ES2350668A1 - Receptor solar de vapor sobrecalentado. - Google Patents
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Abstract
Receptor solar de torre de vapor sobrecalentado con configuración definida que favorece la transferencia de calor entre la superficie del componente y el fluido de trabajo. Compuesto por al menos cuatro subpaneles que definen un circuito de circulación para el vapor mediante pasos internos. El componente es alimentado con vapor saturado para cuya producción se puede usar otra tecnología de concentración solar. La configuración propuesta minimiza los riesgos tecnológicos de la tecnología de receptores de vapor sobrecalentado en los que se presentan inconvenientes en la estructura del material por los ciclos térmicos a los que está sometido el componente solar.
Description
Receptor solar de vapor sobrecalentado.
Esta invención pertenece al campo de tecnologías
solares de concentración para la producción de vapor sobrecalentado,
más específicamente a tecnología de receptor central de torre con
campo de helióstatos para aplicación en generación de
electricidad.
Dentro de las tecnologías solares de
concentración, se encuentran los sistemas de receptor central de
torre en los que la radiación solar directa es reflejada por un
campo de helióstatos hacia un receptor. El receptor es el componente
donde se concentra toda la radiación solar y a través del cual se
transfiere la energía a un fluido de trabajo que puede alcanzar una
temperatura de hasta 1000ºC; esta energía es usada posteriormente
para la generación de electricidad.
En la actualidad, se cuenta con diferentes tipos
de receptores en los que puede variar el fluido de trabajo, la forma
en la que se transfiere la energía a éste último y la configuración
del receptor. Así, hay receptores de tubos, volumétricos, de
intercambio directo o indirecto de energía, de vapor saturado y de
vapor sobrecalentado, entre otros.
Los receptores de concentración solar de torre
pueden ser exteriores o disponerse en una cavidad ubicada en la
parte superior de la estructura con el fin de disminuir las pérdidas
térmicas. La configuración debe permitir que la potencia incidente
supere en magnitud las pérdidas que se presentan por radiación y
convección. En los receptores de vapor sobrecalentado, la
temperatura alcanzada en la superficie es mayor que en los
receptores agua/vapor, razón por la cual las pérdidas por radiación
también son mayores, sin embargo, tienen la ventaja de aumentar la
eficiencia del ciclo termodinámico, con lo que esas pérdidas quedan
compensadas.
De esta forma, la ventaja principal de los
receptores de vapor sobrecalentado radica en que al trabajar con un
fluido de mayor nivel energético, incrementan el rendimiento de la
turbina y la eficiencia del ciclo termodinámico, por lo que los
costes de producción de electricidad disminuyen. Se estima que la
eficiencia del ciclo puede aumentar un 10%, y que el nivel de
producción de energía eléctrica se podría elevar un 20%.
La idea del uso de receptores de vapor
sobrecalentado en sistemas de concentración solar de torre fue
implementada en los proyectos de Cesa-1 y Solar One
en los años 80. El proyecto Cesa-1, ubicado en la
Plataforma Solar de Almería, contaba con un receptor de cavidad
conformado por un evaporador y dos haces sobrecalentadores
superpuestos al evaporador. El receptor de Solar One era de
configuración cilíndrica abierta, más fácil de construir que el de
Cesa-1 pero con mayores pérdidas térmicas.
En ambos proyectos se presentaron inconvenientes
técnicos al operar las plantas, relacionados principalmente con la
resistencia de los materiales y con el control del sistema ante
estados transitorios. En Solar One, aparecieron grietas en la parte
superior de los subpaneles del receptor, causadas por la diferencia
de temperatura entre un panel y otro, lo que ocasionó fugas del
fluido de trabajo; la solución planteada, fue la disminución del
gradiente de temperatura entre paneles con algunas modificaciones
estructurales. En Cesa-1, los problemas
experimentados fueron causados por la inercia térmica del sistema
que causaban inundaciones en los colectores del
sobrecalentador.
Según lo expuesto anteriormente, los receptores
de vapor sobrecalentado pueden presentar daños en su estructura
debido a las altas temperaturas de operación, a la distribución del
flujo incidente (no uniforme) y a las tensiones térmicas a las que
está sometido el material. Los ciclos térmicos, son generados por la
exposición de la superficie al ambiente, a la radiación reflejada
por los helióstatos (con la que se alcanzan temperaturas cercanas a
600ºC), y al gradiente de temperatura del fluido de trabajo entre la
entrada y la salida del componente (se alimenta vapor entre
250-310ºC y sale a 540ºC).
