ES2586768T3 - Generador de vapor solar - Google Patents

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ES2586768T3 ES09732027.9T ES09732027T ES2586768T3 ES 2586768 T3 ES2586768 T3 ES 2586768T3 ES 09732027 T ES09732027 T ES 09732027T ES 2586768 T3 ES2586768 T3 ES 2586768T3
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Abstract

Receptor solar (100) para un sistema de generación de energía solar; comprendiendo dicho receptor solar (100): un panel (122) de tubos (124) por los que circula un fluido para dirigir la energía solar sobre dichos tubos (124) a fin de calentar el fluido, teniendo cada uno de dichos tubos (124) una superficie interna rayada (154). en el que los tubos (124) están orientados sustancialmente en vertical; y caracterizado por que está adaptado para tener un caudal másico de fluido aproximadamente superior a 271 kg/s/m2.

Description

DESCRIPCION
Generador de vapor solar Campo tecnico
La presente descripcion se refiere en general a un generador de vapor, y mas en concreto, a un generador de vapor 5 solar que tiene un receptor que incluye paredes de agua de caldera compuestas de paneles verticales de tubos que tienen un perfil interno rayado.
Antecedentes
Es conocido en la tecnica anterior utilizar energfa solar para alimentar un sistema de generacion de energfa electrica, como se muestra en la solicitud de patente 2005/0126170, en el documento de patente US 4.387.574 y en 10 la solicitud de patente FR 2438804. Un sistema de generacion de energfa electrica alimentado con energfa solar 10 de este tipo, como se muestra en la figura 1, proporciona una pluralidad de espejos o heliostatos 12 que reflejan la energfa solar radiante del sol 14 sobre un receptor solar 16 dispuesto en una torre 18. El receptor solar 16 incluye tubos de serpentina por los que circula el fluido caloportador. El fluido caloportador se suministra desde la torre 18 a un generador de vapor 20, en el que la energfa termica se intercambia entre el fluido caloportador y el agua que 15 circula por un circuito de fluido independiente 22. El fluido caloportador se enfna de este modo en el generador de vapor 20 y puede entonces ser recirculado de nuevo al receptor 16 para ser recalentado. El agua calentada en el generador de vapor 20 forma vapor que es recirculado hacia un turbogenerador 24, es decir, hacia una turbina 26 acoplada a un generador electrico 28. El vapor se expande y hace girar la turbina 26 y el generador 28, y por tanto produce electricidad. El vapor se puede hacer pasar a traves de un condensador 30 que, en combinacion con una 20 torre de enfriamiento 32, condensa el vapor para formar agua caliente que se calienta adicionalmente en un precalentador 34 y se puede hacer circular de vuelta al generador de vapor 20 mediante una bomba 36 para su reutilizacion. Se pueden utilizar bombas 38 para hacer circular el fluido caloportador, y se pueden utilizar tanques 40, 42 respectivamente para almacenar el fluido caloportador antes y despues de su calentamiento mediante el receptor solar 16.
25 La presente invencion proporciona caractensticas y configuraciones para mejorar la eficiencia energetica de un receptor solar y de una central de generacion de vapor a partir de la energfa solar.
Breve descripcion de la invencion
De acuerdo con los aspectos ilustrados en el presente documento, se proporciona un receptor solar de acuerdo con la reivindicacion 1, para un sistema de generacion de energfa solar. El receptor solar comprende un panel de tubos 30 por los que circula un fluido para dirigir la energfa solar sobre los tubos para calentar el fluido. Cada uno de los tubos tiene una superficie interna rayada.
De acuerdo con los demas aspectos ilustrados en el presente documento, se proporciona un sistema de generacion de energfa solar que incluye un receptor solar de acuerdo con la reivindicacion 1, dispuesto sobre una torre para recibir la energfa solar. El receptor solar incluye al menos un panel de tubos para recibir un fluido que circula por los 35 mismos. Cada uno de los tubos de evaporador tiene una superficie interna rayada. Al menos un reflector solar refleja calor radiante procedente del sol sobre el evaporador para calentar el fluido.
Las caractensticas descritas anteriormente y otras caractensticas se ejemplifican mediante las siguientes figuras y la descripcion detallada.
