ES2403334B2

ES2403334B2 - Sistemas y métodos de arranque para calderas solares

Info

Publication number: ES2403334B2
Application number: ES201390014A
Authority: ES
Inventors: Andrew Plotkin; Craig Gillum; Kevin Toupin; Robert Kunkel; Gabriel Kaufmann; Leon Afremov; Yona Magen
Original assignee: Babcock Power Services Inc; BrightSource Energy Inc
Current assignee: Babcock Power Services Inc; Kelvin Energy Inc
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: IL224510A; IN2013MN00300A; AU2011285632A1; AU2011285632B2; US8573196B2; WO2012019042A2; ES2403334R1; US20120031395A1; IL248213B; ES2403334A2; WO2012019042A3; US9347685B2; US20140034045A1

Abstract

Un sistema de arranque para una caldera solar incluye un circuito principal de fluido que tiene una pluralidad de paneles de caldera solar para generar energía a partir de la energía solar. Un circuito auxiliar de fluido se conecta selectivamente en comunicación de fluidos con el circuito principal de fluido mediante una pluralidad de válvulas. Una caldera auxiliar está conectada funcionalmente con el circuito auxiliar de fluido. Las válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido están configuradas para que se puedan abrir y cerrar para poner selectivamente la caldera auxiliar en comunicación de fluidos con partes del circuito principal de fluido para suministrar calor a las partes del circuito principal de fluido como preparación para la producción de energía a partir de la energía solar.

Description

Sistemas y métodos de arranque para calderas solares

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención está relacionada con la producción de energ ia solar, y más particularmente con sistemas y métodos de producción de energía solar con calderas solares.

Descripción de la técnica relacionada

La generación de energia solar se ha considerado una fuente viable para ayudar a satisfacer las necesidades de energía en un momento de creciente concienciación de los aspectos ambientales de la producción de energía. La producción de energia solar se basa principalmente en la capacidad para recoger y convertir la energía disponible de forma gratuita desde el sol y se puede producir con muy poco impacto sobre el medio ambiente. La energía solar puede ser producida sin crear desechos radiactivos como en la producción de energía nuclear, y sin producir emisiones contaminantes, incluidos los gases de efecto invemadero como en la producción de energía de combustibles fósiles. La producción de energía solar es independiente de las fluctuaciones del coste de combustible y no consume recursos no renovables.

Los generadores de energía solar, en general, emplean campos de espejos controlados, llamados heliostatos, para reunir y concentrar los rayos solares en un receptor para proporcionar una fuente de calor para la producción de energía. Un receptor solar típicamente adopta la forma de un panel de tubos que transportan un fluido de trabajo a través de los mismos. Los generadores solares previos han utilizado fluidos de trabajo tales como sal fundida ya que tiene la capacidad de almacenar energía, lo que permite generar energía cuando hay poca o ninguna radiación solar, como por la noche. Los fluidos de trabajo calientes son transportados lipicamente a un intercambiador de calor en el que liberan calor en un segundo fluido de trabajo, tal como aire, agua o vapor. Se genera energia térmica al conducir el aire o vapor calientes a través de una turbina que impulsa un generador eléctrico.

Más recientemente, se ha determinado que la producción solar puede aumentarse y simplificarse utilizando agua/vapor como el único fluido de trabajo en un receptor que es una catdera. Esto puede eliminar la necesidad de un ineficiente intercambiador de calor entre dos fluidos de trabajo diferentes. Este desarrollo ha conducido a nuevos desafíos en el manejo del intenso calor solar sin dañar el sistema. En una caldera solar, las tasas de transferencia térmica pueden alcanzar niveles de 2 a 3 veces la tasa de la transferencia térmica de una caldera típica de combustibles fósiles. Esta alta tasa de transferencia de calor intensifica los problemas relacionados con el mantenimiento de un calentamiento y distribución de flujO uniformes en todos diseños conocidos de paneles de calderas. Si el flujo a través de una parte de un panel receptor es insuficiente si se utiliza agua/vapor como fluido de trabajo, el resultado puede ser el sobrecalentamiento de esa parte del panel. Tal sobrecalentamiento puede dar lugar a daños o fallos del panel y de sus tubos constituyentes si se permite que las temperaturas sean graves.

Otra forma en la que las calderas solares difieren de las calderas de combustibles fósiles es en cuanto a horas de funcionamiento. Las calderas de combustibles fósiles funcionan tipicamente de manera continua, parando sólo para mantenimientos rutinarios ocasionales, mientras que las calderas solares deben arrancar y apagarse una vez al dia debido a la salida y la puesta del sol. Cualquier fluido de trabajo y los componentes de la caldera que se enfrían durante la interrupción nocturna debe llevarse de nuevo a la temperatura de trabajo cada mañana. Esto tiene como resultado un ciclo diario de expansión térmica que puede tener como resultado un aumento de fallos por fatiga en los componentes lipicos de la caldera.

Los diseños de calderas tradicionales utilizan una cantidad considerable de tiempo en arranque y apagado. Dado que la energía solar sólo está disponible durante las horas de luz cada día, estos largos ciclos de arranque y parada pueden privar al sistema de valiosas horas de funcionamiento que, de otra manera, podrían utilizarse para la producción de energia. Una de las razones de los largos tiempos de arranque y parada es la diferencia de temperatura de funcionamiento durante el día y la temperatura en la interrupción nocturna, que puede llegar a temperaturas de congelación. Por ejemplo, el arranque de un sistema de caldera tradicional demasiado rápido en estas condiciones puede exacertlar los problemas por expansión térmica descritos anteriormente. Por otro lado, el arranque de un sistema de caldera tradicional demasiado lentamente, puede dar como resultado un fallo en la circulación adecuada de los fluidos a través de los tubos de la caldera, que puede conducir al fallo de los tubos de la caldera bajo el intenso flujo térmico.

