ES2385894B1 - Central eléctrica termo-fotovoltaica de ciclo combinado. - Google Patents

Central eléctrica termo-fotovoltaica de ciclo combinado. Download PDF

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Abstract

Central eléctrica termo-fotovoltaica de ciclo combinado.#La central eléctrica se basa en la utilización combinada de un parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10) y un parque de paneles solares térmicos (11), para producir tanto electricidad como calentamiento de agua o líquido caloportador, correspondientes los paneles del parque (10) al descrito en la Patente de Invención 200701042 y los paneles solares del parque (11) al descrito en la Patente de Invención 200801521, de manera que además de la electricidad producida por el parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10), se consigue agua o líquido caloportador caliente que después de llevarse a cabo su termorregulación mediante un circuito de control (13) y su almacenamiento en un tanque (16), se hace pasar por un circuito de control (17) antes de alcanzar el parque de paneles solares térmicos (11), desde el cual se obtiene un calentamiento en mayor medida de ese agua o líquido caloportador, para su posterior aplicación a la central eléctrica (19) de cogeneración de ciclo combinado con caldera de vapor de agua y/o gas, previo paso por una caldera de vapor (21).

Description

OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una central eléctrica termo-fotovoltaica de ciclo combinado, en base a la cual se pretende encontrar utilidad energética al agua caliente y/o al líquido caloportador que se obtiene tanto de los paneles solares térmicos como el descrito en la Patente de Invención número 200801521, como a la obtenida en el proceso de termorregulación de los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto como el descrito en la Patente de Invención número 200701042.
El objeto de la invención es, por lo tanto, termorregular los paneles fotovoltaicos, así como elevar la temperatura del líquido utilizado en éstos o de otro líquido caloportador, que la aportará como energía térmica de partida a utilizar en el ciclo de obtención del vapor de agua para iniciar el proceso de generación de energía eléctrica mediante turbina de vapor, que puede trabajar en unión con otra turbina de gas o hacerlo en solitario, según necesidades.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Se conocen paneles solares térmicos y paneles solares fotovoltaicos, y entre ellos destacar los reivindicados en las Patentes de Invención número 200801521 y 200701042, del mIsmo solicitante, de manera que el panel solar térmico descrito en esa Patente de Invención 200801521, lo mas destacable del mismo es que la cubierta exterior del panel solar está constituida por un doble acristalamiento determinándose entre ambos cristales una cámara estanca de grosor variable, a través de la cual se hace circular un líquido caloportador para elevar su temperatura, tanto por el circuito considerado como estándar como por el circuito alojado en la cámara de doble acristalamiento, todo ello con el fin de conseguir un doble calentamiento del líquido caloportador y con ello aumentar el rendimiento del colector solar y convertirlo así en un panel solar térmico.
Por su parte, en la Patente de Invención 200701042, el panel solar fotovoltaico de doble efecto presenta la particularidad de que la cubierta exterior está también constituida por un doble acristalamiento, determinándose una cámara de grosor variable a través de la que se hace circular un líquido caloportador para la termorregulación del panel, lo que permite obtener agua caliente además de obtener electricidad a través del propio panel fotovoltaico. Es decir, en esta Patente de Invención el panel fotovoltaico de doble efecto lo que persigue el que por un lado se produzca energía eléctrica y a la vez el panel se comporte como un colector solar para producir agua caliente para cualquier uso, consiguiéndose un aumento del rendimiento eléctrico del propio panel solar fotovoltaico.
Por otro lado, actualmente se conoce el denominado ciclo combinado de cogeneración, en el que se utiliza o hace coexistir en la generación de energía, al menos, dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua, y otro, cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión.
En tal sentido y centrándonos concretamente en la generación de energía eléctrica en centrales de cogeneración, de forma general, la energía eléctrica se consigue mediante una turbina de gas que utiliza vapor de agua, mientras que el ciclo de consecución de vapor de agua se hace por medio de una o varias turbinas de vapor.
El principio sobre el cual se basa la típica central eléctrica de cogeneración es el de utilizar los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas para aportar calor a la caldera o generador de vapor de recuperación, la que alimenta a su vez la propia turbina de vapor.
La principal ventaja de utilizar el ciclo combinado es su alta eficiencia, ya que se obtienen rendimientos superiores al rendimiento de una central de ciclo único, y mucho mayores que los de una de turbina de gas.
En cualquier caso, aún cuando este proceso es medioambiental y energ étic amente hablando menos agresivo y mas eficaz que los anteriormente utilizados de un solo ciclo, no se puede considerar que sea la panacea para cumplir los requisitos del convenio de Kioto, toda vez que para llevarlo a efecto se produce una combustión donde se genera, como mínimo, CO, si bien las centrales de ciclo combinado son las que menos contaminan de todas las industrias de producción de electricidad, y al contrario de otras centrales, sus emisiones de NOx y S02 son insignificantes, no contribuyendo por tanto a la formación de lluvia ácida.