Los mencionados inconvenientes de los receptores
de vapor sobrecalentado, pueden reducirse eliminando la
coexistencia de fases líquido-vapor en el interior
de los tubos y mediante una configuración adecuada de los elementos
que conforman el componente solar. Es aquí donde radica la
importancia del diseño y configuración del receptor, a través de la
que se pueda operar correctamente, con la que se facilite el
control del sistema y se garantice la integridad de la estructura y
su durabilidad.
Esta invención propone el diseño de un receptor
central de torre de vapor sobrecalentado, con una configuración
definida que facilita el funcionamiento del componente y el control
de su operación en plantas solares.
La principal ventaja del diseño objeto de esta
invención, es que su implementación permite aumentar la vida útil
del receptor, puesto que el fluido de trabajo se hace circular por
un circuito definido a través de los subpaneles que conforman el
receptor, por el que se logra disminuir la diferencia de
temperaturas entre paneles adyacentes y las tensiones térmicas
experimentadas por el material causantes de daños en la estructura,
como fracturas y agrietamientos.
Este receptor, de tipo cavidad, es alimentado
por una corriente de vapor saturado, que es sobrecalentado a medida
que avanza en su recorrido por acción de la radiación solar
reflejada por los helióstatos y concentrada en el receptor. El vapor
saturado de alimentación puede provenir de cualquier otra fuente,
incluso de aquellas que utilizan tecnologías de concentración solar
para su producción, por lo que el diseño del receptor propuesto
puede usarse en combinación con otro tipo de plantas solares. Así
mismo, este receptor permite plantear la posibilidad de implementar
un sistema de almacenamiento de energía en forma de
agua-vapor o almacenamiento en sales.
La configuración propuesta de receptor, está
formada por una serie de subpaneles en los que se concentra la
radiación solar. Los subpaneles se encuentran adyacentes unos de
otros con una disposición geométrica semicilíndrica, de manera que
gracias a ésta configuración se consigue recoger toda la energía
solar proveniente del campo de helióstatos.
Cada subpanel está compuesto por un haz de tubos
verticales por cuyo interior circula el fluido de trabajo que es
alimentado por la parte superior de los subpaneles centrales del
receptor y desde ahí va circulando hacia los subpaneles
adyacentes.
Así mismo, cada subpanel está compuesto por al
menos dos pasos, entendiendo como pasos aquella zona del subpanel
constituida por un conjunto de tubos en los que la circulación del
vapor se produce en el mismo sentido (de arriba abajo o al revés),
siendo la corriente saliente del último paso de cada subpanel la que
alimenta el subpanel adyacente.
Las ventajas que proporciona el uso de pasos en
cada subpanel son que favorece la transferencia de calor entre la
superficie del receptor y el fluido y además, permite aumentar el
caudal del fluido que circula por el receptor.
Esta configuración hace que los gradientes en la
superficie del receptor sean mínimos, gracias a que se consigue la
refrigeración de las zonas de máximo flujo de potencia irradiante
incidente iniciando el paso del vapor a menor temperatura por las
zonas centrales del receptor, por tanto el recorrido del vapor se ha
definido en relación a la distribución del flujo incidente.
El receptor descrito, hace posible el aumento de
la eficiencia del ciclo termodinámico, superior a la obtenida con
receptores de vapor saturado gracias a que al usar vapor
sobrecalentado como fluido de trabajo se aumenta el rendimiento de
la turbina. La configuración propuesta minimiza los riesgos
tecnológicos que se presentan en otros receptores de igual
aplicación, en los que los ciclos térmicos que debe soportar el
material son más fuertes y por tanto tienen un mayor impacto en el
material.
Este dispositivo permite entonces solventar los
inconvenientes que presenta la tecnología de receptores de vapor
sobrecalentado y proporciona ventajas por su utilización, tales
como la disminución del riesgo de daños en la estructura y el
material del receptor, aumento de la eficiencia del ciclo
termodinámico, facilidad de control del sistema y reducción de
costes de mantenimiento y de generación de electricidad.
Para completar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, se acompaña como parte integrante
de dicha descripción, un juego de dibujos donde, con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Geometría de un receptor de vapor
sobrecalentado de 6 subpaneles.
Figura 2. Geometría de un receptor de vapor
sobrecalentado de 4 subpaneles.
Figura 3. Configuración posible de subpaneles
del receptor central de torre propuesto, para la producción de
vapor sobrecalentado. Recorrido del vapor.