Tales métodos y sistemas convencionales por lo general se han considerado satisfactorios para su uso previsto. Sin embargo, en la técnica todavia existe la necesidad de sistemas y métodos que permitan mejorar el arranque y apagado de calderas solares. Además, en la técnica sigue existiendo la necesidad de tates sistemas y métodos que sean fáciles de realizar y utilizar. La presente invención proporciona una solución para estos problemas.

Sumario de la invención

La invención está dirigida a un nuevo y útil sistema de arranque para una caldera solar. El sistema incluye un circuito principal de fluido que tiene una pluralidad de paneles de caldera solar para generar energía a partir de la energia solar. Un circuito auxiliar de fluido se conecta selectivamente en comunicación de fluidos con el circuito principal de fluido mediante una pluralidad de válvulas. Una caldera auxiliar está conectada funcionalmente con el circuito auxiliar de fluido. las válvulas que conectan el circuilo auxiliar de fluido al circuito principal de fluido están configuradas para que se puedan abrir y cerrar para poner selectivamente la caldera auxiliar en comunicación de fluidos con partes del circuito principal de fluido para suministrar calor a las partes del circuito principal de fluido como preparación para la producción de energia a partir de la energía solar.

Según determinadas realizaciones, la caldera auxiliar es una caldera de combustible. También se puede utilizar cualquier tipo adecuado de caldera, incluidos, por ejemplo, de combustible líquido, carbón, biomasa, gas natural, energía nuclear, energía geotérmica y energia eléclrica. Se contempla la posibilidad de que el circuito principal de fluido pueda incluir un tambor para separar vapor de agua líquida. la pluralidad de paneles de caldera solar pueden incluir una pluralidad de paneles generadores de vapor, una pluralidad de paneles de supercalentador y una pluralidad de paneles recalentador, cada uno configurado para transferir energia solar al circuito principal de fluido. El tambor puede estar conectado funcionalmente a los paneles generadores de vapor para recibir aguavapor saturado del mismo, y conectado funcionalmente para suministrar vapor a los paneles de supercalentador.

En determinadas realizaciones, una válvula de aislamiento de tambor está conectada funcionalmente al circuito principal de fluido para aislar de forma selectiva el tambor de otras partes del circuito principal de fluido para conservar energía térmica dentro del tambor durante los periodos de inactividad de los paneles de caldera solar. El tambor puede ser aislado para conservar el calor en el mismo durante periodos de interrupción con los paneles solares inactivos de la caldera.

El sistema puede incluir una válvula de aislamiento de generador de vapor que en un estado abierto conecta los paneles del generador de vapor con el tambor para calentar los paneles del generador de vapor a una temperatura alrededor de la del tambor utilizando calor procedente de la energía solar. la pluralidad de las válvulas que conectan el circuito auxi liar de fluido al circuito principal de fluido pueden incluir una válvula de aislamiento de supercalentador que en un estado abierto conecta el circuito auxiliar de fluido a una parte del circuito principal de fluido que incluye los paneles de supercalentador y de recalenlador para almacenar temperaturas en los mismos para el pleno funcionamiento solar en el circuito principal de fluido.

Según determinadas realizaciones, una válvula de derivación de primera turbina en un estado abierto conecta los paneles de supercalentador en serie directa con los paneles de recalentador, y una válvula de derivación de segunda turbina en un estado abierto conecta los paneles de recalentador a un condensador en el circuito principal de fluido como preparación para la plena operación solar. También se contempla que en determinadas realizaciones una válvula de primera turbina en un estado abierto conecte una fase de primera turbina en serie entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador con la válvula de derivación de primera turbina cerrada , y una válvula de segunda turbina en un estado abierto conecte una fase de segunda turbina en serie entre los paneles de recalentador y el condensador con la válvula de derivación de segunda turbina cerrada.

La invención también proporciona un método para arrancar una caldera solar. El método incluye hacer circular fluidos calentados por una caldera auxiliar a través de un circuito auxiliar de fluido que incluye una pluralidad de paneles de supercalentador para elevar las temperaturas dentro de los paneles de supercalentador. Los fluidos se hacen circular a través de una pluralidad de paneles de generador de vapor expuestos a la radiación solar para elevar las temperaturas dentro de los paneles de generador de vapor. El método también incluye el suministro de vapor desde los paneles de generador de vapor a los paneles de supercalentador para llevar el tambor y los paneles de supercalentador a una temperatura de funcionamiento para la producción de energia solar mediante la conexión del tambor a los paneles de generador de vapor, la conexión de un tambor a los paneles de supercalentador con la apertura de una válvula de aislamiento de tambor conectada entre el tambor y los paneles de supercalentador, y la desconexión de la caldera auxiliar de los paneles de supercalentador con el cierre de una válvula de derivación de caldera auxiliar conectada entre los paneles de supercalentador y la caldera auxiliar.

