como en la descarga se produce una disminución de la
calidad de la energía térmica disponible. Es decir, en ese proceso
de gestión del calor se ha producido un deterioro exergético, y de
hecho la turbina deja de funcionar nominalmente en esa fase de
aprovechamiento del calor almacenado. El problema, a resolver con
la invención, es posibilitar que ese funcionamiento siga siendo
nominal, durante el tiempo en que haya energía térmica en el
almacenamiento.
La invención consiste en configurar la central
termosolar con una sectorización de su batería de captadores
solares y otros elementos, de modo que cada sector atienda una
finalidad de calentamiento del fluido de trabajo termodinámico,
pudiendo eventualmente haber un único sector, por identificarse
sólo una función de calentamiento del fluido de trabajo. En todo
caso, el fluido de trabajo es el mismo en todos los sectores que
tenga la central, y están conectados entre sí a través de un único
circuito de fluido de trabajo; al contrario que el fluido
calorífero, que tendrá una corriente específica para cada sector, lo
cual incluye su batería de captadores y su propio sistema de
almacenamiento térmico, y las bombas o compresores, válvulas y
detectores de instrumentación que constituyen también el circuito
termo-fluido de cada sector del campo de
colectores; que como circuito cuenta también con los
intercambiadores de calor para conectarse térmicamente con el
sistema de almacenamiento térmico indirecto en su carga y en su
descarga, y con el intercambiador principal de calor para
conectarse térmicamente con el circuito del fluido de trabajo
termodinámico. Es fundamental a este respecto establecer un
criterio técnico sobre cuando se han de disponer sectores
independientes para dos funciones de calentamiento distintas en la
misma central, y este criterio es que se dispondrán sectores
independientes para dos funciones de calentamiento distintas, cuando
cualquiera de los valores de las dos magnitudes relevantes, que a
continuación se indican, difieran entre funciones de calentamiento
distintas consecutivas en más de un 25%, siendo estas magnitudes
relevantes el factor de concentración solar y el coeficiente global
de transmisión de calor entre la cubierta absorbente de la batería
de captadores solares y el fluido calorífero.
Cada sector de la central consiste en un gran
circuito termo-fluido que contiene:
- -
- una batería de captadores de radiación solar, que tendrá una parte de concentración óptica y unos tubos absorbedores por cuyo interior circula y se calienta el fluido calorífero;
- -
- un intercambiador principal, que puede ser de contacto directo o indirecto, según el tipo de ciclo termodinámico empleado, y que transfiere el calor del fluido calorífero al fluido de trabajo termodinámico, efectuando en esa transmisión la función específica de ese sector del campo, que puede ser de mero calentamiento sensible, con el consiguiente aumento de temperatura del fluido de trabajo, o de ebullición de éste cuando la función es la de generación de vapor; aunque en el caso de contacto directo en el intercambiador, el mismo fluido calorífero pasa a ser fluido de trabajo, saliendo como tal de este componente, y volviendo a él como fluido de trabajo retornado, que pasa a ser de nuevo fluido calorífero al volver a salir por el conducto que comunica con el circuito que va a la batería de captadores de la radiación solar;
- -
- un depósito del fluido calorífero que aporta fluido al circuito del sector, o lo extrae, en función de las condiciones de trabajo del sector;
- -
- los circuladores (bombas o compresores) que propician el movimiento del fluido calorífero a lo largo del circuito del sector, y las válvulas de corte y de regulación que controlan ese movimiento;
- -
- un sistema de almacenamiento indirecto, o de alta temperatura, entendiendo por esta denominación que está por encima de la temperatura nominal del fluido calorífero de ese sector, es decir, la temperatura para alimentar nominalmente el intercambiador principal de conexión térmica con el fluido de trabajo, especificándose el contenido estructural de este sistema más adelante, aunque cabe señalar ahora que tiene su propio fluido interior, que no se mezcla con el fluido calorífero, aunque puede ser de la misma sustancia;
- -
- un sistema de almacenamiento térmico general, o directo, de (relativamente) baja temperatura, entendiendo por esta denominación que está por debajo de la temperatura nominal del fluido calorífero de ese sector, coincidiendo en este caso el fluido primario del almacenamiento con el propio fluido calorífero, especificándose el contenido estructural de este sistema más adelante.
El antedicho sistema de almacenamiento de alta
temperatura, o almacenamiento indirecto, comprende:
- -
- un intercambiador de calor de conexión térmica del fluido calorífero emergente de la batería de captadores solares con el almacenamiento de alta temperatura, siendo este intercambiador de contacto térmico indirecto del fluido calorífero con el fluido del almacenamiento, y no habiendo por tanto mezcla alguna de los dos fluidos;
- -
- un depósito, simple o múltiple, de material termorresistente que acoge el calor aportado por el intercambiador; y que como material termorresistente puede usar al propio fluido del almacenamiento que circula por el circuito; y que en el caso de contacto térmico interno indirecto, tiene su propio intercambiador de calor indirecto que conecta térmicamente el fluido del almacenamiento con el material termorresistente en sí;
- -
- los circuladores (bombas o compresores) que propician el movimiento del fluido del almacenamiento a lo largo del circuito de carga térmica del depósito mencionado de alta temperatura, y las válvulas de corte y de regulación que controlan el movimiento;
- -
- un intercambiador de calor de descarga térmica del almacenamiento de alta temperatura, con contacto térmico indirecto del fluido del almacenamiento con el fluido calorífero, que emerge calentado de este intercambiador, para entrar en el intercambiador principal, donde está conectado térmicamente con el fluido de trabajo;
- -
- los circuladores (bombas o compresores) que propician el movimiento del fluido del almacenamiento indirecto a lo largo del circuito de descarga del almacenamiento de alta temperatura, y las válvulas de corte y de regulación que controlan el movimiento de su fluido para conectarse térmicamente con el fluido calorífero a través del intercambiador de descarga descrito en el párrafo anterior.