Así pues, un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo Joule y permite, por ello, mejorar la recuperación térmica o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresión.
Por último decir que en la actualidad no se conocen centrales
eléctricas que utilicen el proceso y los elementos que se propone mediante la presente invención, como ciclo combinado para la producción de energía eléctrica ni tampoco para la obtención de energía térmica, proveniente de los paneles solares térmicos y de la termorregulación de los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto, según lo referido con anterioridad y que corresponden a las ya comentadas Patentes de Invención números 200801521 y 200701042.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En lo sucesivo, cada vez que se haga alusión a paneles solares fotovoltaicos de doble efecto y a paneles solares térmicos, nos estaremos refiriendo siempre a los descritos en la P 200701042 Y P 200801521, respectivamente, y que han sido citadas con anterioridad.
Concretamente, la central eléctrica termo-fotovoltaica de ciclo combinado que se preconiza, se basa en una inicial generación de electricidad en una primera fase, conseguida a través de los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto, de manera que la electricidad generada puede ser entregada a red, almacenada por sus respectivos acumuladores en instalaciones aisladas y/o utilizada de forma combinada, mientras que la energía térmica necesaria para obtener vapor de agua se consigue inicialmente y de forma común a través de los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto y a través de los paneles solares térmicos, objeto de las dos anteriores Patentes referidas, y cuyos paneles de uno y otro tipo se utilizan complementariamente para transformar el agua caliente obtenida en ambos paneles en vapor de agua, con temperatura/presión suficiente para hacer mover la turbina o turbinas que moverán a su vez el alternador o alternadores que serán los que de forma complementaria producirán y entregarán la electricidad generada a la red, o bien a la instalación aislada para su consumo, o bien ambas cosas a la vez, cuando ello sea necesario.
Además de la utilización de los dos tipos de paneles anteriormente comentados para obtener vapor de agua, es necesaria una energía adicional que puede provenir de multitud de fuentes, ya sea en solitario y/o en conjunción y complementariamente con otras, pudiendo ser una de las posibles fuentes la propia electricidad generada por los paneles fotovoltaicos, o bien la combustión de gas natural o cualquier otro combustible en caldera apropiada, o incluso la electricidad proveniente de la red, y/o un conjunto de todas ellas en función de multitud de variables, sin que en ningún caso lleguen a ser excluyentes unas de otras.
En cualquier caso, el proceso finaliza siempre dando y buscando aprovechamiento a toda la energía térmica obtenida en todo momento, así como a la resultante del proceso de refrigeración y condensación del vapor de agua utilizado y/o a los gases de la combustión que se hayan producido.
En cuanto a los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto utilizados en la central termo-fotovoltaica de ciclo combinado, el objetivo fundamental de esos paneles es conseguir que los mismos trabajen a una temperatura idealmente cercana a los 25°C, al objeto de aumentar sensiblemente su rendimiento, para lo cual esos paneles son termo regulables.
Por lo tanto, si se habla de refrigerar los paneles fotovoltaicos, que sería la mayoría de las veces, se conseguirá generar una energía térmica que anteriormente era despreciada, o mejor dicho considerada
indeseable toda vez que el incremento de temperatura que sufren los paneles
lleva consigo una disminución considerable de su eficacia eléctrica.
Pues bien, en el presente caso, esa energía térmica en forma de agua calentada, a una temperatura cercana a los 30-35°C, se va a ir acumulando y reservando para su posterior utilización en la mejor zona posible, para completar posteriormente el ciclo de producción de energía eléctrica.
Por su parte, los paneles solares térmicos cumplen su función en mejor y mayor grado, así como su rendimiento, por lo que su capacidad de obtener agua caliente ya una mayor temperatura queda incrementada.
Por lo tanto, si se trabaja con los dos tipos de paneles comentados, es decir, con los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto y con los paneles solares térmicos, ya sea en serie o en paralelo, se obtendrá, además de electricidad, agua o líquido caloportador caliente de primer y segundo grado, llamando de primer grado al que proviene de los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto, que estará alrededor de los 30-35°C ya comentados, y llamando de segundo grado al que proviene de los paneles solares térmicos, que puede llegar a alcanzar los 75°C, es decir, se obtiene energía térmica que se podrá acumular y transformar según necesidades.
Evidentemente, el número de paneles solares, tanto fotovoltaicos de doble efecto como térmicos, vendrá determinado por la potencia que se le quiera dar a la propia central eléctrica.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.-Muestra el esquema típico correspondiente a una central eléctrica de ciclo combinado, tal y como se materializa en la actualidad.