Según determinadas realizaciones, la etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador incluye la conexión de una pluralidad de paneles de recalentador en serie entre los paneles de supercalentador y un condensador para llevar los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador hasta una temperatura de funcionamiento para la producción de energía solar. El método puede incluir la conexión de una fase de primera turbina en serie entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador mediante la apertura de la válvula de primera turbina conectada entre los paneles de supercalentador y la fase de primera turbina y el cierre de una válvula de derivación de primera turbina conectada entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador, y la conexión de una fase de segunda turbina en serie entre el paneles de recalentador y el condensador mediante la apertura de una válvula de segunda turbina conectada entre los paneles de

recalentador y la fase de segunda turbina y el cierre de una valvula de derivación de segunda turbina conectada entre los paneles de recalentador y el condensador.

La etapa de hacer circular fluidos a través de una pluralidad de paneles de generador de vapor expuestos a la radiación solar para elevar las temperaturas dentro los paneles de generador de vapor puede incluir fluidos de calentamiento dentro de los paneles de generador de vapor a una temperatura de t37 oC (t100 °F) de la que dentro del tambor. La etapa de hacer circular fluidos calentados por una caldera auxiliar a través de un circuito auxiliar de fluido puede ser iniciada antes del amanecer local.

La etapa de conectar el tambor a los paneles de generador de vapor puede programarse para que se produzca durante o después del amanecer local. La etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador puede incluir el calentamiento de los paneles de supercalentador con flujo térmico solar. La etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador puede ser iniciada después del amanecer local.

La invención también proporciona un método para apagar una caldera solar para permitir un posterior arranque rápido. El método incluye fluidos de enfriamiento en un circuito principal de fluido de una caldera solar a una temperatura inferior a la temperatura de funcionamiento para la producción de energia, en donde el circuito principal de fluido incluye una pluralidad de paneles de caldera solar y un tambor. El método también incluye aislar el tambor de los paneles de caldera solar mediante el cierre de por lo menos una válvula de aislamiento de tambor en el circuito principal de fluido, en donde el tambor es aislado para conservar el calor en el mismo cuando está aislado de los paneles de caldera solar.

La etapa de enfriamiento pueden incluir enfriar los fluidos en el tambor a una temperatura de t93,3 oC (t200 °F) la temperatura máxima de funcionamiento de una caldera auxiliar conectada funcionalmente al circuito principal de fluido para ser llevado de forma selectiva a una comunicación de fluidos con el mismo para calentar partes del circuito principal de fluido durante el arranque. La etapa de aislar el tambor puede incluir enfriar los fluidos en los paneles de caldera solar a aproximadamente la temperatura ambiente. La etapa de enfriamiento puede iniciarse antes del ocaso local.

Estas y otras caracteristicas de los sistemas y métodos de la invención serán más evidentes para los expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas junto con los dibujos.

Breve descripción de los dibujos

Para que los expertos en la técnica a la que pertenece de la invención entiendan fácilmente cómo hacer y utilizar los dispositivos y los métodos de la invención sin experimentación indebida, realizaciones preferidas de la misma se describen con detalle más adelante en esta memoria haciendo referencia a algunas figuras, en donde:

La Fig. 1 es una vista esquemática de un ejemplo de realización de un sistema construido según la presente invención, que muestra el circuito principal y auxiliar de fluido de una caldera solar en estado sin flujo, tal como cuando se para durante la interrupción noctuma;

La Fig. 2 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra el sistema en una fase de arranque en la que el tambor está aislado del circuito principal de fluido y la caldera auxiliar está en funcionamiento para suministrar vapor al supercalentador y el recalentador a través del circuito auxiliar de fluido;

La Fig. 3 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra el sistema en una fase de arranque en la que la radiación solar está calentando los fluidos que circulan en el generador de vapor cuando la caldera auxiliar sigue suministrando calor al supercalentador y al recalentador;

La Fig. 4 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra el sistema en una fase de arranque en la que una válvula que conecta el circuito auxi liar de fluido con la entrada del recalentador está cerrada;

La Fig. 5 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra el sistema en una fase de arranque en la que una válvula que conecta el circuito auxiliar de flu ido aguas arriba del supercaleniador está cerrada , y en la que una válvula que conecta el tambor al supercalentador está abierta para suministrar vapor al supercalentador desde el generador de vapor a través del tambor;

La Fig. 6 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra el sistema en una fase de arranque en la que la energia solar se aplica a los paneles de supercalentador y de recalentador;

La Fig. 7 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra el sistema en una fase de arranque en la que la turbina está conectada al circuito principal de fluido para iniciar el giro de la turbina con el vapor desde el tambor;

La Fig. 8 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra la carga de la turbina con el vapor desde los paneles de supercalentador y de recalentador;

La Fig. 9 es una vista esquemática del sistema de la Fig. 1, que muestra la turbina de vapor aceptando todo el vapor y subiendo a plena carga; y

La Fig. 10 es una vista esquemática de un ejemplo de caldera solar construida según la presente invención; que muestra paredes apiladas verticalmente de paneles de generador de vapor, de supercalentador y de recalentador.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Ahora se hará referencia a los dibujos en donde números de referencia similares identifican características estructurales o aspectos similares de la invención. A los efectos de explicación e ilustración, y no como limitación, en la Fig. 1 se muestra una vista parcial de un ejemplo de realización de un sistema según la invención y está designado generalmente con el carácter de referencia 100. Como se describirá, en las Figs. 210 se proporcionan otras realizaciones de sistemas según la invención, o aspectos de las mismas. Los sistemas y métodos de la invención pueden ser utilizados para el arranque de calderas solares, tales como después de una interrupción noctuma, y apagar las calderas solares, como para empezar una interrupción noctuma.