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Un sistema de almacenamiento térmico general o
directo, de (relativamente) baja temperatura que comprende:
- -
- un depósito de material termorresistente que acoge el calor aportado directamente por el fluido calorífero, bien por calentamiento directo; bien por disponer de un intercambiador de calor indirecto que conecte térmicamente el fluido calorífero con el material termorresistente en sí;
- -
- un circuito de carga térmica, que extrae fluido calorífero del circuito principal de éste, que es el que conecta la batería de captadores con el intercambiador principal, para que ceda su calor en el almacenamiento directo, devolviendo el caudal del fluido calorífero aguas abajo del intercambiador principal;
- -
- un circuito de descarga térmica, inverso al anterior, que toma fluido calorífero tras emerger del intercambiador principal, y es devuelto, tras calentarse a su paso por el almacenamiento, aguas arriba del intercambiador de descarga térmica del sistema de almacenamiento indirecto;
- -
- los circuladores (bombas o compresores) que propician el movimiento del fluido calorífero a lo largo de los circuitos de carga y descarga térmica del almacenamiento de baja temperatura, y las válvulas de corte y de regulación que controlan el movimiento de este fluido para conectarse directamente con el circuito del fluido calorífero.
Parte sustancial de la invención es que la
central, y cada uno de sus sectores, se configuran con los
siguientes circuitos de funcionamiento, que se determinan por la
apertura de válvulas y por la activación de las bombas o
circuladores realizadas en cada caso, según se define en cada
condición operativa, teniendo en cuenta que la posición o estado,
por defecto, de las válvulas será la de cierre, y en las bombas la
de inactivación:
- -
- en condiciones de captación de la irradiación solar con las que no se alcanza el funcionamiento nominal, y no queda energía térmica almacenada en sus sistemas, en cada sector de la central el fluido calorífero circula directamente desde la batería de captadores solares a su intercambiador principal correspondiente, por cuyo circuito secundario circula el fluido de trabajo, estando inactivos todos los componentes de carga y descarga térmica de los sistemas de almacenamiento, y en particular el intercambiador de carga del sistema de alta o indirecto, por cuyo circuito secundario no circula fluido, estando el funcionamiento del intercambiador anulado a tales efectos, estando sus válvulas cerradas, y sus bombas inactivas; y estando cerradas las válvulas de los ramales de carga y descarga del sistema directo de almacenamiento térmico de baja temperatura, estando además inactivas sus bombas;
- -
- en condiciones en las que se ha superado el nivel de captación solar que produce el funcionamiento nominal del ciclo termodinámico de la central, el caudal másico y la temperatura del fluido calorífero a la salida de la batería de captadores solares de cada sector van por encima de sus valores nominales correspondientes, y se activa el modo de carga térmica de los sistemas de almacenamiento, estableciéndose la circulación por el circuito secundario del intercambiador de alta temperatura, por lo que a la salida del mismo, el fluido del almacenamiento adquiere temperatura por encima de la nominal, calentándose así el depósito térmico de dicho sistema de alta temperatura, saliendo por el circuito primario de dicho intercambiador el fluido calorífero a temperatura nominal, estando abiertas las válvulas y activada la bomba del circuito secundario del intercambiador de alta; y abriéndose las válvulas de carga del sistema de almacenamiento de baja temperatura, a través de cuyo ramal, en el que está activada su bomba, pasa el caudal de fluido calorífero excedente sobre el valor nominal, para volver a la batería de captadores solares; llegando por el circuito principal, al intercambiador principal, exactamente el caudal nominal de fluido calorífero, con la temperatura nominal, lo cual se verifica por los medidores correspondientes, manteniéndose así el funcionamiento nominal del ciclo termodinámico de la central;
- -
- estando llenos total o parcialmente los almacenamientos térmicos, y estando en condiciones de captación de la irradiación solar que no llega a producir el funcionamiento nominal del ciclo termodinámico de la central, los valores de caudal másico y temperatura del fluido calorífero a la salida de la batería de captadores solares son insuficientes, al estar por debajo de los valores nominales correspondientes, y en tal caso se activan los sistemas de descarga térmica de ambos almacenamientos, aportándose desde el sistema directo, o de baja temperatura, el caudal másico de fluido calorífero que falta para completar hasta el valor nominal el caudal másico aportado por la batería de captadores, para lo cual se activa la bomba y se abren las válvulas de descarga del almacenamiento directo; y se calienta el caudal conjunto de fluido calorífero hasta el valor nominal de temperatura, por la acción del intercambiador de descarga térmica del almacenamiento indirecto o de alta temperatura, para lo cual se abren sus válvulas y se activa su bomba; y por lo cual, la mezcla de los caudales másicos, aportados desde la batería de captadores solares y desde el almacenamiento directo, al intercambiador principal, tiene no sólo el caudal másico nominal, sino la temperatura nominal, lo que se verifica por el medidor correspondiente.
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La figura 1 muestra el esquema de un sector de
una central helio-térmica configurada para
funcionar con gestión exergética, en el que se aprecia la batería
de captadores, el intercambiador principal y el resto de los
componentes de la invención propuesta.
La figura 2 muestra el esquema del circuito
principal del fluido calorífero en el modo de funcionamiento en el
que no llega a sus valores nominales, y los almacenamientos
térmicos están vacíos.
La figura 3 muestra el esquema del circuito de
carga térmica de los sistemas de almacenamiento, cuando la
irradiación solar produce valores de caudal másico y temperatura
del fluido calorífero por encima de los valores nominales, a la
salida de la batería de captadores. No se dibuja la parte de
conexión con el intercambiador principal, que es igual que en la
figura anterior.
La figura 4 muestra el esquema del circuito de
descarga de los sistemas de almacenamiento térmico, aportándose el
caudal másico complementario de fluido calorífero desde el de baja
temperatura, y calentándose el caudal conjunto en el intercambiador
que recibe calor del almacenamiento de alta temperatura.
La figura 5 muestra un esquema similar al de la
4, pero cuando ya no hay nada de irradiación solar, y no se aporta
caudal desde la batería de captadores.
La figura 6 muestra un esquema de sectorización
de una central, con tres sectores a la izquierda, de
precalentamiento, ebullición y sobrecalentamiento; más un sector de
recalentamiento a la derecha, y el bloque de potencia del ciclo
termodinámico en el centro.