La figura 2. -Muestra el esquema típico de los distintos bloques en los que participan paneles solares fotovoltaicos de doble efecto y paneles solares térmicos, para conseguir la central eléctrica termo-fotovoltaica de ciclo combinado en cogeneración, según el objeto de la invención.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En la figura 1 y como anteriormente se ha dicho, se muestra el esquema correspondiente a una central eléctrica de cogeneración convencional, en la que la energía eléctrica se consigue mediante una turbina de gas (1) que utiliza vapor de agua, que se obtiene mediante una o mas turbinas de vapor (2), de manera que los gases de escape a alta temperatura de la turbina de gas (1) se utilizan para aportar calor a la correspondiente caldera o generador de vapor de recuperación (3), la cual alimenta a su vez de vapor a la turbina de vapor (2), de manera que formando parte de este esquema puede observarse el alternador (4), correspondiente condensador (5), así como el compresor (6) con su entrada de aire (7) y a continuación del mismo los bloques de combustible (8) y cámara de combustión (9).
En la figura 2 se muestra ya el esquema de acuerdo con el objeto de la invención, donde el bloque (10) corresponde a un conjunto de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto, en adelante denominado parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto, mientras que el bloque (11) corresponde al parque de paneles solares térmicos, de manera que al parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (1) se le suministra, para su termorregulación, agua o líquido caloportador, desde un tanque primario (12), con la temperatura apropiada y con su flujo y demás variables controladas por un circuito de control hidráulico-eléctrico (13) para la correspondiente termorregulación, obteniéndose en el parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10) la correspondiente energía eléctrica, según el bloque (14), que puede utilizarse para el consumo por usuarios (15).
Una vez conseguido el efecto termorregulador en el parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10), el agua o líquido caloportador habrá sufrido un incremento determinado de su temperatura inicial, refrigerando/calentando el panel, de manera que ese líquido se acumula en un tanque (16) como líquido caloportador o agua caliente de primer grado, quedando dispuesto para ser utilizado como fuente de energía en la forma que se considere mas conveniente, por ejemplo, para uso por usuarios (15).
Por su parte, el parque de paneles solares térmicos (11) recibirá el líquido o agua caloportador ya precalentado y almacenado, proveniente del parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10) y que debidamente dirigido y controlado por su circuito eléctrico/hidráulico (17), es decir el del parque de paneles solares térmicos (11), trabajando en consonancia y complementariamente con el parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10), consiguiéndose con ello que la temperatura del agua o líquido caloportador a la salida del parque de paneles solares térmicos (11), sea mucho mas elevada.
Una vez completado ese ciclo, el agua o líquido caloportador será acumulado en un tanque (18), como líquido caliente de segundo grado, de manera que su temperatura final dependerá de la insolación y otros factores, aunque por el diseño se habrá conseguido que sea la mas alta posible, al objeto de que la obtención de vapor de agua que necesitará la turbina de vapor de la correspondiente central eléctrica (19) de cogeneración de ciclo combinado con caldera de vapor de agua y/o gas, sea lo mas rentable posible, tanto energética como económicamente.
Hoy por hoy no es factible obtener vapor de agua a partir de los paneles solares térmicos ni de los paneles solares fotovoltaicos de doble efecto, pero en la medida que la temperatura del líquido que se va a convertir en vapor sea más alta, menos energía adicional requerirá el proceso.
Así pues, a partir de este momento la decisión de como obtener vapor de agua para hacer trabajar la correspondiente turbina de vapor y si el proceso se va a complementar con la entrada en escena de una turbina de gas o no, son decisiones que en ningún caso condicionan el anterior y ya explicado proceso.
Es decir, de acuerdo con la invención, cabe la posibilidad de utilizar, cuando se crea necesario, la energía eléctrica fotovoltaica que se ha generado en el parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10), como el complemento energético necesario para la obtención parcial o total del vapor de agua que se necesita, especialmente en los casos en que la central eléctrica (19) sea para auto consumo de usuarios, y/o sirva a redes eléctricas aisladas, lo que posibilitará la eliminación total o parcial de los actuales y necesarios acumuladores eléctricos (baterías), elementos estos de alto valor, escasa vida útil y alto poder contaminante.
Por lo demás, la central eléctrica (19) de cogeneración de ciclo combinado con caldera de vapor de agua y/o gas, presentaría el mismo esquema de la figura 1, salvo que desde su previsto recuperadorcondensador de vapor (20), se revertirá el vapor ya condensado, y en función de su temperatura final, al tanque inicial de la primera etapa o grado, o al tanque (18) de la segunda etapa o grado, para su reutilización y / o envío a usuarios interesados en su uso.