Breve descripcion de los dibujos
40 Con referencia ahora a las figuras, que son realizaciones ejemplares, y en las que los elementos que son similares se identifican con numeros de referencia similares:
la figura 1 es un diagrama esquematico de un sistema de generacion de vapor solar de la tecnica anterior;
la figura 2 es un diagrama esquematico de una parte de receptor solar de un sistema de generacion de energfa solar de acuerdo con la presente invencion;
45 la figura 3 es un diagrama de bloques de un sistema de generacion de vapor solar de acuerdo con la presente invencion;
la figura 4 es una vista en planta de un panel de un evaporador del sistema de generacion de vapor solar de las figuras 2 y 3 formado por un haz de tubos rayados dispuestos verticalmente;
la figura 5 es una vista en seccion transversal de un tubo rayado de la figura 4, tomada por la lmea A-A; y
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la figura 6 es una vista en seccion transversal de un tubo rayado de la figura 4, tomada a lo largo de la lmea B-B. Descripcion detallada
Con referencia a la figura 2, un receptor solar 100, de acuerdo con la presente invencion, se muestra dispuesto sobre una torre 102 entre un campo de captadores solares 104, tales como espejos o heliostatos. Los captadores solares 104 estan dispuestos cerca de la torre para dirigir la energfa solar o la radiacion solar procedente del sol 106 al receptor solar. Los heliostatos 104 pueden tener una configuracion curvada o plana. Cada heliostato puede ajustarse de manera independiente en respuesta a la posicion relativa del sol. Por ejemplo, los heliostatos pueden estar dispuestos en haces, por lo que los heliostatos de cada haz son controlados por separado o en combinacion con los otros heliostatos del haz por uno o mas dispositivos de control (no mostrados) configurados para detectar y realizar un seguimiento de la posicion relativa del sol. Por tanto, los heliostatos 104 pueden ser ajustados de acuerdo con la posicion del sol 106 para reflejar la luz solar sobre el receptor 100, calentando asf el fluido caloportador que circula por el receptor.
En una realizacion de la invencion, en la figura 3 se muestra un sistema de generacion de vapor solar 110, mediante el cual se calienta agua en el receptor solar para producir vapor destinado a hacer girar un turbogenerador de vapor 112. El receptor solar 110 comprende al menos un panel de tubos (o conjunto de tubos) que reciben agua (u otro fluido) de un conducto de entrada 112. Como se describe en mayor detalle mas adelante, el receptor solar 110 puede incluir una pluralidad de paneles que realizan diferentes funciones para transferir el calor radiante del sol al agua y/o al vapor que circula a traves de los tubos.
Como se muestra en la figura 2, los heliostatos 104 dirigen la radiacion solar del sol sobre el receptor solar 100 y, mas en concreto, sobre el panel de tubos por los que circula agua y/o vapor. El calor radiante aumenta la temperatura del agua que circula para generar vapor a alta temperatura. El vapor se proporciona despues a un sistema de generacion de energfa, por ejemplo un turbogenerador 112, a traves del conducto de salida 114. En concreto, como se muestra en la figura 3, el vapor se proporciona a una turbina de vapor 126, que acciona un generador 128 para producir electricidad 146.
La figura 3 ilustra esquematicamente la parte de generacion de energfa 110 de la presente invencion, mediante la cual el receptor solar 100 se muestra con mayor detalle. Segun se muestra, el receptor solar comprende tres componentes principales: un economizador 116, un evaporador 118 y un recalentador 120. Cada uno de estos componentes comprende al menos un panel 122 formado por al menos un tubo 124 (veanse las figuras 4 a 6) que recibe agua y sirve para aumentar la temperatura del agua que circula a traves de los tubos respectivos. Tfpicamente, cada componente 116, 118, 120 incluye una pluralidad de paneles, incluyendo cada panel una pluralidad de tubos 124 de manera similar a la mostrada en las figuras 4 a 6, que se describira en mayor detalle mas adelante.
El economizador 116 recibe agua reciclada procedente de la turbina de vapor 126. El agua pasa a traves de al menos un panel de tubos, como se muestra en la figura 4. El calor radiante proporcionado por los captadores solares 104 es dirigido sobre el panel de tubos del economizador, lo que precalienta el agua alimentada a traves de los tubos del economizador.
