ES2350668B1 - 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.
Sector técnico de la invención
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.
Antecedentes de la invención
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 dondese concentratodala radiaciónsolary atravésdelcualse transfierela energíaaun fluidodetrabajoquepuede alcanzar una temperatura de hasta 1000ºC; esta energía es usada posteriormente para la generación de electricidad.
Enla actualidad,secuentacon diferentestiposdereceptoresenlosquepuedevariarelfluidodetrabajo,laformaen laquese transfierela energíaaéste últimoylaconfiguracióndel receptor.Así,hayreceptoresdetubos,volumétricos, de intercambio directoo indirectode energía,devapor saturadoydevapor sobrecalentado, entre otros.
Los receptores de concentración solar de torre pueden ser exteriores o disponerse en una cavidad ubicada en la parte superior dela estructura con el fin de disminuir las pérdidas térmicas. La configuración debepermitir que la potencia incidente supere en magnitud las pérdidas que se presentan por radiacióny convección.En los receptoresde vapor sobrecalentado, la temperatura alcanzada en la superficie es mayor que en los receptores agua/vapor, razón por lacuallas pérdidaspor radiacióntambiénson mayores,sinembargo, tienenlaventajade aumentarla eficienciadel ciclo termodinámico, con lo que esas pérdidas quedan compensadas.
De esta forma,laventaja principaldelos receptoresdevapor sobrecalentado radicaenqueal trabajar conun fluido de mayornivel energético, incrementanel rendimientodela turbinayla eficienciadel ciclo termodinámico,porloque los costesde producciónde electricidaddisminuyen.Se estimaquelaeficienciadel ciclopuede aumentarun10%,y que el nivel de producción de energía eléctrica se podría elevar un 20%.
Laideadelusode receptoresdevaporsobrecalentadoen sistemasde concentraciónsolardetorrefue implementada enlosproyectosde Cesa-1ySolarOneenlosaños80.ElproyectoCesa-1,ubicadoenla PlataformaSolarde Almería, contaba con un receptor de cavidad conformado por un evaporadory doshaces 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 resistenciadelosmaterialesyconel controldelsistemaante estados transitorios.EnSolarOne,aparecierongrietas enla parte superiorde los subpaneles del receptor, causadas porla diferenciade temperatura entre un panelyotro,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,alaradiación reflejadaporlos helióstatos(conlaquesealcanzan temperaturas cercanasa 600ºC),yal gradientedetemperaturadelfluidodetrabajoentrelaentradaylasalidadel componente(se alimentavaporentre250310ºCysalea 540ºC).
Los mencionados inconvenientes de los receptores de vapor sobrecalentado, pueden reducirse eliminando la coexistencia defases líquido-vapor en el interior de los tubosymediante una configuración adecuada de los elementos que conformanel componente solar.Es aquí donde radicala importancia del diseñoyconfiguración del receptor,a travésdelaquesepueda operar correctamente,conlaquesefaciliteel controldel sistemaysegaranticelaintegridad dela estructuray su durabilidad.
Descripción de la invención
Estainvención proponeeldiseñode un receptor centralde torredevapor sobrecalentado, con una configuración definida quefacilitael funcionamiento del componenteyel controlde 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 conformanel receptor,porelqueselogra disminuirla diferenciade temperaturas entre paneles adyacentesylas tensiones térmicasexperimentadasporel material causantesde dañosenla estructura, como fracturasyagrietamientos.
Este receptor, de tipo cavidad, es alimentado por una corriente de vapor saturado, que es sobrecalentado a medida queavanzaensu recorridopor accióndela radiación solar reflejadaporlos helióstatosyconcentradaenel 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 maneraquegraciasaésta configuraciónseconsiguerecogertodalaenergíasolarprovenientedelcampode helióstatos.
Cada subpanel está compuesto por un haz de tubos verticales por cuyo interior circula el fluido de trabajo que es alimentadoporla parte superiordelos subpaneles centralesdel receptorydesdeahíva circulando hacialos 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 arribaabajooalrevés), siendola corriente salientedelúltimopasodecada subpanellaque alimentael subpanel adyacente.
