ES2365286A1 - Economizador en planta solar de torre y método de funcionamiento de dicha planta. - Google Patents
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Abstract
Economizador en planta solar de torre y método
de funcionamiento de dicha planta cuya finalidad es aprovechar el
calor proveniente de las pérdidas térmicas que se generan alrededor
de los receptores solares de torre (3) para precalentar el fluido
del que se alimentan los receptores solares de vapor saturado o
sobrecalentado. Cuando el calor de las pérdidas que absorbe el
economizador (2) no es suficiente para alcanzar la temperatura
mínima necesaria se utiliza un economizador secundario (4) que toma
vapor vivo (antes de entrar en la turbina) y aumenta la temperatura
del agua de alimentación del receptor (3).
Description
Economizador en planta solar de torre y método
de funcionamiento de dicha planta.
La presente invención se encuadra dentro de la
tecnología referente a plantas solares termoeléctricas de receptor
central para la producción de electricidad o calor de proceso.
Más concretamente se refiere a centrales de
torre tanto de receptor solar de vapor saturado como de
sobrecalentado.
Los Sistemas de Concentración Solar
("SCS") son usados para aumentar la temperatura de un
fluido de trabajo concentrando sobre él la radiación solar y
aprovechar esa energía calorífica, ya sea en procesos industriales
como en procesos de generación de energía eléctrica.
Dentro de los SCS se encuentran los sistemas de
receptor central de torre, donde la radiación solar es concentrada
mediante el uso de helióstatos en un receptor ubicado en la parte
superior de una torre y donde es transformada en energía térmica
mediante la absorción de calor por parte del fluido de trabajo.
Una primera aproximación a la tecnología de
receptor central de torre fue definida en la patente US3924604 de
1974; el receptor allí descrito, de tipo exterior y con tubos
dispuestos alrededor del eje central de la torre, se ubica en la
parte superior de la misma, que a su vez se localiza en el centro de
un campo de helióstatos dispuestos de forma circular.
Posteriormente, en 1983, se describió una nueva configuración para
una planta de concentración solar de torre mediante la patente
US4400946, donde se planteó la generación de vapor en un receptor
dispuesto en un anillo de un sector circular de la circunferencia
descrita por la torre; desde entonces, se han publicado otras
patentes referidas a esta tecnología que buscan la optimización de
los diferentes elementos y procesos del sistema, como lo son la
US6911110 y la WO2008118980 publicadas en 2005 y 2008
respectivamente.
Uno de los factores más importantes a tener en
cuenta a la hora de diseñar un receptor solar son las pérdidas
térmicas. Las pérdidas térmicas en un receptor solar de
concentración de torre se estiman en torno al 10%-20%, dependiendo
del diseño. Estas pérdidas pueden ser de dos tipos, pérdidas
térmicas por radiación y pérdidas térmicas por convección. Las
pérdidas térmicas por radiación a su vez pueden ser pérdidas
térmicas por reflexión del material y pérdidas térmicas por emisión
del material.
Para aumentar la eficiencia de los sistemas de
concentración solar, en el estado de la técnica se tiende a aplicar
distintos desarrollos que sirvan para precalentar el agua que va a
circular por el receptor.
El documento WO 2009/044622 A1 describe una
forma de precalentar el agua haciéndola circular por unas tuberías
expuestas a la radiación solar, antes de enviarla al receptor.
El documento WO 2008/154599 A1 también describe
una forma de precalentar el agua haciéndola pasar por unos
precalentadores eléctricos que elevan su temperatura antes de
entrar en el circuito de la planta solar propiamente dicho.
Ambas soluciones son ejemplos que tratan de
aumentar la eficiencia del sistema precalentando el agua o fluido
caloportador antes de que circule por el receptor solar, con el
objetivo de lograr mayor temperatura a la salida del receptor y, en
consecuencia, rendimientos más altos en la turbina y por tanto mayor
eficiencia del sistema.
