ES2370552A1 - Procedimiento de refrigeración por tiro natural de una planta de concentración solar. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de refrigeración de una planta solar termoeléctrica de alta concentración de receptor central o torre con campo de heliostatos, en la que la torre se emplea como torre de refrigeración mediante tiro natural.Donde al vapor que proviene de la turbina circulará por el interior de una serie de condensadores situados en la base de la torre, los cuales se encargan de condensar el vapor de su interior y evacuar el calor de condensación al exterior. El fluido que realiza ese intercambio de calor es el aire a temperatura ambiente que se encuentra en la base de la torre. Este vapor, una vez condensado, se bombea de nuevo hacia el receptor para poder ser reutilizado como fluido caloportador. El aire de refrigeración se eleva por la torre saliendo por su parte más alta.Con esta planta se logrará reducir tanto el autoconsumo eléctrico como el consumo de agua.

Description

Procedimiento de refrigeración por tiro natural de una planta de concentración solar.

Sector técnico de la invención

La presente invención se refiere al procedimiento para la refrigeración por tiro natural del vapor que se extrae de la turbina de una planta de concentración solar de tecnología de torre.

Antecedentes de la invención

Dentro de los sistemas de alta concentración solar podemos distinguir los discos Stirling, los colectores cilindro-parabólicos y la tecnología que actualmente nos ocupa, la tecnología de receptor central.

Los sistemas de receptor central están constituidos por un campo de helióstatos, siendo estos espejos de gran superficie (40-125 m^{2} por unidad) denominados helióstatos con seguimiento solar, que reflejan la radiación solar directa sobre uno o varios receptores centrales situados en la parte superior de una torre de gran altura. Estos receptores se encuentran habitualmente albergados en cavidades "escavadas" en la propia torre.

La radiación solar concentrada calienta en el receptor un fluido, cuya energía térmica puede después utilizarse para la generación de electricidad.

En los sistemas de receptor central la tecnología agua-vapor es actualmente la más convencional, empleándose tanto vapor saturado como sobrecalentado como fluido calo portador.

Para este tipo de plantas de torre de energía solar termoeléctrica se necesita por lo tanto una localización en la que vaya unida la existencia de dos recursos, alta irradiancia solar y aporte de agua suficiente. Generalmente aquellas zonas que cumplen con altos índices de irradiancia, son zonas en las que el recurso de agua es limitado, es por ello que en la búsqueda de plantas de receptor solar más eficientes, y con la utilización de la mínima cantidad de agua posible, surge la invención que actualmente se plantea, con el fin de recircular y aprovechar la mayor cantidad de agua posible con el menor autoconsumo eléctrico.

Actualmente las plantas térmicas convencionales de producción de electricidad funcionan de la siguiente manera: los helióstatos reflejan la radiación solar hacia los receptores que se encuentran en la parte alta de la torre, con esa energía se evapora un fluido, dicho vapor se envía a una turbina para producir electricidad y a la salida de la turbina se trata de recuperar el agua del vapor, que se encuentra todavía a una temperatura elevada. Para ello reconducen el vapor que sale de la turbina hacia un condensador. Por este condensador circula agua de red a temperatura más baja que la del vapor, de manera que el vapor cede su calor al agua de red condensándose y pudiéndose a continuación bombear para recircularlo de nuevo al receptor.

El agua de red que circula por el condensador para enfriar el vapor sale a una temperatura más elevada de la que entró. Con el fin de reutilizar de nuevo esta agua en el circuito del condensador, debemos bajar la temperatura de ésta. Para ello se utilizan actualmente torres de refrigeración de circulación forzada mediante grandes ventiladores que permiten la circulación de aire y el intercambio de calor entre éste y el agua. En estas torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene del circuito de condensación mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre.

A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado "relleno". El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.

El relleno sirve para aumentar el tiempo y la superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia el aire. Ésta se produce debido a dos mecanismos: la transmisión de calor por convección y la transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a la evaporación.

En la transmisión de calor por convección, se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de la diferencia de temperaturas entre ambos fluidos.

La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90% es debida al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo saturado sobre la lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que la presión parcial de vapor de agua en la película de aire es superior a la del aire húmedo que circula por la torre, produciéndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de la temperatura del aire.

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Estos sistemas anteriormente planteados presentan varios inconvenientes como son los autoconsumos eléctricos que generan la utilización de ventiladores en las torres de refrigeración y el alto consumo de agua que se requiere.

Con el fin de reducir el autoconsumo eléctrico en las plantas térmicas convencionales se utiliza lo que se denomina torres de tiro natural o de tiro hiperbólico.

El flujo de aire a través de la torre de tiro natural se debe en su mayor parte a la diferencia de densidad entre el aire fresco de la entrada y el aire tibio de la salida. El aire expulsado por la columna es más ligero que el ambiente y el tiro se crea por el efecto chimenea, eliminando con ello la necesidad de ventiladores mecánicos.