El flujo de agua del economizador es dirigido a un tanque de vapor 130. En el tanque de vapor, el agua entrante es distribuida portoda la longitud del tanque por los colectores de distribucion de agua (no mostrados). Unas boquillas (no mostradas) en los colectores de distribucion dirigen el agua entrante en la direccion hacia abajo con el fin de minimizar las turbulencias y facilitar la circulacion. El agua se mezcla con el agua 132 en el tanque 130 y es dirigida a los tubos de bajada 134. Los tubos de bajada 134 se originan en el tanque de vapor y terminan en la entrada de evaporador 136, dirigiendo el agua al evaporador 118.
Una bomba de circulacion 138 bombea el agua recirculada 132 desde el tanque de vapor 130 dispuesto en la parte superior del panel o paneles de evaporador (es decir, la pared de agua) hasta la entrada inferior del panel o paneles de evaporador. Esta bomba de circulacion 138 proporciona un flujo constante de agua de refrigeracion al panel o paneles de evaporador para todas las condiciones de carga. Esto permite una respuesta rapida a los cambios de carga.
Una mezcla de vapor saturado/agua procedente del evaporador 118 entra en el tanque de vapor 130 en 137 y es dirigida hacia dos filas de separadores (no mostrados). El vapor sale de la parte superior del tanque de vapor a traves de una salida de vapor saturado 140 antes de entrar en la seccion de recalentador 120. El tanque 130 esta equipado con valvulas de seguridad, valvulas de ventilacion, un transmisor de presion, un manometro, sensores de nivel e indicadores de nivel (no mostrados).
Desde el tanque de vapor 130, el vapor es dirigido hacia el recalentador 120 a traves de la entrada de recalentador 142 y luego sobre los paneles de recalentador 122. Desde la salida de recalentador 144, el vapor es dirigido hacia el conducto de vapor 114. La salida de recalentador esta equipada con los siguientes elementos: una valvula de
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seguridad, un agujero de ventilacion de inicio y ERV, valvulas de drenaje, una valvula de parada accionada por motor e instrumented de medicion de presion, de flujo y de temperatura (no mostrados).
El vapor proporcionado por el conducto de vapor 114 a la turbina de vapor se expande y hace girar la turbina 126 y el generador 128, lo que produce electricidad en 146. El vapor que sale de la turbina es alimentado de nuevo a la tubena/conducto de entrada 112 para ser reciclado a traves del receptor solar 100. El sistema de generacion solar puede comprender un condensador 141 dispuesto entre la turbina 126 y el conducto de entrada 112 del receptor solar 100 para enfriar el vapor que sale de la turbina a fin de condensar el vapor en forma lfquida.
Como se apreciara, la realizacion de un sistema de generacion solar 110, que se muestra en las figuras 2 y 3, proporciona un unico ciclo de fluido, por lo que el receptor solar 100 funciona como una caldera para calentar directamente el agua y/o el vapor mediante la energfa solar proporcionada por el campo de receptores solares 104. A diferencia del sistema de generacion solar de la tecnica anterior 10 mostrado en la figura 1, que incluye dos ciclos de fluido, la realizacion mostrada en las figuras 2 y 3 proporciona una configuracion mas eficiente para generar energfa.
Ademas, aunque el sistema de generacion solar 110 que se muestra en las figuras 2 y 3, incluye un economizador 116 para precalentar el agua y un recalentador 120 asociado al receptor solar 100, la presente invencion contempla que un economizador y/o un recalentador pueden no ser necesarios y por tanto pueden ser suprimidos de la configuracion del receptor solar 100. Esta configuracion sin el economizador 116 y/o el recalentador 120 contempla que la energfa radiante proporcionada sobre el panel o paneles del evaporador 118 es suficiente para calentar el agua y/o el vapor que circula para generar la cantidad y la calidad deseada de vapor.
La figura 4 ilustra un panel 122 de tubos 124 mencionado anteriormente en este documento para el evaporador 118. Como se ha descrito, el evaporador 180 incluye al menos uno de tales paneles 122, como se describira. Se ha encontrado que la configuracion y las caractensticas del panel 122 proporcionan una transferencia de calor muy eficiente a partir de la energfa solar reflejada sobre el panel 122 y el agua y/o vapor que circula a traves de los tubos 124, en concreto en combinacion con un caudal masico particular.
