ES2415005A2

ES2415005A2 - Colector termosolar post-concentrador de alta temperatura.

Info

Publication number: ES2415005A2
Application number: ES201230077A
Authority: ES
Inventors: Ramón FERREIRO GARCIA
Original assignee: Universidade da Coruna
Current assignee: Universidade da Coruna
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-07-23
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: ES2415005B1; ES2415005R1

Abstract

El colector termosolar post-concentrador de alta temperatura consiste en un concentrador de energía solar ubicado tanto en una torre captadora de energía solar reflejada por un campo de helióstatos, o ubicado en el foco de concentración de discos parabólicos, o ubicado en el foco de concentración de concentradores parabólicos planos, para amplificar la relación de concentración previa mediante una lente con el consiguiente incremento de temperatura del fluido de trabajo responsable del incremento de eficiencia del proceso de conversión de energía térmica a eléctrica. Por el interior del colector circula el fluido gaseoso de transferencia de energía a la presión de trabajo, capturando la energía solar a alta temperatura para ser aplicado a un ciclo termodinámico del tipo Brayton, Rankine o Stirling.

Description

COLECTOR TERMOSOLAR POST-CONCENTRADOR DE ALTA TEMPERATURA

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de energía termosolar en energía eléctrica mediante ciclos termodinámicos del tipo Brayton, Rankine o Stirling.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN

El objetivo de la presente invención denominada “Colector termosolar post-concentrador de alta temperatura”, es el incremento de la eficiencia térmica del proceso de conversión de energía termosolar a eléctrica vía ciclos Brayton o Rankine mediante la elevación de la temperatura del foco de concentración de energía y en consecuencia la temperatura del fluido gaseoso de trabajo a coste efectivo. El colector de energía termosolar consiste en un concentrador de energía solar susceptible de ser ubicado tanto en una torre captadora de energía solar reflejada por un campo de helióstatos, como ubicado en el foco de concentración de discos parabólicos, o ubicado en el foco de concentración de concentradores parabólicos planos, el cual amplifica la relación de concentración previa mediante una lente. Por el interior del colector se hace circula el fluido gaseoso de transferencia de energía térmica a la presión de trabajo, capturando el calor solar a alta temperatura para ser aplicado a un ciclo termodinámico del tipo Brayto, Rankine o Stirling.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las plantas termo solares de conversión de energía térmica en energía eléctrica actuales utilizan concentradores solares térmicos basados en tres tecnologías maduras en los que las temperaturas alcanzadas por los fluidos térmicos de trabajo limitan el incremento de eficiencia con la consiguiente repercusión en el coste de explotación durante todo el ciclo de vida útil. Las tecnologías aplicadas hasta la actualidad son las tres siguientes: Concentradores cilindro-parabólicos: Consisten en concentradores de foco lineal con seguimiento solar en un solo eje, relaciones de concentración de la radiación entre 3 y 80 y potencias por campo unitario entre 30 a 80 MW, alcanzando temperaturas de trabajo en el colector en torno a los 400 C y eficiencias que no pasan del 20%. Sistemas de torre o de receptor central: Consisten en un campo de helióstatos que siguen la posición instantánea del Sol (elevación y acimut) y orientan el rayo reflejado hacia el foco receptor o colector ubicado en el extremo de una torre que hace de soporte. Las relaciones de concentración oscilan entre 200 a 1.000 y las potencias unitarias de 10 a 200 MW con capacidad para alcanzar temperaturas de trabajo en el colector de 565 C y eficiencias en torno al 25%. Discos parabólicos: Son unidades de concentración independientes con reflector parabólico habitualmente conectado a un motor Stirling ubicado en el foco de cada concentrador parabólico. Los niveles de concentración son superiores a las demás tecnologías alcanzando los 4000 C y las potencias unitarias oscilen entre 5 y 25 kW alcanzando temperaturas en el receptor o colector en torno a los 800 C y eficiencias en torno al 30%. El receptor de energía concentrada se halla ubicado entre el concentrador parabólico y el motor Stirling y realiza dos tareas fundamentales: -Absorber la radiación solar reflejada por el concentrador formado por el disco parabólico. -Transferir esta energía absorbida al motor Stirling en forma de calor de modo eficiente. Los receptores empleados en los discos parabólicos de alta temperatura se caracterizan por ser de cavidad, en los que la radiación concentrada entra por una apertura situada en el foco del paraboloide incidiendo posteriormente sobre el absorbedor. De esta forma se consiguen disminuir las pérdidas reflectivas y convectivas, así como homogeneizar el flujo radiante incidente sobre el absorbedor y reducir su valor máximo. Actualmente existen dos tipos de receptores utilizados en sistemas concentradores basados en el Disco parabólico Stirling: -receptores de tubos de radiación incidente directa o iluminación directa, y -receptores de reflujo. a.-Los receptores de tubos de radiación incidente directa permiten una adaptación directa del calentador de los motores Stirling convencionales. En estos receptores el absorbedor está formado con un haz de tubos por donde circula el fluido de trabajo del motor (helio, hidrógeno o aire) altamente presurizado (50-200 bar). La radiación incide directamente sobre estos tubos y es transformada en energía térmica y transferida al fluido de trabajo del motor Stirling. b.-Los receptores de reflujo, hacen uso de un fluido intermedio, y consiguen transmitir la energía al motor Stirling de una manera uniforme en toda su superficie, lo que provoca un mejor funcionamiento, a costa de una pérdida importante de la energía recibida por el sistema receptor. Los receptores de reflujo utilizan habitualmente sodio líquido que se distribuye a través de la superficie receptora del flujo de energía. El sodio absorbe este calor entrante, evaporándose y ascendiendo hasta el intercambiador de calor, donde tras ceder gran parte de la energía que contiene al gas de trabajo del motor Stirling, condensa volviendo a caer acumulándose en la piscina de sodio, desde donde se distribuye posteriormente a la superficie receptora por capilaridad. Se distinguen dos tipos de receptores de reflujo: -Receptor de tipo “pool boiler”. En este caso hay una porción de metal líquido siempre en contacto con el absorbedor, donde se produce la evaporación del metal (sodio), que posteriormente se desplaza hacia el calentador del motor. -Receptor de tubo de calor (heat pipe). En este caso el líquido metálico asciende por fuerzas de capilaridad por unos tubos situados en la parte posterior del absorbedor, de donde se evapora para ceder energía y condensarse en el calentador del motor. Las gotas de metal líquido condensan aquí y por gravedad caen al absorbedor donde comienzan a subir por