Haciendo referencia a la Fig. 1, se muestra esquemáticamente el sistema de arranque 10 de una caldera solar 100 con el flujo de fluido cortado en todas las lineas como durante una interrupción noctuma o con inclemencias climáticas, por ejemplo. El sistema 10 incluye un circuito principal 102 de fluido que incluye una pluralidad de paneles de caldera solar para generar energia a partir de energia solar. La caldera 100 incluye paneles para un generador 104 de vapor, supercalentador 106 y recalentador 108, cada uno configurado para transferir energia solar al circuito principal 102 de fluido. Un circuito auxiliar 110 de fluido se conecta de manera selectiva en comunicación de fluidos con el circuito principal 102 de fluido mediante una pluralidad de válvulas, como se describe con más detalle más adelante.

Haciendo referencia a la Fig. 10, el recalentador 108, generador 104 de vapor y el supercalentador 106 están apilados y alineados, tal como se muestra en la Fig. 10, con el recalentador 108 en la parte inferior, el generador 104 de vapor en el medio y el supercalentador 106 en la parte superior. Con los paneles individuales de caldera solar en estrecha alineación entre si en horizontal y en vertical, las superficies colectoras de los paneles crean cuatro superficies receptoras sustancialmente sólidas para recibir radiación solar de helióstatos en los cuatro lados de la caldera 100. Las paredes se pueden disponer para mirar al Norte, Este, Sur y Oeste, respectivamente, por ejemplo, y la caldera 100 se puede colocar en la parte superior de una torre central receptora de un campo de heliostatos. Con este tipo de configuración de receptor, un campo de helióstatos puede rodear a la caldera 100 en todas direcciones de los puntos cardinales para suministrar radiación para calentar el fluido de trabajo. Todos o algunos de los componentes restantes del sistema 100 pueden estar protegidos de los helióstatos dentro del espacio interior 165 de la caldera solar 100, o pueden estar ubicados en la torre de la caldera solar o en la tierra.

Volviendo a la Fig. 1, una caldera auxiliar 112 está conectada funcionalmente al circuito auxiliar 110 de fluido. Las válvulas que conectan el circuito auxi liar 110 de fluido al circuito principal 102 de fluido están configuradas para abrirse y cerrarse para poner de manera selectiva la caldera auxiliar 112 en comunicación de fluidos con partes del circuito principal 102 de flu ido para suministrar calor a las partes del circuito principal 102 de fluido cuando la energia solar es baja o no está disponible, por ejemplo, durante una interrupción noctuma. Según determinadas realizaciones, la caldera auxiliar 112 es una caldera de combustible, tal como una caldera de combustible liquido, una caldera de carbón, una caldera de gas natural o una caldera de biomasa o una caldera de gas natural. Se puede utilizar cualquier otro tipo adecuado de caldera que pueda funcionar independientemente de la disponibilidad de luz solar, tal como una caldera eléctrica, una caldera nuclear o una caldera geotérmica.

El circuito principal 102 de fluido incluye un tambor 114 para separar el vapor del agua liquida en un flujo saturado de vapor/agua desde el generador 104 de vapor. El tambor 114 está conectado funcionalmente para suministrar vapor al supercalentador 106 para un calentamiento adicional. La válvula de aislamiento 116 de tambor se incluye en el circuito principal 102 de fluido para aislar selectivamente el tambor 114 de otras partes del circuito principal 102 de fluido para conservar energía térmica dentro del tambor 114 durante los períodos de inactividad de los paneles de caldera solar, tal como por la noche. El tambor 114 se aisla para conservar el calor en el mismo durante periodos de interrupción.

Se induye una válvula de aislamiento 118 de generador de vapor en el circuito principal 102 de fluido en una salida del tambor 114. En su estado abierto, la válvula 118 conecta el generador 104 de vapor al tambor 114 a medida que la energía solar calienta los paneles de generador de vapor a una temperatura en tomo a la del tambor. Se incluye una válvula 119 de derivación de tambor, que en su estado cerrado coopera con la válvula abierta 118 para conectar el generador 104 de vapor con el tambor 114, y en su estado abierto, con la válvula 118 también cerrada, permite la circulación a través del generador 104 de vapor, pasando por alto el tambor 114 como se muestra en la Fig. 3. No se necesita una válvula en la entrada del tambor 114 siempre que la altura estática desde el tambor 114 sea suficiente para evitar que los fluidos entren a la entrada del tambor 114 cuando la válvula 119 está abierta, la válvula 118 está cerrada y los fluidos están circulando a través del generador 104

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de vapor como se muestra en la Fig. 4. También se incluye una valvula de aislamiento 120 de supercalentador, que en su estado abierto conecta el circuito auxiliar 110 de fluido a una parte del circuito principal 102 de fluido que incluye el supercalentador 106 y el recalentador 108 para acumular temperaturas en los mismos para un pleno funcionamiento solar del circuito principal 102 de fluido.

Una válvula 122 de fase de derivación de primera turbina, en su estado abierto, conecta el supercalentador 106 en serie directa con el recalentador 108. Un válvula adicional 143 de fase de derivación de primera turbina, en su estado abierto, conecta el supercalentador 106 en serie directa con el recalentador 108. El uso de válvulas 122 y 143 se describe con más detalle más adelante. Una válvula 124 de fase de derivación de segunda turbina, en su estado abierto, conecta el recalentador 108 a un condensador 126 en circuito principal 102 de fluido como preparación para el funcionamiento solar completo. Una válvula 128 de primera turbina, en su estado abierto, conecta una fase de primera turbina 130 en serie entre el supercalentador 106 y el recalentador 108 cuando la válvula 122 está cerrada. Una válvula 132 de segunda turbina en su estado abierto conecta una fase de segunda turbina 134 en serie entre los paneles 108 de recalentador y el condensador 126 cuando la válvula 124 de derivación de segunda turbina está cerrada.