Pero ambos desarrollos utilizan energía nueva
para precalentar esta agua. En el primer documento el agua se
precalienta con rayos solares lo que implica que se requiera una
gran superficie del suelo para tenerla ocupada con estas tuberías,
además de requerir que el receptor no esté elevado. En el segundo
caso el agua se precalienta con una resistencia eléctrica, es
decir, parte de la energía que la planta produce se emplea en
precalentar el agua, lo que supone una penalización en la eficiencia
de la planta debido a estos autoconsumos eléctricos.
Por todo ello, la presente invención tiene como
objetivo proporcionar un sistema de precalentamiento del agua antes
de entrar en el receptor, pero que se diferencia del estado de la
técnica conocido porque utiliza como energía de precalentamiento las
pérdidas térmicas del propio receptor, aumentando considerablemente
la eficiencia de la planta.
La siguiente invención consiste en un sistema de
receptor solar de torre en el que se trata de recuperar el calor de
las pérdidas mediante la disposición de un economizador en la parte
superior de un receptor.
Para aumentar la eficiencia de un receptor en
torre, ya sea de vapor saturado o de vapor sobrecalentado, se ha
diseñado un sistema economizador. Este economizador recoge el calor
procedente de las perdidas térmicas del receptor, tanto las pérdidas
por convección, por reflexión, así como por las pérdidas por
radiación debido a la emisividad del material del que esté fabricado
el receptor.
El economizador consiste en un intercambiador de
calor por donde circula un fluido (preferentemente agua) cuya
finalidad es el precalentamiento de dicho fluido.
El economizador se sitúa en la parte superior
del receptor de manera que aprovecha el calor desprendido por éste,
a causa de las pérdidas térmicas generadas. Gracias a esa energía
térmica, en el economizador se precalienta dicho fluido hasta
alcanzar la temperatura necesaria. En el caso de tratarse de agua,
esta temperatura es la necesaria para entrar en el calderín. El
agua que se encuentra en el calderín pasa directamente al receptor
de vapor saturado. El vapor que sale del receptor de vapor saturado
se puede dirigir directamente a la turbina o primero al receptor de
vapor sobrecalentado, en el caso de que exista y después a la
turbina.
De la misma forma que existe un economizador que
aprovecha la energía térmica de pérdidas del receptor de vapor
saturado, se puede instalar otro en el receptor de vapor
sobrecalentado, si existiese, también con el mismo fin, es decir, el
precalentamiento del agua antes de la entrada en el calderín.
De esta forma, se consigue aumentar la
eficiencia del ciclo en un 8-16% dependiendo de las
pérdidas térmicas y de la geometría del receptor, independientemente
de que se trate de un receptor de vapor saturado o
sobrecalentado.
Este porcentaje de recuperación corresponde a un
economizador de alta presión. Un economizador de alta presión es
aquel que trabaja a presiones superiores a 90 bares, sustituyendo
así el economizador a los calentadores de alta presión existentes en
las plantas tradicionales.
En el caso de que el calor de las pérdidas no
sea suficiente para aumentar la temperatura del fluido
(preferentemente agua) hasta la temperatura necesaria, se puede
instalar un economizador secundario.
El economizador secundario consiste en un
calentador de alta presión instalado también en lo alto de la
torre. En él se toma vapor vivo, es decir, se extrae parte del vapor
antes de que entre en la turbina y se utiliza este vapor para
aumentar la temperatura del fluido de alimentación del receptor en
un intercambiador de calor. El drenaje de este economizador
secundario se llevará directamente al calderín haciendo uso de una
pequeña bomba o al desaireador con una tubería desde lo alto de la
torre hacia el mismo.
Con este diseño de torre solar, con equipos
economizadores basados en la utilización del calor de las pérdidas
térmicas, se logra aumentar la eficiencia del sistema drásticamente
por dos razones fundamentales: se precalienta el fluido que entra en
el receptor y se aprovecha el calor de las pérdidas térmicas.