\vskip1.000000\baselineskip
Para facilitar la comprensión de las
materializaciones preferentes de la invención, a continuación se
describen las referencias numéricas que aparecen en las figuras y
describen los elementos relevantes de las realizaciones preferentes
que se describen a continuación:
- 1.
- Batería de captadores de la radiación solar (captadores solares).
- 2.
- Intercambiador principal, entre el fluido calorífero y el fluido de trabajo.
- 3.
- Entrada del fluido calorífero al intercambiador principal.
- 4.
- Salida del fluido calorífero del intercambiador principal.
- 5.
- Entrada del fluido de trabajo termodinámico al intercambiador principal.
- 6.
- Salida del fluido de trabajo termodinámico del intercambiador principal.
- 7.
- Depósito de fluido calorífero.
- 8.
- Ramal de trasiego del fluido calorífero al depósito, desde el circuito.
- 9.
- Válvula de cierre-regulación del ramal 8.
- 10.
- Ramal de trasiego del fluido calorífero desde el depósito al circuito.
- 11.
- Válvula de cierre-regulación del ramal 10.
- 12.
- Bomba de trasiego del fluido calorífero desde el depósito al circuito.
- 13.
- Intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta temperatura.
- 14.
- Circuito secundario del intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta temperatura.
- 15.
- Depósito del almacenamiento indirecto, o de alta temperatura, que a su vez puede tener un intercambiador de calor indirecto que conecte térmicamente el fluido del almacenamiento con el material termorresistente en sí.
- 16.
- Bomba de recirculación del fluido del almacenamiento en el circuito de carga del sistema indirecto.
- 17.
- Bomba de recirculación del fluido del almacenamiento en el circuito de descarga del sistema indirecto, o de alta temperatura.
- 18.
- Válvulas de cierre-regulación del circuito secundario del intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta temperatura.
- 19.
- Válvulas de cierre-regulación del circuito primario del intercambiador de descarga del sistema de almacenamiento de alta temperatura.
- 20.
- Intercambiador de descarga del sistema indirecto de almacenamiento térmico, circulando por su circuito primario el fluido del sistema de alta temperatura, y el fluido calorífero por el secundario.
- 21.
- Circuito de descarga del sistema indirecto, o de alta temperatura, que es el primario del intercambiador 20.
- 22.
- Depósito del almacenamiento de baja temperatura, que a su vez puede tener un intercambiador de calor indirecto que conecte térmicamente el fluido calorífero con el material termorresistente en sí.
- 23.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido a la salida del campo de colectores solares 1.
- 24.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido a la salida del intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta temperatura.
- 25.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido tras las desviaciones de los ramales de carga y descarga del sistema de almacenamiento de baja temperatura.
- 26.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido en la inyección de descarga del sistema de almacenamiento térmico directo.
- 27.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido a la entrada del intercambiador principal.
- 28.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido a la salida del intercambiador principal.
- 29.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido tras la desviación del ramal de evacuación al depósito de fluido calorífero.
- 30.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido tras el ramal de retorno del sistema de almacenamiento de baja temperatura, en descarga.
- 31.
- Medidor de caudal másico y de temperatura del fluido a la entrada de la batería de captadores solares 1.
- 32.
- Medidor de temperatura del depósito de material termorresistente del almacenamiento de alta temperatura.
- 33.
- Medidor de temperatura del depósito de material termorresistente del almacenamiento de baja temperatura.
- 34.
- Bomba de recirculación del fluido calorífero en el circuito principal de conexión entre el intercambiador principal 2 y la batería de captadores 1.
- 35.
- Bomba de recirculación del fluido calorífero en el retorno de conexión entre el intercambiador principal 2 y el almacenamiento directo 22.
- 36.
- Válvula de cierre-regulación del ramal de retorno al sistema de almacenamiento de baja temperatura 22.
\newpage
- 37.
- Bomba de recirculación del fluido calorífero en el retorno de conexión entre el almacenamiento directo y el circuito principal, en carga del almacenamiento.
- 38.
- Válvula de cierre-regulación del ramal de retorno del sistema de almacenamiento de baja temperatura al circuito principal, en carga.
- 39.
- Válvula de cierre-regulación del retorno desde el intercambiador principal 2 a la batería de captadores 1, en el circuito principal.
- 40.
- Válvula de cierre-regulación del ramal de descarga del sistema de almacenamiento de baja temperatura.
- 41.
- Válvula de cierre-regulación del ramal de carga del sistema de almacenamiento de baja temperatura.
- 42.
- Entrada del fluido de trabajo del ciclo termodinámico a su bloque de potencia.
- 43.
- Salida del fluido de trabajo de su bloque de potencia.
- 44.
- Entrada al cuerpo de alta presión del bloque de potencia.
- 45.
- Salida del cuerpo de alta presión del bloque de potencia.
- 46.
- Entrada al cuerpo de baja presión del bloque de potencia.
- 47.
- Salida del cuerpo de baja presión del bloque de potencia.
- 48.
- Circuito del fluido de trabajo, recorriendo los sectores 49, 50 y 51.
- 49.
- Sector, con su batería de captadores, sistemas de almacenamiento térmico e intercambiador principal, de precalentamiento del fluido de trabajo.
- 50.
- Sector, con su batería de captadores, sistemas de almacenamiento térmico e intercambiador principal, de ebullición del fluido de trabajo.
- 51.
- Sector, con su batería de captadores, sistemas de almacenamiento térmico e intercambiador principal, de sobrecalentamiento del fluido de trabajo.
- 52.
- Sector, con su batería de captadores, sistemas de almacenamiento térmico e intercambiador principal, de recalentamiento del fluido de trabajo.
- 53.
- Circuito del fluido de trabajo, recorriendo el sector 52.
- 54.
- Bomba de recirculación del fluido de trabajo.