Haciendo referencia ahora a las Figs. 2-9, ahora se describirá un ejemplo de método de sistema de arranque 10 para llevar la caldera solar 100 hasta un completo funcionamiento solar. En general, el arranque de la caldera solar 100 según la invención induye hacer circular fluidos calentados por la caldera auxiliar 112 a través del circuito auxiliar 110 de fluido que incluye el supercalentador 106 y el recalentador 108 para elevar las temperaturas dentro de los paneles de recalentador y de supercalentador. Los expertos en la técnica apreciarán fácilmente que el método puede ponerse en práctica sin un recalentador sin apartarse del espiritu y el alcance de la invención.

El pre-calentamiento del supercalentador 106 y el recalentador 108 con vapor auxiliar desde la caldera auxiliar 112 reduce el tiempo de arranque, y pennite el pleno funcionamiento para comenzar más temprano en el día en comparación con el tiempo de arranque necesario utilizando sólo energía solar. Además, si los paneles de la caldera están a temperatura ambiente, cuando los helióstatos reanudan la concentración de radiación solar sobre los paneles, hay suficiente flujo térmico para sobrecalentar los tubos de los paneles si no se les calienta de una manera controlada. El sobrecalentamiento de los tubos también puede conducir a la fatiga de los componentes de la caldera, lo que puede reducir la vida útil de los componentes. De este modo, la velocidad de calentamiento de los paneles de caldera debe ser controlada para ser lo suficientemente rápida para comenzar a generar vapor rápidamente, pero lo suficientemente lenta para evitar daños en el sistema. Los componentes de paredes delgadas tales como tubos típicos de caldera son menos susceptibles a daños térmicos, ya que su relativamente baja masa térmica les permite cambiar relativamente rápido de temperatura. Esto es particularmente importante para el control del calentamiento y el enfriamiento de los componentes de paredes gruesas, incluido, por ejemplo, colectores más grandes y las tuberías que conducen a los paneles de caldera, así como el tambor 114.

Haciendo referencia a la Fig. 2, las válvulas 136, 138, 140 Y 120 se abren para llevar la caldera auxi liar 112 y el circuito auxiliar 110 de fluido a una comunicación de fluidos con el circuito principal 102 de fluido. Estas etapas iniciales de hacer circular fluidos calentados mediante una caldera auxiliar 112 a través del circuito auxiliar 110 de fluido pueden ser iniciadas antes del amanecer local, ya que la caldera auxiliar 112 no requiere de la luz solar. En la fase inicial mostrada en la Fig. 2, los fluidos calentados desde la caldera auxiliar 112 circulan a través del supercalentador 106 y el recalentador 108 para calentar los respectivos paneles de caldera solar hasta la temperatura ambiente.

Haciendo referencia ahora a la Fig. 3, la bomba de circulación 142 se activa para hacer circular los fluidos a través del generador 104 de vapor. Después del amanecer, los helióstatos pueden concentrar la luz solar disponible sobre los paneles del generador 104 de vapor para suministrar calor al generador 104 de vapor para elevar las temperaturas en el mismo. Opcionalmente, también es posible conectar la caldera auxiliar 112 para calentar el generador 104 de vapor para suministrar calor al generador 104 de vapor. Cuando los fluidos dentro del generador 104 de vapor son calentados a una temperatura de aproximadamente ±37,7 oC (±100 °F) la del tambor 114, la válvula de aislamiento 118 del generador de vapor puede ser abierta y la válvula de derivación 119 del tambor puede ser cerrada para empezar la circulación a través del tambor 114. Durante este estado, el supercalentador 106 y el recalentador 108 continúan recibiendo calor de la caldera auxiliar 112. Cuando las temperaturas dentro del supercalentador 106 y el recalentador 108 han sido elevadas suficientemente, puede cerrarse la válvula 140 para cortar el flujo desde la caldera auxiliar 112 a la entrada del recalentador 108, como se muestra en la Fig. 4. Esto es el resultado del hecho de que el supercalentador 106 en esta fase ya no enfría los fluidos, por ejemplo, vapor auxiliar, suficiente como para requerir el exceso de calor suministrado en la entrada del recalentador 108 debido a que los componentes se han calentado hasta o cerca de la temperatura del vapor auxiliar en este punto. Esta fase se produce cuando la temperatura del supercalentador 106 alcanza alrededor de 148,8 oC a 260 oC (300 °F a 500 °F).

Haciendo referencia ahora a la Fig. 5, cuando las temperaturas en el generador 104 de vapor, el supercalentador 106 y el recalentador 108 han aumentado lo suficiente, la válvula 116 se puede abrir y la válvula 120 se puede cerrar. Esto suministra vapor desde el generador 104 de vapor a los paneles del supercalentador 106 Y lleva el tambor 114 y el supercalentador 106 hasta una temperatura de funcionamiento para la producción de energía

solar. La etapa de conectar el tambor 114 al circuito principal 102 de fluido pone el tambor 114 en serie con el recalentador 106 y el supercalentador 108. En esta fase, el supercalentador 106 y el recalentador 108 se calientan a o cerca de la misma temperatura que el vapor auxiliar.