Lasventajasque proporcionael usode pasosen cada subpanel sonquefavorecela transferenciade calor entrela superficiedel receptoryelfluidoyademás, permite aumentarel caudaldel fluidoque circulaporel 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 receptoresdeigual aplicación,enlosquelos ciclos térmicosquedebe soportarel materialsonmás fuertesyportanto tienen un mayor impacto en elmaterial.
Este dispositivo permite entonces solventar los inconvenientes que presenta la tecnología de receptores de vapor sobrecalentadoyproporcionaventajasporsu utilización, tales comola disminucióndel riesgode dañosenla estructurayel material del receptor, aumento de la eficiencia del ciclo termodinámico,facilidad de control del sistemay reducciónde costesde mantenimientoyde generaciónde electricidad.
Descripción de los dibujos
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 ilustrativoy no limitativo, seha representadolo siguiente:
Figura1. Geometríade un receptordevapor sobrecalentadode6subpaneles.
Figura2. Geometríade un receptordevapor sobrecalentadode4subpaneles.
Figura3. Configuración posiblede subpaneles del receptor centralde torre propuesto, paralaproduccióndevapor sobrecalentado. Recorrido del vapor.
Acontinuación se proporciona un listado con las referencias utilizadas en las figuras:
(1)
Subpanel1oriental
(2)
Subpanel2oriental
(3)
Subpanel3oriental
(4)
Subpanel1occidental
(5)
Subpanel2occidental
(6)
Subpanel3occidental
(7)
Punto de enfoque de los helióstatos
(8)
Paso1del subpanel
(9)
Paso2del subpanel
(10)
Corriente de alimentación de vapor saturado al receptor, que se realiza por los subpaneles centrales
(11)
Corrientedevapor entrante del paso1al paso2
(12)
Corrientedevapor que alimentael paso1del subpanel contiguo
(13)
Corriente de vapor sobrecalentado que sale del receptor
Realización preferente de la invención
Para lograruna mayor comprensióndelainvencióna continuaciónsevaa describirel sistemayfuncionamiento del receptor de central de torre solar de vapor sobrecalentado.
Comoseobservaenlasfiguras1y2,elreceptordevapor sobrecalentadoestá formadoporunaseriede subpaneles, seisenel casodelafigura1(1,2,3,4,5,6)y cuatroenel casodelafigura2(1,2,4,5)enlosquese concentrala radiación solar.Lossubpaneles(1,2,3,4,5,6)se encuentran adyacentes unosde otros conuna disposicióngeométrica semicilíndrica, de manera que gracias a ésta configuración se consigue recoger toda la energía solar proveniente del campode helióstatos que reflejanla radiación solaryla orientan haciael puntode enfoque (7).
La configuracióndeun receptorde cuatro subpaneles comoel mostradoenlafigura2sepuede observarenlafigura 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 compuestoporunhazdetubosverticales agrupadosenal menosdospasoso zonas, el paso1(8)yel paso2(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.Elvapor saturadode alimentaciónpuedeprovenirde cualquier otra fuentey se introduceenel receptor por una vía de alimentación (10) situada en la parte superior de los subpaneles centrales (1, 4). Este vapor saturado es sobrecalentadoa medidaqueavanzaensu recorridopor accióndela radiación solar reflejadaporlos helióstatosy concentradaenelreceptor.Elvapor recorreelpaso1(8)delprimersubpanel(1,4)ysehace circular(11)haciaelpaso 2(9).Unavezquesaledelprimer subpanelse introduce(12)enel subpanel adyacente(2,5)yrecorredelamisma formalos pasos1(8)y2(9)de estesegundo subpanel.Unavezqueha terminadode recorrer todoslos 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 (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre caracterizado por ser alimentado convapor saturadoy 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 orientadahacia el lugar de apunte de los helióstatos. La alimentación de corrientedevapor saturadose realizaporla parte altadelos subpaneles centralesque conformanel receptory va circulandoa travésde los dos pasos del primer subpanelysiguientes, hasta que salecomovapor sobrecalentado.
  2. 2.
    Receptor solardevapor sobrecalentadodetipo torresegúnreivindicación1 caracterizado porque funciona en combinación con otro tipo de tecnología de concentración solar para la producción del vapor saturado que alimenta el receptor.
  3. 3.