capilaridad nuevamente. La reserva de metal líquido dentro del receptor es, en este caso, mucho más pequeña. En el estado actual de la técnica relacionada con los colectores de energía térmica solar concentrada no son conocidos más aportes técnicos que los citados.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

En esta sección se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen el colector termosolar post-concentrador de alta temperatura para facilitar la comprensión de la invención en donde se hace referencia a las siguientes figuras: Figura 1. Colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura sin intercambiador de calor intermedio. Figura 2. Colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio. Figura 3. Colectores termosolares de alta temperatura: (a), colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica para la captación de energía pre-concentrada por campos de heliostatos o discos parabólicos. (b), colector termosolar con lente rectangular de sección transversal parabólica para la captación de energía pre-concentrada por concentradores parabólicos planos. Figura 4. Detalle de la ubicación del colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura con respecto a un pre-concentrador del tipo de disco parabólico. Figura 5. Detalle de la ubicación del colector termosolar con lente rectangular de sección transversal parabólica de alta temperatura con respecto a un pre-concentrador con lente rectangular de sección transversal parabólica. Figura 6. Colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura sin intercambiador de calor intermedio acoplado a una máquina de conversión de energía térmica a eléctrica de ciclo Brayton. Figura 7. Colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio acoplado a una máquina de conversión de energía térmica a eléctrica de ciclo Rankine. Figura 8. Colector termosolar con lente rectangular de sección transversal parabólica de alta temperatura sin intercambiador de calor intermedio acoplado a una máquina de conversión de energía térmica a eléctrica de ciclo Brayton. Figura 9. Colector termosolar con lente rectangular de sección transversal parabólica de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio acoplado a una máquina de conversión de energía térmica a eléctrica de ciclo Rankine. Los componentes referenciados en las figuras 1 a 7 se identifican como sigue: 1 lente. 2 envolvente del colector termosolar resistente a las presiones y temperaturas de trabajo