Haciendo referencia ahora a la Fig. 6, en esta fase, que ocurre después del amanecer local, el calor para el supercalentador 106 y el recalentador 108 es proporcionado desde la radiación solar recibida desde los heliostatos. la caldera auxiliar 112 sólo está conectada al circuito principal 102 de fluido en esta fase a través de la válvula 138 para suministrar calor aguas abajo del recalentador 108. Este calor de la caldera auxiliar compensa el enfriamiento que puede ocu rrir en el supercalentador 106 y el recalentador 108, ya que se están llevando hasta la temperatura de funcionamiento, para proteger los componentes aguas abajo contra gradientes térmicos desfavorables.

Haciendo referencia ahora a la Fig. 7, una vez que las temperaturas en el supercalentador 106 y el recalentador 108 han aumentado lo suficiente, y una vez que hay disponible suficiente radiación solar, los heliostatos que dirigen la radiación solar al supercalentador 106, al recalentador 108 y al generador 104 de vapor suministran calor para un pleno funcionamiento con energía solar. la caldera auxiliar 112 puede ser apagada y el circuito auxiliar 110 de fluido puede ser desconectado del circuito principal 102 de fluido cerrando la válvula 138.

Continuando con la referencia a la Fig. 7, la fase de primera y de segunda turbina 130, 134 pueden arrancarse de la siguiente manera. Abriendo ligeramente la válvula 128 y la válvula estranguladora 122 se pone a girar la fase de primera turbina 130, poniéndola en serie entre el supercalentador 106 y el recalentador 108. Abriendo ligeramente la válvula 132 y la válvula estranguladora 124 se pone a girar la fase de segunda turbina 134, poniéndola en serie entre el recalentador 108 y el condensador 126.

Haciendo referencia a la Fig. 8, la válvula 122 se cierra y el flujo se traslada a través de la válvula 143 para mantener la presión en el sistema de supercalentador. Esto permite que la linea principal 141 de vapor reciba lodo el vapor generado en los paneles de generador de vapor para continuar calentando. Es ventajoso utilizar las válvulas 122 y 143 de esta manera ya que los componentes de la turbina se encuentran tipicamente a distancia de los componentes de la caldera. l a distancia entre la turbina y la caldera puede, por ejemplo, ser cerca de 152,4 m (500 pies). El vapor de arranque se puede dirigir a través de la válvula 122, que está próxima a los componentes de la caldera, hasta que se alcanza una temperatura cercana a la que se mantuvo durante la noche en la linea principal 141 de vapor. Cuando el vapor de arranque ha llegado a esta temperatura, la válvula 122 se puede apagar y la válvula 143, que está próxima a los componentes de la turbina, se puede utilizar posteriormente. las válvulas 143 y/o 124 pueden dejarse parcialmente abiertas para la derivación parcial de la turbina según sea necesario. los expertos en la técnica apreciarán fácilmente que en aplicaciones adecuadas, por ejemplo, en las que los componentes de la turbina están próximos a los componentes de la caldera, la válvula 122 puede ser eliminada sin apartarse del espiritu y el alcance de la invención.

Haciendo referencia a la Fig. 9, las válvulas 143 y 124 se cierran completamente para permitir que todo el vapor generado en el generador 104 de vapor vaya a las fases de turbinas 130 y 134. En esta fase, el sistema 10 se puede subir a plena carga y funcionar con plena energia solar.

la invención también proporciona un método para apagar un sistema de caldera solar, p. ej., el sistema 10 con caldera solar 100, para un posterior arranque rápído. El método puede ser utilizado ventajosamente, por ejemplo, para apagar una caldera solar para una interrupción nocturna. El apagado es iniciado enfriando los fluidos en el circuito principal 102 de fluido a una temperatura inferior a la temperatura de funcionamiento para la producción de energia. la etapa de enfriamiento puede iniciarse antes del ocaso local ya que la intensidad de la radiación solar se atenúa. El enfriamiento también se puede conseguir incluso con luz solar fuerte simplemente dirigiendo la luz solar desde los helióstatos lejos de los paneles de la caldera solar según sea necesario. Dado que los tubos de los paneles de la caldera están más calientes que el medio ambiente que los rodea, los paneles pierden calor al medio ambiente por convección y radiación cuando la radiación solar es retenida.

El enfriamiento demasiado rápido del sistema puede ser tan pe~udicial como pueda serlo un calentamiento demasiado rápido. Sin embargo, el proceso de enfriamiento puede ser controlado iniciando el procedimiento de apagado antes del ocaso, mientras todavia hay disponible un montón de energia solar. la caldera baja lentamente de temperatura y carga siguiendo los limites predeterminados de cambio de temperatura, que pueden ser determinados por los expertos en la técnica de manera especifica para una aplicación. Cuando la caldera alcanza una carga y temperatura mínimas de funcionamiento, empieza el enfriamiento natural, que puede ser controlado ya que las temperaturas son lo suficientemente frias para evitar daños en esta fase.