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Para aquilatar el significado de la invención,
sobre todo en lo referente al intercambiador principal (2), cabe
distinguir dos casos fundamentales: los ciclos con fluido de
trabajo condensable, que siguen un ciclo de Rankine o asimilable, y
los ciclos con gas no condensable como fluido de trabajo, que
corresponden a un ciclo de Brayton (cerrado o abierto, usando
típicamente aire en este último caso). En los ciclos tipo Rankine,
el intercambiador principal (2) será de contacto indirecto, y su
estructura interna se adecuará a la fase del ciclo que se aborde en
cada sector:
- -
- en el precalentamiento, sólo se tratará de calentamiento sensible, desde la temperatura de condensación, como valor mínimo posible, a la de ebullición del fluido de trabajo, como máximo. Se elegirá posiblemente un intercambiador de tubo y carcasa a contracorriente;
- -
- en la ebullición, el fluido de trabajo estará en cambio de fase y a temperatura constante, y el fluido calorífero estará algunos grados por encima, y se tratará de un generador de vapor, posiblemente con recirculación interior del fluido de trabajo, para mantener un alto coeficiente de película;
- -
- en el sobrecalentamiento del vapor, el coeficiente de película será mucho menor, y el fluido calorífero tendrá que estar notoriamente más caliente que el vapor.
En los tres casos se tratará de un
intercambiador sin contacto directo entre los fluidos. Algo similar
se tendría en un ciclo Brayton si se eligieran fluidos distintos
para uno y otro circuito, el solar y el del ciclo termodinámico,
pero en este caso sólo se trataría de calentamiento sensible, sin
cambio de fase, de modo que podría concentrase toda la central en
un solo sector, aunque también cabría dividir el campo solar en
sectores, cada uno con sus componentes señalados antes, para
acomodar el aumento de temperatura de una manera gradual, evitando
diferencias térmicas apreciables en un mismo componente. No
obstante, en el caso de los ciclos Brayton se puede usar un mismo
gas para el fluido calorífero y el fluido de trabajo. En este caso,
el intercambiador principal (2) no sería propiamente un
intercambiador de calor, sino un conector de circuitos: El fluido
calorífero que entrara por (3), saldría de inmediato por 6 como
fluido de trabajo caliente; y el retorno frío de éste, que llegaría
por (5), saldría por (4) para volver a la batería de captadores
solares (1).
Una identidad similar entre fluidos podría
plantearse teóricamente para ciclos Rankine, pero su complejidad
tecnológica lo hace desaconsejable. En todo caso, todas las
opciones posibles de conexión entre el campo de colectores, donde
adquiere energía el fluido calorífero, y el fluido de trabajo
termodinámico, se pueden representar según la estructura empleada
en esta invención y representada en la figura 1. La novedad radica
en la estructuración de los sistemas de almacenamiento térmico, lo
cual permite configurar los circuitos del fluido calorífero de
forma diferente y específica, lo que comporta modos de
funcionamiento específicos de la central, en los cuales se mantiene
el régimen nominal termodinámico la mayor parte del tiempo.
En el almacenamiento térmico indirecto o de alta
temperatura existe una diferenciación física entre fluidos, incluso
en el caso de que fueran de una misma sustancia, es. Su fluido
propio no debe mezclarse con el calorífero, pues de éste sólo
interesa extraer su temperatura sobre la nominal. Más aún, el fluido
del almacenamiento puede estar a presión notoriamente inferior a la
del calorífero, lo cual puede facilitar enormemente los aspectos
constructivos del intercambiador (13) de carga del sistema de
almacenamiento de alta temperatura y del depósito (15) del
almacenamiento indirecto, o de alta temperatura, que a su vez puede
tener un intercambiador de calor indirecto que conecte térmicamente
el fluido del almacenamiento con el material termorresistente en
sí, así como del intercambiador de descarga (20), que puede llevar
a dicho fluido por la carcasa, llevando al calorífero por los tubos
(aunque en las figuras no está esquematizado así, pues es el fluido
del almacenamiento directo el que va por los tubos).
También es de reseñar que este almacenamiento
indirecto debe ser de baja entropía, de tal manera que la
temperatura extraída por el fluido del almacenamiento, no se vea
reducida por una dispersión del calor en una masa grande de
material termorresistente de almacén. Este tipo de almacenamiento
puede lograrse de múltiples formas. Por ejemplo, con dos tanques de
sales fundidas, uno de base y otro de sales calentadas, que se
calentarían al circular por el interior del circuito secundario del
intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta
temperatura (14) (que podría estar en la carcasa del intercambiador
(13) de carga del sistema de almacenamiento de alta temperatura,
aunque se haya dibujado de tubos por el interior), las sales
calentadas del depósito del almacenamiento indirecto, o de alta
temperatura (15) tendrían una temperatura inferior a la de salida
del campo de colectores en unos diez grados Celsius. El fluido
calorífero, en los momentos de mayor irradiación solar, podría
proporcionar temperaturas por encima de la nominal en unos 30
grados Celsius o más. A su vez habría una pérdida de temperatura en
la descarga a través del circuito (21) de descarga del sistema
indirecto, o de alta temperatura, que es el primario del
intercambiador (20), pero en definitiva se consigue que el sistema
de almacenamiento de alta temperatura caliente el caudal conjunto,
de llegada al intercambiador principal, hasta la temperatura
nominal.
También se podría emplear para el depósito (15)
del almacenamiento indirecto, o de alta temperatura, un
almacenamiento compartimentado de sólidos refractarios, con
compartimentos aislados, de pequeña masa, para evitar pérdida de
temperatura por dispersión del calor aportado, aportándose el calor
en la carga, y extrayéndolo en la descarga, merced al fluido del
almacenamiento, que interaccionaría con el intercambiador (13) de
carga del sistema de almacenamiento de alta temperatura en la
carga, y con el intercambiador (20) de descarga del sistema
indirecto de almacenamiento térmico, en la descarga, y que podría
ser un gas a relativamente baja presión.