La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por la parte superior de la chimenea también ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas y, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. La velocidad media del aire a través de la torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. En este tipo de torres de tiro natural no se utilizan "rellenos" de gran compacidad, debido a que la resistencia al flujo de aire debe ser lo más pequeña posi-
ble.

Como ya hemos comentado estas torres son muy utilizadas en centrales térmicas, en las que supone una fuerte inversión la creación de la torre pero se compensa con el menor gasto eléctrico.

En cuanto al consumo de agua, no se ha podido reducir con lo que este tipo de centrales suelen situarse en lugares donde no existan problemas de abastecimiento.

Descripción de la invención

La invención que actualmente se plantea es el procedimiento de refrigeración de una planta solar termoeléctrica de alta concentración de receptor central o torre con campo de helióstatos, en la que la torre se emplea como torre de refrigeración mediante tiro natural.

Con esta planta se logrará reducir tanto el autoconsumo eléctrico como el consumo de agua, de manera que se podrá instalar en lugares áridos, como pueden ser los desiertos, que son zonas tremendamente favorables para la energía solar por la gran cantidad de horas de sol de las que disponen, pero en las que hasta ahora ha sido imposible su instalación porque el recurso del agua es muy limitado.

La planta solar que la invención plantea consiste en una torre rodeada de un campo de helióstatos que tiene instalados en su parte alta varios receptores solares. Pueden ser receptores de vapor saturado y/o de vapor sobrecalentado. El vapor que de ellos se extrae es conducido a una turbina para la producción de electricidad.

El vapor que se extrae de la turbina y que sigue a temperatura elevada hay que condensarlo y bombearlo para poder reutilizarlo en los receptores de nuevo como fluido caloportador.

Para refrigerar ese vapor se ha ideado un sistema con el que se salvan los dos inconvenientes que se describían anteriormente: el alto consumo eléctrico (causado por la utilización de ventiladores) y la gran cantidad de agua requerida.

Debido a que la planta solar tiene varios receptores a gran altura que se mantienen elevados sobre una torre, sin necesidad de hacer ninguna inversión extra, nuestro sistema ya cuenta con la torre que podrá ser aprovechada como torre de refrigeración de tiro natural.

Dicha torre en su base cuenta con una serie de intercambiadores de calor, más concretamente condensadores, cuya misión es la de condensar el vapor que proviene del escape de la turbina en condiciones próximas a la saturación y evacuar el calor de condensación al exterior.

El fluido que utilizará para realizar ese intercambio de calor será el aire a temperatura ambiente que se encuentra en la base de la torre y enfría el vapor que circula por la tubería del condensador. Es decir, el vapor que se extrae de la turbina a alta temperatura se refrigera gracias a la corriente de aire que fluye sobre el condensa-
dor.

Este vapor, una vez que se ha condensado se bombea de nuevo hacia el receptor para poder ser reutilizado como fluido caloportador.

Ese aire a temperatura ambiente que se encuentra en la base de la torre y que se encarga de bajar la temperatura del vapor, se eleva por la torre debido al tiro natural de la misma y sale de nuevo a la atmósfera por la parte alta.

Esa circulación natural se ve además incentivada por el hecho de tener un foco caliente como son los receptores, en la parte alta de la torre.

Con el fin de facilitar además este efecto de tiro natural del que hablamos la torre de la invención que ríos ocupa cuenta con un diseño de estructura hiperbólica y hueca de manera que se produzca por ella una corriente de aire de ascenso para enfriamiento del vapor por convección natural.

Empleando la torre solar como torre de refrigeración, se le da a esta doble función: la de albergar los receptores a la altura necesaria para concentrar la radiación y la de utilizarla como torre de refrigeración.

De esta manera se consigue reducir el consumo de agua pues se elimina la necesaria para el circuito de refrigeración, ya que se refrigera con aire y no con agua, y se evita así la construcción de torres adicionales de refrigeración disminuyendo el coste global de la planta.

Además, con el fin de gestionar el vapor producido y contar con aporte de éste cuando no tenemos horas de sol, se incluye en la planta un sistema de almacenamiento o bien mediante tanques de agua-vapor o bien mediante sales fundidas.

Descripción de los dibujos

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: Esquema simplificado del circuito de refrigeración.

Siendo las referencias que aquí figuran:

1.

Torre.

2.

Evaporadores.

3.

Calderín.

4.

Sobrecalentador.

5.

Sistema de almacenamiento.

6.

Turbina.

7.

Generador.

8.

Condensador.

9.

Aire caliente.

10.

Bomba condensado.

11.

Válvula.

11'.

Válvula.

12.

Tanque de almacenamiento de condensado.

13.

Bomba de condensado.

Realización preferente de la invención

A continuación, para una mejor comprensión del procedimiento de refrigeración divulgado en la invención, se explicará el esquema mostrado en la figura 1.