Cuando los fluidos en el tambor se han enfriado a una temperatura de ±93,3 QC (±200 QF) de la temperatu ra máxima de funcionamiento de la caldera auxiliar 112, el tambor 114 es aislado del circuito principal 102 de fluido, incluidos los paneles de caldera solar, cerrando la válvula de aislamiento 116 de tambor. Un ejemplo de temperatura máxima de funcionamiento de una caldera auxiliar 112 para las aplicaciones tipicas puede oscilar en tomo de 148 QC a 400 QC (300 °F a 752 °F). La válvula 118 también se cierra para aislar el tambor 114 de los paneles de enfriamiento del generador 104 de vapor. De esta manera, el tambor 114 es aislado de los paneles de caldera solar ya que siguen enfriándose a la temperatura ambiente de alrededor, y se corta el flujo a través

del generador 104 de vapor, el supercalentador 106,108 Y el recalentador. El tambor 114 se aisla térmicamente para conservar calor en el mismo y para reducir la cantidad de calentamiento necesario para volver a arrancar el sistema 10 posteriormente. Además, las tuberias y colectores grandes asociados con el tambor 114 pueden ser aislados con la misma finalidad. Dado que el tambor 114 conserva mucho de su calor, se acelera el posterior

5 arranque del sistema 10. Dado que el tambor 114 está aislado y conserva mucho de su calor y presión durante una interrupción, el aislamiento del tambor 114 del resto de circuito principal 102 de fluido con las válvulas 116, 118 protege al sistema de las grandes diferencias de temperatura hasta que el resto del circuito principal 102 de fluido puede ser llevado a la temperatura para reducir o eliminar el diferencial. El resto de las válvulas puede devolverse al estado que se muestra en la Fig. 1, a la espera de arrancar de la manera descrita anteriormente.

10 Los métodos y sistemas que se describen más arriba reducen el tiempo de arranque, permiten que se termine antes el arranque diario, y conservan la vida por fatigalfatiga y fluencia de los componentes de la caldera solar. Los métodos y sistemas también conservan la temperatura en un punto controlado durante la interrupción nocturna de calderas solares, o en cualquier otro momento de parada que sea necesario.

Si se esperan temperaturas de congelación en la interrupción, después de que las válvulas 116 y 118 sean

15 cerradas, el supercalentador 106 Y el recalentador 108 pueden ser drenados completamente y mantenerse al vacio durante la interrupción para evitar la congelación en los mismos. Con el fin de evitar el drenaje del generador 104 de vapor, la válvula 119 puede abrirse y la bomba 142 puede ser activada para que circulen fluidos a través del generador 104 de vapor. La combinación de agua en movimiento y el calor generado por la bomba 142 se puede utilizar de este modo para evitar que el agua se congele en el generador 104 de vapor.

20 Los métodos y sistemas de la presente invención, según se han descrito anteriormente y tal como se muestran en los dibujos, permiten sistemas y métodos de arranque y apagado de calderas solares con propiedades superiores incluyendo un arranque rápido. Mientras que el aparato y los métodos de la invención se han mostrado y descrito haciendo referencia a realizaciones preferidas, los expertos en la técnica apreciarán fácilmente que se pueden hacer cambios ylo modificaciones a las mismas sin apartarse del espiritu y el alcance

25 de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

,. Un sistema de arranque para una caldera solar que comprende:

al un circuito principal de fluido que incluye una pluralidad de paneles de caldera solar para generar energía a partir de la energía solar y un tambor para separar vapor de agua en estado líquido, en donde la pluralidad de paneles de caldera solar induyen una pluralidad de paneles de generador de vapor: incluyendo la pluralidad de paneles de caldera solar una pluralidad de paneles de supercalentador y una pluralidad de paneles de recalentador, cada uno configurado para transferir energra solar al circuito principal de fluido, en donde el tambor está conectado funcionalmente a los paneles de generador de vapor para recibir agua-vapor saturado del mismo, yen donde el tambor está conectado funcionalmente pa ra suministrar vapor a los paneles de supercalentador;

b) un circuito auxiliar de fluido que se conecta de manera selectiva en comunicación de fluidos con el circuito principal de fluido mediante una pluralidad de válvulas;

e) una caldera auxiliar conectada funcionalmente al circuito auxiliar de fluido, en donde las válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido están configuradas para que se puedan abrir y cerrar para poner selectivamente la caldera auxiliar en comunicación de fluidos con partes del circuito principal de fluido para suministrar calor a las partes del circuito principal de fluido como preparación para la producción de energía a partir de la energía solar;

d ) válvula de aislamiento de generador de vapor conectada entre una salida del tambor y una entrada de los paneles de generador de vapor, que en un estado abierto conecta los paneles de generador de vapor al tambor para calentar los paneles de generador de vapor a una temperatura alrededor de la del tambor utilizando calor procedente de la energra solar; y

e) válvula de aislamiento de tambor conectada funcionalmente al circuito principal de fluido para aislar de forma selectiva al tambor de otras partes del circuito principal de fluido para conservar energía térmica dentro del tambor durante los periodos de inactividad de los paneles de caldera solar.
2.

Un sistema de arranque para una caldera solar según la reivindicación 1, en donde la caldera auxiliar es de un tipo que se selecciona del grupo que consiste en combustible fluido, carbón, biomasa, gas natural, energra nuclear, energra geotérmica y energia eléctrica.
3.

Un sistema de arranque según la reivindicación 1, en donde la pluralidad de válvulas que conectan el circuito auxiliar de fluido al circuito principal de fluido incluyen una válvula de aislamiento de supercalentador que en un estado abierto conecta el circuito auxiliar de fluido a una parte del circuito principal de fluido que incluye los paneles de supercalentador y de recalentador para acumular temperaturas en los mismos para un pleno funcionamiento solar en el circuito principal de fluido.
4.

Un sistema de arranque según la reivindicación 3, en donde una válvula de derivación de primera turbina en un estado abierto conecta los paneles de supercalentador en serie directa con los paneles de recalentador, y en donde una válvula de derivación de segunda turbina en un estado abierto conecta los paneles de recalentador a un condensador en el circuito principal de fluido como preparación para pleno funcionamiento solar.
5.