La figura 2 muestra las partes operativas del
sector, en condiciones de irradiación solar en las que no se
alcanza el funcionamiento nominal, y no queda energía térmica
almacenada en sus sistemas (por ejemplo, al iniciar su régimen
diario). El fluido calorífero circula directamente desde la batería
de captadores solares (1) a su intercambiador principal
correspondiente (2), por cuyo circuito secundario circula el fluido
de trabajo, para lo cual funciona la bomba (34) de recirculación del
fluido calorífero en el circuito principal de conexión entre el
intercambiador principal 2 y la batería de captadores 1, estando
abierta su válvula (39) de cierre-regulación del
retorno desde el intercambiador principal (2) a la batería de
captadores (1), en el circuito principal (véase figura 1). Todos los
componentes de carga y descarga térmica de los sistemas de
almacenamiento están inactivos, y en particular el intercambiador
(13) de carga del sistema de alta, por cuyo circuito secundario
(14) no circula fluido, e igualmente inactivo está el
intercambiador (20) de descarga del sistema indirecto de
almacenamiento térmico. Ambos intercambiadores (13, 20) tienen
anulada su capacidad de transferir calor, pasando el fluido de
trabajo hacia el intercambiador principal, y las medidas del
medidor (23) de caudal másico y de temperatura del fluido a la
salida del campo de colectores solares (1), del medidor (24) de
caudal másico y de temperatura del fluido a la salida del
intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta
temperatura, y del medidor (27) de caudal másico y de temperatura
del fluido a la entrada del intercambiador principal son las mismas,
tanto para el caudal másico como para la temperatura, pues todas
las tuberías y componentes están aislados térmicamente. Las
válvulas de los ramales de carga (41 y 38) y descarga (36 y 40) del
sistema directo de almacenamiento térmico de baja temperatura están
cerradas (véase figura 1).
Cuando se supera el nivel de irradiación solar
que produce el funcionamiento nominal del ciclo termodinámico de la
central, el caudal másico y la temperatura del fluido calorífero en
cada sector están por encima de sus valores nominales
correspondientes, activándose el modo de carga térmica de los
sistemas de almacenamiento, según se muestra en la figura 3. En esta
situación, el medidor (23) de caudal másico y de temperatura del
fluido a la salida del campo de colectores solares (1), marca esos
valores de caudal másico y temperatura por encima de lo nominal, y
ello pone en marcha la circulación por el circuito secundario (14)
del intercambiador (13) de alta temperatura, abriendo las válvulas
(18) de cierre-regulación del circuito secundario
del intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta
temperatura (véase figura 1) y poniendo en marcha la bomba (16) de
recirculación del fluido del almacenamiento en el circuito de carga
del sistema indirecto. El caudal activado de fluido de
almacenamiento se ajusta para que adquiera temperatura por encima
de la nominal, calentándose así el depósito térmico (15) de dicho
sistema de alta temperatura. La transferencia se ajusta para que el
fluido calorífero salga de dicho intercambiador precisamente a
temperatura nominal, lo cual se verifica en el medidor (24) de
caudal másico y de temperatura del fluido a la salida del
intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta
temperatura. Se abren también las válvulas (41 y 38) (véase figura
1) de carga del sistema de almacenamiento de baja temperatura, a
través de cuyo ramal pasa el caudal másico de fluido calorífero
excedente sobre el valor nominal. El desvío de dicho excedente por
dicho ramal se verifica por las medidas del medidor (25) de caudal
másico y de temperatura del fluido tras las desviaciones de los
ramales de carga y descarga del sistema de almacenamiento de baja
temperatura, que tienen que coincidir con los valores nominales. Si
no coinciden, se modifican los estados de las válvulas y bombas
involucradas. Por ejemplo, si el caudal másico medido en (25) es
demasiado alto, se han de abrir más las válvulas de
cierre-regulación del ramal de carga del sistema de
almacenamiento de baja temperatura (41) y de
cierre-regulación del ramal de retorno del sistema
de almacenamiento de baja temperatura al circuito principal, en
carga (38) (véase figura 1), y eventualmente dar más potencia a la
bomba (37) de recirculación del fluido calorífero en el retorno de
conexión entre el almacenamiento directo y el circuito principal, en
carga del almacenamiento. Mediante estas acciones y verificaciones,
se logra que llegue por el circuito principal, al intercambiador
principal, exactamente el caudal nominal de fluido calorífero, con
la temperatura nominal, manteniéndose así el funcionamiento nominal
del ciclo termodinámico de la central. Al mismo tiempo va
aumentando la energía térmica almacenada en los sistemas indirecto
(15) y directo (22), cuyas temperaturas se controlan por los
medidores de temperatura del depósito de material termorresistente
del almacenamiento de alta temperatura (32) y de temperatura del
depósito de material termorresistente del almacenamiento de baja
temperatura (33) respectivamente, que miden sobre la parte o masa
del depósito de material termorresistente que se ha energizado ya
en ese momento.
Al declinar la actividad solar diaria, o cuando
en general se está por debajo del nivel de irradiación solar que
produce el funcionamiento nominal del ciclo termodinámico de la
central, los valores de caudal másico y temperatura del fluido
calorífero a la salida de la batería de captadores solares están por
debajo de los nominales correspondientes, lo cual se detecta en el
medidor (23) de caudal másico y de temperatura del fluido a la
salida del campo de colectores solares (1). Entonces se activan los
sistemas de descarga térmica de ambos almacenamientos, según se
visualiza en la figura 4. Desde el sistema directo (22), o de baja
temperatura, se aporta el caudal másico de fluido calorífero que
falta para completar hasta el valor nominal el caudal másico
aportado por el campo de colectores, lo cual se verifica por el
medidor (25) de caudal másico y de temperatura del fluido tras las
desviaciones de los ramales de carga y descarga del sistema de
almacenamiento de baja temperatura, dando el medidor (26) de caudal
másico y de temperatura del fluido en la inyección de descarga del
sistema de almacenamiento térmico directo, la medida del caudal
másico aportado por el almacenamiento, que ha de ser lo
complementario de lo medido por el medidor (23) de caudal másico y
de temperatura del fluido a la salida del campo de colectores
solares (1) (véase figura 1). En caso de necesidad de aumento del
caudal complementario, se abren más la válvula (36) de cierre-
regulación del ramal de retorno al sistema de almacenamiento de baja
temperatura (22) y la válvula (40) de
cierre-regulación del ramal de descarga del sistema
de almacenamiento de baja temperatura, o eventualmente se da más
potencia a la bomba (35) de recirculación del fluido calorífero en
el retorno de conexión entre el intercambiador principal (2) y el
almacenamiento directo (22).