Para completar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la
invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1: Sistema de circulación del vapor en el
que se incluye el economizador.
Figura 2: Economizador en forma de plano situado
sobre el receptor.
Figura 3: Economizador en forma de haz situado
sobre el receptor.
Las referencias que aparecen en las figuras
representan los siguientes elementos:
- (1)
- Bombas de alimentación
- (2)
- Economizador
- (3)
- Receptor
- (4)
- Economizador secundario
- (5)
- Calderín
- (6)
- Salida de vapor a turbina o a receptor de vapor sobrecalentado
- (7)
- Salida al desaireador
- (8)
- Paredes del receptor
- (9)
- Rayo solar
Para lograr una mayor comprensión de la
invención a continuación se va a describir el economizador solar en
receptores solares de torre, según una realización preferente, en
la que el fluido que circula por el receptor es agua.
En primer lugar y según se observa en la figura
1, el circuito comprende unas bombas de alimentación (1) las cuales
se encargan de proveer el agua al receptor (3), después de su
precalentamiento. A la salida de las bombas de agua de alimentación
(1), el agua subenfriada (a unos 110ºC) es elevada a la parte alta
de la torre. Dicha agua se hace circular por el economizador
(2).
En el economizador (2) (que en una realización
preferente se sitúa en el techo del receptor (3)) el agua a 110ºC se
calienta gracias a la energía de pérdidas del receptor (3).
El agua que sale del economizador (2) se envía
directamente al calderín (5).
La salida del calderín (5) está unida a la
entrada del receptor saturado (3), de manera que el agua que ahora
entra al receptor (3) ya está a temperatura elevada.
El vapor saturado (6) que sale del receptor de
vapor saturado (3) es llevado directamente a turbina si no se desea
sobrecalentar o bien a un receptor de vapor sobrecalentado y a
continuación a turbina.
Puede ocurrir que el calor de las pérdidas no
sea suficiente para alcanzar la temperatura necesaria para entrar en
el calderín (5), en ese caso, las bombas de agua de alimentación (1)
llevarán una parte de dicha agua a un economizador secundario (4)
que se encuentra situado en paralelo con el primer economizador
(2).
Este economizador secundario (4) comprende un
intercambiador o calentador de alta presión situado en lo alto de la
torre. Por dicho intercambiador circula vapor vivo, es decir, vapor
que se extrae de la turbina, y que se emplea para trasmitir calor al
agua de alimentación, aumentando su temperatura antes de entrar en
el calderín (5).
El agua precalentada proveniente de cualquiera
de los dos economizadores (2, 4) es llevada al calderín (5) y de ahí
al receptor (3).
La geometría del economizador (2), tal y como se
ve en la figura 2 y según una realización preferente, comprende un
panel de tubos, con o sin aletas situado sobre el receptor (3)
formando un plano. También puede configurarse en forma de un haz de
tubos, tal y como se refleja en la figura 3. De manera que el calor
que por causa de las pérdidas sube por la cavidad del receptor, va
calentando el agua fría.
Este economizador (2) dispondrá de un
recubrimiento especial de absortividad superior al 0.9 para recibir
todo el calor que reciba y puede estar construido de acero.
Este sistema de economizador, como se ve en las
figuras 2 y 3, se instala en la parte superior del receptor (3), de
forma que el calor desprendido por las pérdidas térmicas, ya sean
de radiación, convección o reflexión o bien por conducción del
material que forma el receptor, sea captado por el economizador
(2).
Se puede instalar un economizador tanto en
receptores de vapor saturado como en receptores de vapor
sobrecalentado, es decir, en una misma torre pueden existir tantos
economizadores como receptores haya, sean del tipo que sean.
Aunque el sistema se ha concebido para su
aplicación en receptores solares de torre no se descarta su
extensión a otros campos de la industria que requieran
características similares.