Un sistema de arranque según la reivindicación 4, en donde una válvula de primera turbina en un estado abierto conecta una fase de primera turbina en serie entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador con la válvula de derivación de primera turbina cerrada, yen donde una válvula de segunda turbina en un estado abierto conecta una etapa de segunda turbina en serie entre los paneles de recalentador y el condensador con la válvula de segunda turbina cerrada.
6.

Un sistema de arranque según la reivindicación 1, en donde el tambor se aísla para conservar el calor en el mismo durante periodos de interrupción con los paneles de caldera solar inactivos.
7.

Un método para el arranque de una caldera solar que comprende:

a) hacer circular fluidos calentados por una caldera auxiliar a través de un circuito auxiliar de fluido que incluye una pluralidad de paneles de supercalentador para elevar las temperaturas dentro de los paneles de supercalentador;

b) hacer circular fluidos que circulan a través de una pluralidad de paneles de generador de vapor expuestos a la radiación solar para elevar las temperaturas dentro de los paneles de generador de vapor; y

e) suministrar vapor procedente de los paneles de generador de vapor a los paneles de supercalentador para llevar el tambor y los paneles de supercalentador hasta una temperatura de funcionamiento para la producción de energia solar mediante:

i) conectar el tambor a los paneles de generador de vapor mediante la apertura de una válvula de aislamiento de generador de vapor conectada entre una salida del tambor y una entrada de los paneles de generador de vapor;

ii) conectar un tambor a los paneles de supercalentador mediante la apertura de una válvula de aislamiento de tambor conectada entre el tambor y los paneles de supercalentador; y

iii) desconectar la caldera auxiliar de los paneles de supercalentador mediante el cierre de una válvula de derivación de caldera auxilia r conectada entre los paneles de supercalentador y la caldera auxiliar.
8.

Un método segun la reivindicación 7, en donde la etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador incluye la conexión de una pluralidad de paneles de recalentador en serie entre los paneles de superca!entador y un condensador para llevar los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador hasta una lemperatura de funcionamiento para la producción de energia solar.
9.

Un método según la reivindicación 8, que comprende además la conexión de una etapa de primera turbina en serie entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador mediante la apertura de la válvula de primera turbina conectada entre los paneles de supercalentador y la etapa de primera turbina y el cierre de una válvula de derivación de primera turbina conectada entre los paneles de supercalentador y los paneles de recalentador, y la conexión de una etapa de segunda turbina en serie entre los paneles de recalentador y el condensador con la apertura de una válvula de segunda turbina conectada entre los paneles de recalentador y la etapa de segunda turbina y el cierre de una válvula de derivación de segunda turbina conectada entre los paneles de recalentador y el condensador.
10.

Un método según la reivindicación 7, en donde la etapa de hacer circular fluidos a través de una pluralidad de paneles de generador de vapor expuestos a la radiación solar para elevar las temperaturas dentro de los paneles de generador de vapor incluye el calentamiento de los flu idos dentro de los paneles de generador de vapor a una temperatura de ±37,7 oC (±100 °F) de la de dentro del tambor.
11.

Un método según la reivindicación 10, que comprende además iniciar la etapa de hacer circular fluidos calentados por una caldera auxiliar a través de un circuito auxiliar de fluido antes del amanecer local.
12.

Un método según la reivindicación 7, que comprende además sincronizar la etapa de conectar el tambor a los paneles de generador de vapor para que se produzca después del amanecer local, en donde la etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador incluye el calentam iento de los paneles de supercalentador con el flujo térmico solar.
13.

Un método según la reivindicación 7, que comprende además iniciar la etapa de conectar el tambor a los paneles de supercalentador después del amanecer local.
14.

Un método para apagar una caldera solar para permitir el posterior arranque rápido que comprende:

a) enfriar los fluidos en un circuito principal de fluido de una caldera sol;;lr a un;;l temperatur;;l inferior ;;1 1;;1 temperatura de funcionamiento para la producción de energía, en donde el circuito principal de fluido incluye una pluralidad de paneles de caldera solar y un tambor; y

b) aislar el tambor de los paneles de caldera solar mediante el cierre de por lo menos una válvula de aislamiento de tambor en el circuito principal de fluido y mediante el cierre de una válvula de aislamiento de generador de vapor conectada entre una salida del tambor y una entrada de los paneles de generador de vapor para aislar el tambor de paneles de enfriamiento del generador de vapor, en donde el tambor es aislado para conservar el calor en el mismo cuando está aislado de los paneles de caldera solar.
15.

Un método segun la reivindicación 14, en donde la etapa de enfriamiento incluye enfriar fluidos en el tambor a una temperatura de ±93,3 oC (±200 °F) de la temperatura máxima de funcionamiento de una caldera auxiliar conectado funcionalmente con el circuito principal de fluido para ser llevado de manera selectiva a una comunicación de fluidos con el mismo para calentar las partes de circuito principal de fluido durante el arranque.
16.

Un método según la reivindicación 15, en donde la etapa de aislar el tambor incluye enfriar los fluidos en los paneles de caldera solar a aproximadamente la temperatura ambiente.
17.

Un método según la reivindicación 16, que comprende además iniciar la etapa de enfriamiento antes del ocaso local.
18.

Un sistema de arranque para una caldera solar de según la reivindicación 1, comprendiendo además una válvula de derivación de tambor conectada entre una salida de los paneles del generador de vapor y la entrada de los paneles del generador de vapor, que en un estado abierto, con la válvula de aislamiento del generador de vapor cerrada, permite la circulación a través de los paneles del generador de vapor, sin pasar por el tambor.