3 vía de entrada del fluido de trabajo. 4 vía de salida del fluido de trabajo. 5 absorbedor de energía formado por red de malla de acero (wire mesh) o espuma cerámica (ceramic foam) resistentes a altas temperaturas. 6 capa de aislante térmico para atenuar la transferencia de energía térmica al ambiente. 7 intercambiador de energía térmica en colector termosolar de de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio

8. bomba de circulación del fluido térmico de transferencia de energía

20.: Colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura destinado a la captación de energía pre-concentrada por campos de heliostatos o discos parabólicos.

21.: Colector termosolar con lente rectangular de sección transversal parabólica de alta temperatura destinado a la captación de energía pre-concentrada mediante pre-concentradores con lente rectangular de sección transversal parabólica.

22.: pre-concentrador del tipo de disco parabólico.

23.: pre-concentrador del tipo con lente rectangular de sección transversal parabólica.

24.: Máquina térmica de conversión de energía térmica a eléctrica vía energía mecánica mediante ciclo termodinámico Brayton.

25.: Máquina térmica de conversión de energía térmica a eléctrica vía energía mecánica mediante ciclo termodinámico Rankine.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El colector termosolar post-concentrador de alta temperatura objeto del invento consiste en un captador de energía solar térmica sometido a la presión de trabajo del fluido a calentar (generalmente helio o hidrógeno). Este colector termosolar es susceptible de ser ubicado tanto en una torre captadora de energía solar reflejada por un campo de helióstatos, como ubicado en el foco de concentración de discos parabólicos, o en el foco de concentración de concentradores parabólicos planos. Tienen la misión de amplificar la relación de concentración previa mediante lentes circulares o planas dependiendo del tipo de concentrador previo, con objeto de conseguir alta temperatura del fluido a la presión de trabajo, lo que da lugar al incremento de la eficiencia térmica del ciclo termodinámico de conversión de energía. El fluido de trabajo circula a la presión de trabajo por el interior del colector capturando la energía térmica a alta temperatura para ser cedida a una máquina de conversión de energía térmica a eléctrica mediante alguno de los ciclos termodinámicos de Brayton, Rankine o Stirling. El fluido de trabajo después de ceder la energía térmica por medio del ciclo termodinámico de conversión, retorna al colector a baja temperatura cerrando el ciclo. El incremento de eficiencia térmica requiere elevar la temperatura del fluido térmico de trabajo hasta el máximo límite técnicamente realizable.

En base al fundamento del invento denominado “Colector termosolar post-concentrador de alta temperatura” se proponen dos casos: en un caso, según la figura 3(a), está constituido por una envolvente (2) cónica truncada cerrada por un extremo por una lente (1) circular de sección transversal parabólica y por otro por una cavidad esférica abierta hacia la envolvente (2) y en cuyo interior se sitúa el absorbedor (5); y en el otro caso, según la figura 3(b), presenta una envolvente (2) de sección cónica truncada cerrada por un extremo por una lente (1) rectangular de sección transversal parabólica y por el otro por una cavidad cilíndrica abierta hacia la envolvente (2) y en cuyo interior se sitúa el absorbedor (5). En el caso de la figura 3(a) está constituido por los siguientes elementos: 1 lente circular de sección transversal parabólica. 2 envolvente del colector termosolar resistente a las presiones y temperaturas de trabajo. 3 vía de entrada del fluido de trabajo. 4 vía de salida del fluido de trabajo. 5 absorbedor de energía térmica formado por alambre de acero o espuma cerámica resistentes a altas temperaturas. 6 recubrimiento de una capa de aislante térmico para atenuar la transferencia de energía térmica al ambiente. 7 intercambiador de energía térmica en colector termosolar de de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio.