Claims (18)
1. Economizador en planta solar de torre de los
que están formados por un campo solar de helióstatos que reflejan y
orientan la radiación solar hacia uno o varios receptores situados
en lo alto de la torre produciéndose en esos receptores el
calentamiento de un fluido, caracterizado porque dicho
economizador (2) absorbe la energía calorífica desprendida por las
pérdidas térmicas de un receptor (3) y la utiliza para precalentar
el fluido que circula por su interior y que será con el que se
alimente al receptor (3).
2. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 1 caracterizado porque el economizador (2) se
sitúa sobre el receptor (3) de manera que el calor que por causa de
las pérdidas sube por la cavidad del receptor (3), caliente el
economizador (2) y en consecuencia, el fluido que circula por su
interior.
3. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 1 caracterizado porque el economizador (2)
está formado por tubos.
4. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 3 caracterizado porque los tubos se disponen
en forma de plano.
5. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 3 caracterizado porque los tubos se disponen
en forma de haz.
6. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 3 caracterizado porque los tubos tienen
aletas.
7. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 1 caracterizado porque el economizador (2)
dispone de un recubrimiento especial de absortividad superior al
0.9 para recibir todo el calor que reciba.
8. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 1 caracterizado porque se instala un
economizador secundario (4) en paralelo con el primer economizador
(2), instalado en lo alto de la torre, por el que circula vapor y
transmite ese calor, al fluido de alimentación del receptor (3).
9. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 8 caracterizado porque el economizador
secundario (4) comprende un intercambiador o calentador de alta
presión.
10. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 9 caracterizado porque por el economizador
secundario (4) circula vapor vivo (vapor que se extrae de la
turbina).
11. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 1 caracterizado porque el fluido es agua.
12. Economizador en planta solar de torre según
reivindicación 11 caracterizado porque entre el economizador
(2) y el receptor (3) se coloca un calderín (5).
13. Economizador en planta solar de torre según
reivindicaciones 8 y 11 caracterizado porque entre la salida
de ambos economizadores (2, 4) y el receptor (3) se coloca un
calderín (5).
14. Método de funcionamiento de la planta solar
con economizador como el descrito en las reivindicaciones
anteriores que comprende las siguientes etapas:
- -
- unas bombas de alimentación (1) elevan fluido subenfriado (a unos 110ºC) a la parte alta de la torre donde circula por el economizador (2) precalentándose;
- -
- el fluido que sale del economizador (2) se envía al receptor (3), de manera que el fluido que ahora entra al receptor (3) ya está a temperatura elevada;
- -
- el vapor (6) que sale del receptor (3) es llevado directamente a la turbina, si se trata de un receptor de vapor sobrecalentado o si proviene de un receptor de: vapor saturado y no se desea sobrecalentar.
15. Método de funcionamiento de la planta solar
con economizador según reivindicación 14 caracterizado
porque cuando el calor de las pérdidas que absorbe el economizador
(2) no es suficiente para alcanzar la temperatura necesaria para
entrar en el calderín (5), las bombas de alimentación (1) llevan una
parte del fluido al economizador secundario (4) aumentando la
temperatura del fluido de alimentación y el fluido precalentado
proveniente de cualquiera de los dos economizadores (2, 4) es
llevado al receptor
(3).
(3).
16. Método de funcionamiento de la planta solar
con economizador según reivindicación 14 caracterizado
porque el fluido de alimentación es agua.
17. Método de funcionamiento de la planta solar
con economizador según reivindicación 16 caracterizado
porque el agua que sale del economizador (2) se envía se un calderín
(5) cuya salida está unida a la entrada del receptor (3).
18. Método de funcionamiento de la planta solar
con economizador según reivindicaciones 15 y 16
caracterizado porque el agua que sale del economizador
secundario (4) se envía a un calderín (5) cuya salida está unida a
la entrada del receptor (3).
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