El medidor (25) de caudal másico y de
temperatura del fluido tras las desviaciones de los ramales de
carga y descarga del sistema de almacenamiento de baja temperatura,
señala que el caudal másico es el nominal, pero la temperatura no
llega a nominal, por lo que ese caudal conjunto se calienta en el
intercambiador de descarga (20) aprovechando el calor del
almacenamiento de alta temperatura (15), cuyo fluido se pone en
circulación al abrir las válvulas (19) de
cierre-regulación del circuito primario del
intercambiador de descarga del sistema de almacenamiento de alta
temperatura (véase figura 1) y poner en marcha la bomba (17) de
recirculación del fluido del almacenamiento en el circuito de
descarga del sistema indirecto, o de alta temperatura, con la que
se regula el movimiento del fluido de ese almacenamiento, de tal
forma que en el medidor (27) de caudal másico y de temperatura del
fluido a la entrada del intercambiador principal, se verifique que
la temperatura es la nominal.
Cuando la irradiación solar se hace nula, son
nulos el calor y el caudal aportados por la batería de captadores
solares, y el funcionamiento del intercambiador principal, y por
ende del ciclo termodinámico, depende exclusivamente de los
sistemas de almacenamiento, lo cual se plasma en la figura 5.
Como elemento indispensable para la gestión de
las diversas corrientes del fluido calorífero en los diversos modos
de funcionamiento, se cuenta con un depósito (7) que contiene
fluido calorífero, y al cual se puede evacuar parte del contenido
másico que hay en el circuito, abriendo la válvula (9) de cierre-
regulación del ramal de trasiego (8) del fluido calorífero al
depósito, desde el circuito, o al revés, inyectar en el circuito
más fluido, a más presión, para lo que se cuenta con la bomba (12)
de trasiego del fluido calorífero desde el depósito al circuito,
abriéndose a tal efecto la válvula (11) de
cierre-regulación del ramal de trasiego del fluido
calorífero (10) desde el depósito al circuito.
Sectores como los descritos, integrados por una
batería de captadores, los sistemas de almacenamiento, el
intercambiador principal y los elementos auxiliares de circulación,
instrumentación y control de flujo, se agrupan, compartiendo el
fluido de trabajo, para dar lugar a una central
termo-solar con gestión energética encaminada a su
optimación exergética, de lo cual se presenta un esquema en la
figura 6. En la figura se han representado cuatro sectores, que
conceptualmente, por su posición relativa, pueden calificarse de
sector de precalentamiento (49); sector de generación de vapor (50);
sector de sobrecalentamiento (51) y sector de recalentamiento (52).
En el sector de precalentamiento (49), el fluido de trabajo está en
fase líquida, y pasa por el intercambiador principal (2) de dicho
sector, que tendrá una batería de captadores solares adecuada a ese
rango de temperaturas, señalándose que en ese intercambiador, el
coeficiente de película del fluido de trabajo será moderado, mucho
menor que el que tendrá el fluido en el intercambiador principal
(2) del sector (50) con su batería de captadores, sistemas de
almacenamiento térmico e intercambiador principal, de ebullición del
fluido de trabajo, pues en éste habrá ebullición nucleada, y su
coeficiente de película tendrá valores muy altos; que también serán
más altos que en los sectores donde el fluido de trabajo circula
como vapor seco, sector (51) con su batería de captadores, sistemas
de almacenamiento térmico e intercambiador principal, de
sobrecalentamiento del fluido de trabajo (51) o secándose de nuevo
en el sector de recalentamiento del fluido de trabajo (52). Estas
diferencias en los coeficientes de transmisión de calor aconsejan
sectores con fluidos caloríferos distintos, o el mismo fluido, pero
con diferentes valores de temperatura, presión y caudal. La
identificación de los sectores necesarios se realiza aplicando el
criterio de que las especificidades de calentamiento de los sectores
comporten valores del factor de concentración solar o del
coeficiente global de transmisión de calor, que difieran entre
sectores más de un 25%.
Una vez descrita de forma clara la invención, se
hace constar que las realizaciones particulares anteriormente
descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que
no alteren el principio fundamental y la esencia de la
invención.
Claims (7)
1. Central helio-térmica con
gestión exergética del calor, basada en una configuración de
central solar térmica con captadores solares de concentración de la
radiación que sirven para calentar un fluido calorífero, que a su
vez alimenta energéticamente a un fluido de trabajo de un ciclo
termodinámico, caracterizada por que se estructura en un
conjunto de sectores por los que consecutivamente circula el fluido
de trabajo, identificándose los sectores necesarios por aplicación
del criterio de que las especificidades de calentamiento en los
sectores comporten valores del factor de concentración solar, o del
coeficiente global de transmisión de calor entre la superficie de
absorción y el fluido calorífero, que difieran entre sectores
consecutivos más de un 25%; pudiendo eventualmente haber un único
sector, por identificarse sólo una función de calentamiento del
fluido de trabajo, que en todo caso es el mismo en todos los
sectores que potencialmente tenga la central, y están conectados
entre sí a través de un único circuito de fluido de trabajo; y
teniendo el fluido calorífero, una corriente o circuito específico
para cada sector, lo cual incluye sus propios sistemas de
almacenamiento térmico, indirecto o de alta temperatura y directo o
de relativamente baja temperatura, entendiendo por relativamente
baja temperatura que está por debajo de la temperatura nominal del
fluido calorífero de ese sector, y una pluralidad de bombas o
compresores, válvulas y detectores de instrumentación que
constituyen también el circuito termo-fluido de cada
sector de la central; que como circuito cuenta también con una
pluralidad de intercambiadores de calor (13, 20) que conectan
térmicamente con el sistema de almacenamiento térmico indirecto en
su carga y en su descarga, y con el intercambiador de calor
principal (2) entre el fluido calorífero y el fluido de trabajo que
conecta térmicamente con el circuito del fluido de trabajo
termodinámico.