A continuación se proporciona un listado con las
referencias utilizadas en las figuras:
- (1)
- Subpanel 1 oriental
- (2)
- Subpanel 2 oriental
- (3)
- Subpanel 3 oriental
- (4)
- Subpanel 1 occidental
- (5)
- Subpanel 2 occidental
- (6)
- Subpanel 3 occidental
- (7)
- Punto de enfoque de los helióstatos
- (8)
- Paso 1 del subpanel
- (9)
- Paso 2 del subpanel
- (10)
- Corriente de alimentación de vapor saturado al receptor, que se realiza por los subpaneles centrales
- (11)
- Corriente de vapor entrante del paso 1 al paso 2
- (12)
- Corriente de vapor que alimenta el paso 1 del subpanel contiguo
- (13)
- Corriente de vapor sobrecalentado que sale del receptor
\vskip1.000000\baselineskip
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se va a describir el sistema y
funcionamiento del receptor de central de torre solar de vapor
sobrecalentado.
Como se observa en las figuras 1 y 2, el
receptor de vapor sobrecalentado está formado por una serie de
subpaneles, seis en el caso de la figura 1 (1,2, 3, 4, 5, 6) y
cuatro en el caso de la figura 2 (1,2, 4, 5) en los que se concentra
la radiación solar. Los subpaneles (1, 2, 3, 4, 5, 6) se encuentran
adyacentes unos de otros con una disposición geométrica
semicilíndrica, de manera que gracias a ésta configuración se
consigue recoger toda la energía solar proveniente del campo de
helióstatos que reflejan la radiación solar y la orientan hacia el
punto de enfoque (7).
La configuración de un receptor de cuatro
subpaneles como el mostrado en la figura 2 se puede observar en la
figura 3, donde también se muestra el circuito del fluido de trabajo
a través de cuatro subpaneles (1, 2, 4, 5) del receptor de vapor
sobrecalentado.
Cada subpanel (1, 2, 4, 5) está compuesto por un
haz de tubos verticales agrupados en al menos dos pasos o zonas, el
paso 1 (8) y el paso 2 (9).
El fluido de trabajo se hace circular por un
circuito definido a través de los subpaneles (1, 2, 4, 5) que
conforman el receptor. El vapor saturado de alimentación puede
provenir de cualquier otra fuente y se introduce en el receptor por
una vía de alimentación (10) situada en la parte superior de los
subpaneles centrales (1, 4). Este vapor saturado es sobrecalentado a
medida que avanza en su recorrido por acción de la radiación solar
reflejada por los helióstatos y concentrada en el receptor. El vapor
recorre el paso 1 (8) del primer subpanel (1,4) y se hace circular
(11) hacia el paso 2 (9). Una vez que sale del primer subpanel se
introduce (12) en el subpanel adyacente (2, 5) y recorre de la misma
forma los pasos 1 (8) y 2 (9) de este segundo subpanel. Una vez que
ha terminado de recorrer todos los subpaneles que conforman el
receptor, sale como vapor sobrecalentado (13).
Este receptor permite plantear la posibilidad de
implementar un sistema de almacenamiento de energía en forma de
agua-vapor o almacenamiento en sales.
Claims (3)
1. Receptor solar de vapor sobrecalentado de
tipo torre caracterizado por ser alimentado con vapor
saturado y estar constituido por una serie de subpaneles conectados
en serie a través de los que circula el vapor, comprendiendo cada
uno de ellos al menos dos pasos o zonas del subpanel constituidas
por un conjunto de tubos verticales en los que la circulación del
vapor se produce en el mismo sentido. Los subpaneles se encuentran
adyacentes unos de otros con una disposición geométrica
semicilíndrica orientada hacia el lugar de apunte de los
helióstatos. La alimentación de corriente de vapor saturado se
realiza por la parte alta de los subpaneles centrales que conforman
el receptor y va circulando a través de los dos pasos del primer
subpanel y siguientes, hasta que sale como vapor sobrecalentado.
2. Receptor solar de vapor sobrecalentado de
tipo torre según reivindicación 1 caracterizado porque
funciona en combinación con otro tipo de tecnología de concentración
solar para la producción del vapor saturado que alimenta el
receptor.
3. Receptor solar de vapor sobrecalentado de
tipo torre según reivindicación 1 caracterizado porque cuenta
con un sistema de almacenamiento de energía en forma de
agua-vapor o almacenamiento en sales.
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FD2A | Announcement of lapse in spain |
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