Como se puede ver en la figura 1 en la parte alta de la torre solar (1) se sitúan los evaporadores (2) por los que circula agua o cualquier otro fluido caloportador. Este fluido se calienta por efecto de la radiación solar que sobre ellos proyectan los helióstatos, los cuales se encuentran en el suelo, alrededor de la torre (1).

Una vez que el fluido caloportador ha recorrido el evaporador (2) sometido a la radiación solar, sale del mismo en forma de vapor saturado a una temperatura aproximada de 300ºC para dirigirse al calderín (3).

En el calderín (3) se produce la separación en líquido y en vapor. En general, el calderín (3) recibe la salida del evaporador (2) y alimenta al sobrecalentador (4), por lo que se asegura que la entrada en el sobrecalentador (4) sea siempre seca.

Otra parte del vapor que allí se produce se envía al sistema de almacenamiento (5) haciéndolo pasar a través de una válvula (11) que asegura que la presión de entrada a dicho sistema (5) sea la correcta.

El vapor que ha entrado al sobrecalentador (4) también recibe la radiación solar proyectada por los helióstatos y sale de allí a una temperatura muy elevada, de aproximadamente 540ºC, lo que permite que la turbina (6) trabaje a un alto rendimiento.

A su vez, la turbina (6) se encuentra conectada al generador (7) que será el encargado de transformar el giro de la turbina (6) en electricidad para suministrarla a la red.

Para poder aprovechar el vapor que sale de la turbina (6) se hace que circule a través de los conductos de un condensador (8) instalado en la base de la torre solar (1).

Ese vapor se irá enfriando y al mismo tiempo condensando gracias al efecto de refrigeración que produce el aire que circula alrededor del condensador (8). Este aire, que es aire a temperatura ambiente, al robar el calor de los tubos del condensador (8) eleva su temperatura y se convierte en aire caliente (9), por lo que asciende por la chimenea o torre solar (1), saliendo a la atmósfera por su parte alta.

Entre tanto, el vapor ya condensado que sale del condensador (8) es bombeado (10) hacia un tanque de almacenamiento de condensado (12).

Cuando se requiera más fluido caloportador en los evaporadores (2), una bomba de condensado (13) elevará el líquido que se almacenaba en el tanque de condensado (12) hasta ellos.

De esta forma, se disminuye de manera drástica el consumo de agua o fluido caloportador, tanto por el reaprovechamiento del mismo como porque se prescinde del uso de agua para el sistema de refrigeración.

Cabe destacar que lo anteriormente descrito es un ejemplo de una realización preferente de la invención, pero que existen aspectos como pueden ser la existencia de receptores de vapor sobrecalentado o de un sistema de almacenamiento, que podrían ser prescindibles y que no influyen en el procedimiento de refrigeración divulgado.

Claims (3)

1. Procedimiento para la refrigeración por tiro natural de una planta de concentración solar de tecnología de torre caracterizado porque en la parte alta de la torre solar (1) se sitúan los receptores (2) por los que circula fluido caloportador. Este fluido se calienta por efecto de la radiación solar que sobre ellos proyectan los helióstatos, saliendo de los mismos en forma de vapor. Ese vapor podrá pasar por fases intermedias o podrá dirigirse directamente a la turbina (6) que se encuentra conectada al generador (7) para producir electricidad. Al vapor que sale de la turbina (6) se le hace circular a través de los conductos de un condensador (8) instalado en la base de la torre solar (1). Ese vapor se irá enfriando y al mismo tiempo condensando gracias al efecto de refrigeración que produce el aire que circula alrededor del condensador (8). Este aire, que es aire a temperatura ambiente, al robar el calor de los conductos del condensador (8) eleva su temperatura y se convierte en aire caliente (9), por lo que asciende por la torre solar (1), saliendo a la atmósfera por su parte alta. El vapor ya condensado que sale del condensador (8) es bombeado (10) hacia un tanque de almacenamiento de condensado (12). Cuando se requiera más fluido caloportador en los receptores (2), una bomba de condensado (13) elevará el líquido que se almacenaba en el tanque de condensado (12) hasta ellos.

2. Procedimiento para la refrigeración por tiro natural de una planta de concentración solar de tecnología de torre según reivindicación 1 caracterizado porque los receptores (2) podrán ser evaporadores y el vapor que de ellos salga se podrá hacer circular por un calderín (3) donde se produce la separación en líquido y en vapor, estando la salida de vapor de dicho calderín (3) conectada a un receptor del tipo sobrecalentador (4) donde se eleva aún más la temperatura del vapor que circulará a continuación por la turbina (6), pudiendo ser esta una de las etapas intermedias.

3. Procedimiento para la refrigeración por tiro natural de una planta de concentración solar de tecnología de torre según reivindicación 2 caracterizado porque una parte del vapor que se obtiene del calderín (3) se podrá enviar a un sistema de almacenamiento (5) haciéndolo pasar a través de una válvula (11) que asegura que la presión de entrada a dicho sistema sea la correcta.