2. Central helio-térmica con
gestión exergética del calor, según reivindicación primera,
caracterizada por que cada sector de la central consiste en
un gran circuito termo-fluido que contiene:
- -
- una batería de captadores de radiación solar (1), que comprende una parte de concentración óptica y unos tubos absorbedores por cuyo interior circula y se calienta el fluido calorífero;
- -
- un intercambiador principal (2), que puede ser de contacto directo o indirecto, según el tipo de ciclo termodinámico empleado, y que transfiere el calor del fluido calorífero al fluido de trabajo termodinámico, efectuando en esa transmisión la función específica de ese sector del campo, que puede ser de mero calentamiento sensible, con el consiguiente aumento de temperatura del fluido de trabajo, o de ebullición de éste cuando la función es la de generación de vapor; aunque en el caso de contacto directo en el intercambiador, el mismo fluido calorífero pasa a ser fluido de trabajo, saliendo como tal de este componente por el conducto (6), y volviendo a él como fluido de trabajo retornado por el conducto (5), pasando a ser de nuevo fluido calorífero al volver a salir del intercambiador por el conducto (4) que comunica con el circuito que va a la batería de captadores solares 1;
- -
- un depósito (7) del fluido calorífero que aporta fluido al circuito del sector, o lo extrae, en función de las condiciones de trabajo del sector;
- -
- una pluralidad de circuladores, seleccionados entre bombas o compresores, (34), que propician el movimiento del fluido calorífero a lo largo del circuito del sector, y las válvulas de corte y de regulación, (39), que controlan ese movimiento;
- -
- un sistema de almacenamiento indirecto, o de alta temperatura, entendiendo por esta denominación que está por encima de la temperatura nominal del fluido calorífero de ese sector, es decir, la temperatura para alimentar nominalmente al intercambiador principal (2) de conexión térmica con el fluido de trabajo, especificándose que este sistema tiene su propio fluido interior, que no se mezcla con el fluido calorífero;
- -
- un sistema de almacenamiento térmico general, o directo, de relativamente baja temperatura, entendiendo por esta denominación que está por debajo de la temperatura nominal del fluido calorífero de ese sector, coincidiendo en este caso el fluido primario del almacenamiento con el propio fluido calorífero.
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3. Central helio-térmica con
gestión exergética del calor, según reivindicaciones primera y
segunda, caracterizada por que el sistema de almacenamiento
de alta temperatura comprende:
- -
- un intercambiador de calor (13) de conexión térmica del fluido calorífero emergente de la batería de captadores solares (1) con el almacenamiento de alta temperatura (15), siendo este intercambiador de contacto térmico indirecto del fluido calorífero con el fluido del almacenamiento, y no habiendo por tanto mezcla alguna de los dos fluidos;
- -
- un depósito, seleccionado entre simple o múltiple, (15), de material termorresistente que acoge el calor aportado por el intercambiador (13); y que como material termorresistente puede usar al propio fluido del almacenamiento que circula por el circuito (14); y que en el caso de contacto térmico interno indirecto, tiene su propio intercambiador de calor indirecto que conecta térmicamente el fluido del almacenamiento con el material termorresistente en sí;
- -
- una pluralidad de circuladores, seleccionados entre bombas o compresores, (16), que propician el movimiento del fluido del almacenamiento a lo largo del circuito de carga térmica del depósito mencionado de alta temperatura, y las válvulas de corte y de regulación, (18), que controlan el movimiento;
- -
- un intercambiador de calor (20) de descarga térmica del almacenamiento de alta temperatura (15), con contacto térmico indirecto del fluido del almacenamiento con el fluido calorífero, que emerge calentado de éste intercambiador, para entrar en el intercambiador principal (2), donde está conectado térmicamente con el fluido de trabajo;
- -
- una pluralidad de circuladores, seleccionados entre bombas o compresores, (17), que propician el movimiento del fluido del almacenamiento indirecto a lo largo del circuito de descarga del almacenamiento de alta temperatura, y las válvulas de corte y de regulación, (19), que controlan el movimiento de su fluido para conectarse térmicamente con el fluido calorífero a través del intercambiador de descarga, (20).