8. bomba de circulación del fluido térmico de transferencia de energía. En el caso de la figura 3(b) está constituido por los siguientes elementos: 1 lente rectangular de sección transversal parabólica. 2 envolvente del colector termosolar resistente a las presiones y temperaturas de trabajo. 3 vía de entrada del fluido de trabajo. 4 vía de salida del fluido de trabajo. 5 absorbedor de energía térmica formado por alambre de acero o espuma cerámica resistentes a altas temperaturas. 6 recubrimiento de una capa de aislante térmico para atenuar la transferencia de energía térmica al ambiente. 7 intercambiador de energía térmica en colector termosolar de de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio.

8. bomba de circulación del fluido térmico de transferencia de energía. Ambos modelos o grupos de colectores pueden optativamente estar dotados del sistema de intercambio de energía térmica intermedio constituido por el intercambiador de energía térmica

(7) y la bomba de circulación del fluido térmico de transferencia de energía (8). El colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura sin intercambiador de calor intermedio se muestra en la figura 1. Con referencia a la figura 1, un haz de rayos solares reflejados por un concentrador previo (que puede consistir en un campo de helióstatos o un disco parabólico) impacta la lente (1) y canaliza la mayor parte del

citado haz hacia el foco de la lente circular de sección transversal parabólica (1). En torno al foco de concentración, se halla un absorbedor de calor (5) contenido en la envolvente (2) y constituido bien por malla de alambre o un lecho poroso cerámico resistentes a altas temperaturas. Este absorbedor tiene la misión de incrementar la superficie de transferencia de calor con el fluido de trabajo. La parte de la envolvente (2) que está sometida a altas temperaturas próximas al foco de concentración se halla aislada térmicamente mediante una capa de aislante térmico (6) para atenuar la transferencia de energía térmica al ambiente. El fluido de trabajo presurizado es forzado a penetrar por la vía de entrada del fluido de trabajo (3), y después de atravesar el absorbedor (5), donde captura el calor cedido por el haz de energía solar concentrada, es evacuado por la vía de salida (4) para su aplicación a la con versión de energía. En este tipo de colector el calor capturado por el fluido de trabajo es cedido directamente a una máquina térmica de ciclo Brayton. En la figura 4 se muestra el aspecto que presenta la ubicación del colector termosolar de alta temperatura (20) con respecto a un preconcentrador del tipo de disco parabólico (22). En la figura 2 se muestra el colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura dotado de intercambiador de calor intermedio por el que circula el fluido de trabajo en circuito cerrado, el cual después de atravesar el absorbedor (5) es evacuado por la vía de salida (4), atravesando el intercambiador de calor intermedio (7) de energía térmica en donde cede parte de la energía térmica a alta temperatura, retornando hacia la vía de entrada (3) impulsado por la bomba (8) de circulación del fluido térmico. La energía cedida en el intercambiador (7) es aplicada a la conversión de energía de tal manera que en este tipo de colector el calor capturado por el fluido de trabajo en el intercambiador (7) es cedido una máquina térmica de ciclo Rankine o alternativamente una máquina de ciclo Brayton. En la Figura 4 se muestra el detalle de la ubicación del colector termosolar con lente circular de sección transversal parabólica de alta temperatura con respecto a un pre-concentrador del tipo de disco parabólico. En la figura 5 se muestra el detalle de la ubicación del colector termosolar con lente rectangular de sección transversal parabólica de alta temperatura con respecto a un pre-concentrador con lente rectangular de sección transversal parabólica. El colector termosolar con lente rectangular de sección transversal parabólica consiste en un postconcentrador de alta temperatura el cual presenta el aspecto mostrado en la figura 5 (21), y puede alternativamente estar implementado con y sin intercambiador de calor intermedio (7). En ambos casos, según se muestra en la figura 5, el colector (21) captura energía solar preconcentrada por un campo de concentradores parabólicos planos similares al concentrador plano (23), para ser aplicada a la conversión de energía por medio de los ciclos termodinámico Rankine o Brayton.