    Receptor solardevapor sobrecalentadode tipo torre según reivindicación1 caracterizado porque cuenta con un sistema de almacenamiento de energía en forma de agua-vapor o almacenamiento en sales.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud:200901374
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 05.06.2009
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    ES 8506393 A1 (BABCOCK & WILCOX CO) 01.11.1985, todo el documento. 1
    Y
    2,3
    Y
    US 2005126170 A1 (LITWIN ROBERT Z) 16.06.2005, párrafos [0020-0037]; figuras 3-6. 2,3
    A
    ES 483784 A1 (BABCOCK & WILCOX CO) 01.03.1980, página 4, línea 8 -página 7, línea 15; figuras 1-5. 1,3
    A
    US 2004086021 A1 (LITWIN ROBERT ZACHARY) 06.05.2004, párrafos [0003],[0015-0017]; figuras. 1,3
    A
    ES 8503114 A1 (BABCOCK & WILCOX CO) 01.05.1985, página 7, línea 21 – página 12, línea 18; figuras 1-3,7. 1
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones □ para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 29.12.2010
    Examinador A. Hoces Diez Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud:200901374
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD F24J2/07 (01.01.2006)
    F22G1/06 (01.01.2006) F03G6/06 (01.01.2006) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    F24J, F22G, F03G
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud:200901374
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 29.12.2010
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-3 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-3 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud:200901374
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    ES 8506393 A1 (BABCOCK & WILCOX CO) 01.11.1985
    D02
    US 2005126170 A1 (LITWIN ROBERT Z) 16.06.2005
    D03
    US 2004086021 A1 (LITWIN ROBERT ZACHARY) 06.05.2004
  4. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención es un receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre alimentado con vapor saturado y constituido por una serie de subpaneles conectados en serie, a través de los que circula el vapor, que presentan 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.
    El documento D01, que puede considerarse el estado de la técnica más cercano al objeto técnico de la reivindicación 1 y al que pertenecen las referencias numéricas que siguen, divulga un receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre (14) alimentado con vapor saturado y constituido por una serie de subpaneles (S1, S2, S3) a través de los que circula el vapor, que presentan cada uno de ellos uno o más pasos o zonas del subpanel constituidas por un conjunto de tubos verticales
    (18) 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 y la alimentación de corriente de vapor saturado se realiza por la parte baja de los subpaneles centrales que conforman el receptor y va circulando a través de los pasos del primer subpanel y siguientes, hasta que sale como vapor sobrecalentado. También divulga que el número de pasos de los subpaneles puede ser mayor o menor (ver página 23, líneas 9-14). El hecho de que la alimentación del fluido caloportador se realice por la parte superior de los subpaneles se considera una opción de diseño ampliamente conocida en el estado de la técnica (ver documento citado D03). Por lo tanto, la reivindicación 1 carece de actividad inventiva en base a lo divulgado en el documento D01 (Art. 8.1 LP 11/1986).
    Respecto a la reivindicación dependiente 2, el documento D02 (al que pertenecen las referencias numéricas que siguen) divulga una planta de concentración solar formada por un receptor solar de tipo torre (120) que funciona en combinación con un sistema de colectores solares (108) y que es usada para calentar diferentes tipos de fluidos caloportadores hasta una primera temperatura en el sistema de colectores solares (108) y, adicionalmente, hasta una segunda temperatura en el receptor solar (120).
    Para un experto en la materia resultaría obvio incorporar el sistema de colectores solares descrito en el documento D02 al receptor solar tipo torre descrito en el documento D01, dando como resultado el objeto técnico recogido en la reivindicación 2 de la solicitud. Por lo tanto, la reivindicación 2 carece de actividad inventiva en base a lo divulgado en los documentos D01 y D02 (Art. 8.1 LP 11/1986).
    En relación con la reivindicación dependiente 3, el documento D02 (al que pertenecen las referencias numéricas que siguen) divulga un receptor solar que cuenta con un sistema de almacenamiento de energía (150) del fluido caloportador, que en una realización preferente son sales fundidas. Por lo tanto, la reivindicación 3 carece de actividad inventiva en base a lo divulgado en los documentos D01 y D02 (Art. 8.1 LP 11/1986).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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