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4. Central helio-térmica con
gestión exergética del calor, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el sistema
de almacenamiento térmico general o directo, de relativamente baja
temperatura comprende:
- -
- un depósito (22) de material termorresistente que acoge el calor aportado directamente por el fluido calorífero, bien por calentamiento directo; bien por disponer de un intercambiador de calor indirecto que conecte térmicamente el fluido calorífero con el material termorresistente en sí;
- -
- un circuito de carga térmica, que está controlado por dos válvulas (38 y 41), y que extrae fluido calorífero del circuito principal de éste, que es el que conecta la batería de captadores solares con el intercambiador principal, para que ceda su calor en el almacenamiento directo, devolviendo el caudal del fluido calorífero aguas abajo del intercambiador principal;
- -
- un circuito de descarga térmica, inverso al anterior, y que está controlado por dos válvulas (36 y 40), que toma fluido calorífero tras emerger del intercambiador principal, y es devuelto, tras calentarse a su paso por el almacenamiento, aguas arriba del intercambiador de descarga térmica del sistema de almacenamiento indirecto;
- -
- una pluralidad de circuladores, seleccionados entre bombas o compresores, (35, 37) que propician el movimiento del fluido calorífero a lo largo de los circuitos de carga y descarga térmica del almacenamiento de baja temperatura, y las válvulas de corte y de regulación, (36, 38, 40 y 41), de los circuitos de carga y descarga térmica, que controlan el movimiento de este fluido para conectarse directamente con el circuito del fluido calorífero.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Central helio-térmica con
gestión exergética del calor, según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, caracterizada por que
la central, y cada uno de sus sectores, se configura con el
siguiente circuito de funcionamiento, que se determina por la
apertura de válvulas y por la activación de las bombas o
circuladores realizadas teniendo en cuenta que la posición o estado,
por defecto, de las válvulas será la de cierre, y en las bombas la
de inactivación de tal manera que en condiciones de captación de la
irradiación solar con las que no se alcanza el funcionamiento
nominal, y no queda energía térmica almacenada en sus sistemas de
almacenamiento de alta temperatura y de almacenamiento térmico de
baja temperatura, en cada sector de la central el fluido calorífero
circula directamente desde la batería de captadores solares (1) a su
intercambiador principal (2) correspondiente, por cuyo circuito
secundario circula el fluido de trabajo, estando inactivos todos
los componentes de carga y descarga térmica de los sistemas de
almacenamiento, y en particular el intercambiador (13) de carga del
sistema de alta temperatura, por cuyo circuito secundario (14) no
circula fluido, estando el funcionamiento del intercambiador
anulado a tales efectos, estando la válvula (18) de
cierre-regulación del circuito secundario del
intercambiador de carga del sistema de almacenamiento de alta
temperatura y la válvula (19) de cierre-regulación
del circuito primario del intercambiador de descarga del sistema de
almacenamiento de alta temperatura, cerradas, y las bombas (16) de
recirculación del fluido del almacenamiento en el circuito de carga
del sistema indirecto y (17) de recirculación del fluido del
almacenamiento en el circuito de descarga del sistema indirecto, o
de alta temperatura, inactivas; y estando cerradas las válvulas (41
y 38, y 36 y 40), de los ramales de carga y descarga del sistema
directo de almacenamiento térmico de baja temperatura, estando
además inactivas la bomba (35) de recirculación del fluido
calorífero en el retorno de conexión entre el intercambiador
principal (2) y el sistema de almacenamiento directo, y la bomba
(37) de recirculación del fluido calorífero en el retorno de
conexión entre el almacenamiento directo y el circuito principal,
en carga del almacenamiento.
6. Central helio-térmica con
gestión exergética del calor, según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, caracterizada por que
la central, y cada uno de sus sectores, se configura con el
siguiente circuito de funcionamiento, que se determina por la
apertura de válvulas y por la activación de las bombas o
circuladores realizadas teniendo en cuenta que la posición o estado,
por defecto, de las válvulas será la de cierre, y en las bombas la
de inactivación de tal manera que en condiciones en las que se ha
superado el nivel de captación solar que produce el funcionamiento
nominal del ciclo termodinámico de la central, el caudal másico y
la temperatura del fluido calorífero a la salida de la batería de
captadores solares (1) de cada sector van por encima de sus valores
nominales correspondientes, y se activa el modo de carga térmica de
los sistemas de almacenamiento, estableciéndose la circulación por
el circuito secundario (14) del intercambiador (13) de alta
temperatura, por lo que a la salida del mismo, el fluido del
almacenamiento adquiere temperatura por encima de la nominal,
calentándose así el depósito térmico (15) de dicho sistema de alta
temperatura, saliendo por el circuito primario de dicho
intercambiador el fluido calorífero a temperatura nominal, estando
abiertas las válvulas (18) de cierre-regulación del
circuito secundario del intercambiador de carga del sistema de
almacenamiento de alta temperatura y activada la bomba (16) de
recirculación del fluido del almacenamiento en el circuito de carga
del sistema indirecto; y abriéndose las válvulas (41, 38) del ramal
de carga del sistema de almacenamiento de baja temperatura y del
ramal de retorno del sistema de almacenamiento de baja temperatura
al circuito principal, en carga, a través de cuyo ramal, en el que
está activada la bomba (37) de recirculación del fluido calorífero
en el retorno de conexión entre el almacenamiento directo y el
circuito principal, en carga del almacenamiento, pasa el caudal de
fluido calorífero excedente sobre el valor nominal, para volver a
la batería de captadores (1); llegando por el circuito principal,
al intercambiador principal (2), exactamente el caudal nominal de
fluido calorífero, con la temperatura nominal, lo cual se verifica
por el medidor de caudal másico y de temperatura del fluido del
sistema de almacenamiento de baja temperatura (25) y el medidor de
caudal másico y de temperatura del fluido a la entrada del
intercambiador principal (27), manteniéndose así el funcionamiento
nominal del ciclo termodinámico de la central.
7. Central helio-térmica con
gestión exergética del calor, según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, caracterizada por que
la central, y cada uno de sus sectores, se configura con el
siguiente circuito de funcionamiento, que se determina por la
apertura de válvulas y por la activación de las bombas o
circuladores realizadas teniendo en cuenta que la posición o estado,
por defecto, de las válvulas será la de cierre, y en las bombas la
de inactivación de tal manera que estando llenos total o
parcialmente los depósitos térmicos de alta temperatura (15) y de
baja temperatura (22) de los sistemas de almacenamiento de alta y
baja temperatura respectivamente, y estando en condiciones de
captación de la irradiación solar que no llega a producir el
funcionamiento nominal del ciclo termodinámico de la central, los
valores de caudal másico y temperatura del fluido calorífero a la
salida de la batería de captadores solares (1) son insuficientes,
al estar por debajo de los valores nominales correspondientes, y en
tal caso se activan los sistemas de descarga térmica de ambos
depósitos (15 y 22), aportándose por el sistema directo, o de baja
temperatura, el caudal másico de fluido calorífero que falta para
completar hasta el valor nominal el caudal másico aportado por la
batería de captadores solares (1), para lo cual se activa la bomba
(35) y se abren las válvulas (36) y (40); y se calienta el caudal
conjunto de fluido calorífero, tras esa complementación, hasta el
valor nominal de temperatura, por la acción del intercambiador (20)
de descarga térmica del almacenamiento indirecto o de alta
temperatura, para lo cual se abren las válvulas (19) y se activa la
bomba (17); y por lo cual, la mezcla o caudal conjunto de los
caudales másicos, aportados desde la batería de captadores solares
(1) y desde el almacenamiento directo, al intercambiador principal
(2), tiene no sólo el caudal másico nominal, sino la temperatura
nominal, lo que se verifica por el medidor (27).
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