Por lo tanto, en la central eléctrica de la invención el primer ciclo termodinámico se produce en una doble etapa, la primera de ellas es la ya descrita y mediante la que se obtiene agua caliente proveniente de ambos parques de paneles solares (10 y 11). Es claro que para llegar a obtener vapor, cerrando así el primer ciclo, se necesitará contar con una fuente de energía adicional, y ha quedado también suficientemente claro que para obtenerlo se parte de un líquido o agua ya precalentada por los parques de paneles (10 y 11), de forma casi gratuita, por lo que energéticamente hablando es un plus de partida con el que no se cuenta en otras centrales de cogeneración.
Por lo tanto, la segunda etapa, que cerraría el primer ciclo, es la que se produce al calentar en una caldera (21) Y por cualquier medio o proceso, dicha agua o líquido caloportador, hasta obtener vapor de agua con temperatura/presión suficiente para hacer trabajar eficazmente la turbina o turbinas asociadas. La energía adicional necesaria para obtener vapor de agua puede provenir de multitud de fuentes, pudiendo ser una de ellas la propia electricidad generada por los propios paneles fotovoltaicos (10), otra la del gas natural o cualquier otro combustible, y por último la electricidad proveniente de red, o internamente generada y/o un conjunto de todas ellas, en función de multitud de variables que en ningún caso llegan a ser excluyentes unas de otras, como ya se ha dicho con anterioridad.
En la actualidad, en tanto se mantenga la diferencia favorable entre el precio del K w generado con medios renovables y el consumido de la red, es económicamente rentable entregar a la red toda la energía fotovoltaica obtenida cuando ello sea posible, y comprar la necesaria para calentar el agua a fin de obtener el vapor de agua que se necesite, así que se ha optado por dicha vía para su obtención. Si embargo, sin la central eléctrica (19) es una mini-central para uso privado o una que funcione aislada de la red, puede que no se tenga mas alternativa que consumir la energía, en cuyo caso interesa cerrar el proceso en ese momento, sin necesidad de llegar al segundo ciclo, a menos que se demande una mayor producción energética.
Si por el contrario se opta por utilizar una segunda turbina de gas de alta presión/temperatura, el proceso a seguir a partir de ese punto sería exactamente igual a lo realizado convencionalmente, en cuyo caso se cierra el proceso al recuperar y enfriar, tanto los gases de combustión como el vapor generado para su posterior utilización.
Por último decir que tanto en uno como en otro caso la central eléctrica podrá funcionar y efectuar su trabajo tanto en ciclo sencillo como combinado, con la gran ventaja medioambiental, de que si solo trabaja en ciclo sencillo su funcionamiento es prácticamente limpio, ya que puede que no se necesite producir combustión alguna y en consecuencia no se producirían gases contaminantes, a la vez que si se ha decidido consumir la
5 energía eléctrica fotovoltaica que han producido los paneles, no sería necesario dotar a la instalación con acumuladores eléctricos (baterías), elementos éstos de alto valor económico, de una vida útil corta y gran efecto contaminante debido a los materiales y componentes que utilizan.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1a._ Central eléctrica termo-fotovoltaica de ciclo combinado, que basándose en utilizar o hacer coexistir en la generación de energía al menos dos ciclos termodinámicos en un mismo sistema, uno cuyo fluido de trabajo es el vapor de agua, y otro cuyo fluido de trabajo es un gas producto de una combustión, consiguiéndose esa energía eléctrica mediante una turbina de gas que utiliza vapor de agua, en tanto que el ciclo de consecución de vapor de agua se hace por medio de una o mas turbinas de vapor, se caracteriza porque incluye combinadamente un parque de paneles solares fotovoltaicos de doble efecto (10) especiales, y un parque de paneles solares térmicos
    (11)
    especiales, proporcionando en el primer caso energía eléctrica fotovoltaica y a la vez agua o líquido caloportador caliente proveniente de un circuito de control (13) hidráulico/eléctrico de termorregulación, almacenándose ese agua caliente en una primera etapa en un tanque (16), procediendo el agua o líquido caloportador de un tanque primario (12); habiéndose previsto que el agua caliente o líquido caloportador del tanque
    (16)
    se hace pasar, tras su paso por el correspondiente cuadro de control eléctrico hidráulico (17), al parque de paneles solares térmicos (11), para conseguir un agua o líquido caloportador a la máxima temperatura, siendo almacenado en un tanque (18), como líquido caliente de segunda etapa, siendo éste suministrado posteriormente a la correspondiente central eléctrica (19) de cogeneración de ciclo combinado con caldera de vapor de agua y/o gas, complementándose con un recuperador/condensador de agua
    (20)
    Y con una caldera (21) en la que el agua o líquido caloportador se calienta hasta obtener vapor de agua, con una temperatura y presión suficiente para hacer trabajar eficazmente la turbina o turbinas asociadas.
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