DESCRIPCIÓN DE REALIZACIÓNES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN

En coherencia con la descripción del invento se destacan cuatro realizaciones preferentes de la invención: a.-Colector termosolar post-concentrador de alta temperatura parabólico circular sin intercambiador de calor intermedio (7), acoplado a una máquina de conversión de energía

5 térmica a eléctrica de ciclo Brayton (24) mostrado en la figura 6, en donde la energía solar previamente concentrada procede tanto de un campo de helióstatos como de un disco parabólico concentrador. b.-Colector termosolar post-concentrador de alta temperatura parabólico circular con intercambiador de calor intermedio (7), acoplado a una máquina de conversión de energía

10 térmica a eléctrica de ciclo Rankine (25) mostrado en la figura 7, en donde la energía solar previamente concentrada procede tanto de un campo de helióstatos como de un disco parabólico concentrador. c.-Colector termosolar post-concentrador de alta temperatura con lente rectangular de sección transversal parabólica sin intercambiador de calor intermedio acoplado (7), a una máquina de

15 conversión de energía térmica a eléctrica de ciclo Brayton (24) mostrado en la figura 8, en donde la energía solar previamente concentrada procede de concentradores parabólicos planos. d.-Colector termosolar post-concentrador de alta temperatura con lente rectangular de sección transversal parabólica con intercambiador de calor intermedio (7), acoplado a una máquina de

20 conversión de energía térmica a eléctrica de ciclo Rankine (25) mostrado en la figura 9, en donde la energía solar previamente concentrada procede de concentradores parabólicos planos.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

COLECTOR TERMOSOLAR POST-CONCENTRADOR DE ALTA TEMPERATURA, caracterizado por que comprende: -una lente (1) circular de sección transversal parabólica; -una envolvente (2) cónica truncada, resistente a las presiones y temperaturas de trabajo, cerrada por un extremo por la lente (1) circular de sección transversal parabólica y por otro por una cavidad esférica abierta hacia la envolvente (2) y en cuyo interior se sitúa el absorbedor (5); -vía de entrada (3) del fluido de trabajo; -vía de salida (4) del fluido de trabajo; -absorbedor (5) de energía térmica formado por alambre de acero o espuma cerámica resistentes a altas temperaturas; -recubrimiento (6) de una capa de aislante térmico para atenuar la transferencia de energía térmica al ambiente; -intercambiador (7) de energía térmica en colector termosolar de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio; -bomba (8) de circulación del fluido térmico de transferencia de energía.
2.

COLECTOR TERMOSOLAR POST-CONCENTRADOR DE ALTA TEMPERATURA según reivindicación 1, caracterizado por que está dotado de un sistema de intercambio de energía térmica intermedio constituido por el intercambiador de calor intermedio (7) y la bomba de circulación del fluido térmico de transferencia de energía (8).
3.

COLECTOR TERMOSOLAR POST-CONCENTRADOR DE ALTA TEMPERATURA, caracterizado por que comprende: -una lente (1) rectangular de sección transversal parabólica; -una envolvente (2) de sección cónica truncada, resistente a las presiones y temperaturas de trabajo, cerrada por un extremo por la lente (1) rectangular de sección transversal parabólica y por el otro por una cavidad cilíndrica abierta hacia la envolvente (2) y en cuyo interior se sitúa el absorbedor (5); -vía de entrada (3) del fluido de trabajo; -vía de salida (4) del fluido de trabajo; -absorbedor (5) de energía térmica formado por alambre de acero o espuma cerámica resistentes a altas temperaturas; -recubrimiento (6) de una capa de aislante térmico para atenuar la transferencia de energía térmica al ambiente; -intercambiador (7) de energía térmica en colector termosolar de alta temperatura con intercambiador de calor intermedio;

-bomba (8) de circulación del fluido térmico de transferencia de energía.
4.

COLECTOR TERMOSOLAR POST-CONCENTRADOR DE ALTA TEMPERATURA según reivindicación 3ª, caracterizado por que está dotado de un sistema de intercambio de energía térmica intermedio constituido por el intercambiador de calor intermedio (7) y la bomba de circulación del fluido térmico de transferencia de energía (8).

FIGURA 1 .

FIGURA 2

(a) (b)

FIGURA 3

FIGURA 4

FIGURA 5

FIGURA 6

FIGURA 7

FIGURA 8

23

FIGURA 9