Con referencia a las figuras 4 a 6, los paneles dispuestos verticalmente 122 comprenden una pluralidad de tubos dispuestos verticalmente interconectados en comunicacion flrndica por un colector de entrada 150 y un colector de salida 152. Como se muestra mejor en las figuras 5 y 6, los tubos 124 (es decir, tubos) tienen un rayado interno 154, es decir, ranuras en espiral 156 dispuestas en las paredes internas 158 de los tubos 124. La accion de remolino impuesta a la mezcla de agua/vapor que circula hacia arriba o hacia abajo por el conjunto de tubos 124 hace que el agua permanezca en la pared interior 158 del tubo 124, mejorando asf el funcionamiento de la transferencia de calor entre la pared de tubo 124 y la mezcla de agua/vapor. Este funcionamiento mejorado reduce el caudal requerido de agua/vapor para evitar la ebullicion cntica (Departure from Nucleate Boiling o dNb en la terminologfa inglesa), lo que protege las paredes de tubo 124 del calor radiante procedente de la energfa solar reflejada.
El rayado de los tubos 124 permite una transferencia de calor eficiente al agua/vapor, en particular cuando el conjunto de tubos esta orientado verticalmente. La orientacion vertical del conjunto de tubos 124 es superior desde el punto de vista estructural a una disposicion inclinada del conjunto de tubos. Sin embargo, se apreciara que, si bien no es ideal, la presente invencion contempla que los paneles 122 comprendan un conjunto de tubos inclinados 124 provistos de un rayado interno.
Una serie de mediciones experimentales se llevaron a cabo en apoyo de la utilizacion de un conjunto de tubos rayados 124 para la generacion de vapor a fin de establecer los lfmites de funcionamiento de tal conjunto de tubos. En base a estos resultados, los disenos de calderas que utilizan un conjunto de tubos rayados verticalmente orientados, pueden funcionar con seguridad.
Se ha determinado que el uso de un conjunto de tubos rayados orientados verticalmente utilizados en los componentes principales 116, 118, 120 es particularmente beneficioso para condiciones en las que los flujos masicos de agua/vapor son mayores de 271 kg/s/m2 (0,2 x 106 libras/h/pies2) para evitar la ebullicion cntica DNB, la presion del agua/vapor esta comprendida entre 690 y 19.650 kPaa (entre 100 y 2850 psia) y los flujos de calor radiante en el exterior de los tubos sobrepasan los 583.213 W/m2 (185.000 Btu/h/pies2). Mas beneficioso es que el caudal de agua de entrada es tal para asegurar que el contenido de vapor de salida de la mezcla de agua/vapor sea menor de 80 % de vapor. De manera optima, el diametro exterior de los tubos rayados esta comprendido entre 0,02 y 0,032 m (0,75" y 1,25"). Se apreciara que las configuraciones del rayado de los tubos 124 pueden ser variadas e incorporar configuraciones disponibles en el mercado. La bomba de circulacion 138 en la figura 3 hace circular el agua desde el tanque de vapor 130 que tiene capacidad para suministrar el caudal necesario para los flujos masicos anteriores.
Aunque las realizaciones de los sistemas de generacion de energfa solar 110 incluyen un economizador 116, la presente invencion contempla que el campo de heliostatos/espejos proporciona suficiente calor radiante para eliminar asf la necesidad del economizador.
Aunque la invencion se ha descrito con referencia a diversas realizaciones ejemplares, los expertos en la tecnica entenderan que pueden hacerse varios cambios y sustituir varios elementos por elementos equivalentes sin apartarse del ambito de aplicacion de la invencion. Ademas, pueden realizarse muchas modificaciones para adaptar una situacion o material particular a las ensenanzas de la invencion sin apartarse del ambito de aplicacion esencial 5 de la misma. Por tanto, se pretende que la invencion no este limitada a la realizacion particular descrita como el mejor modo contemplado para llevar a cabo esta invencion, sino que la invencion incluira todas las realizaciones que esten dentro del ambito de aplicacion de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

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    10
    15
    20
    25
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    35
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    REIVINDICACIONES
    1. Receptor solar (100) para un sistema de generacion de ene^a solar; comprendiendo dicho receptor solar(100):
    un panel (122) de tubos (124) por los que circula un fluido para dirigir la energfa solar sobre dichos tubos (124) a fin de calentar el fluido, teniendo cada uno de dichos tubos (124) una superficie interna rayada (154).
    en el que los tubos (124) estan orientados sustancialmente en vertical; y
    caracterizado por que esta adaptado para tener un caudal masico de fluido aproximadamente superior a 271 kg/s/m2
  2. 2. Receptor solar (100) segun la reivindicacion 1, en el que la presion del fluido dentro de los tubos (124) esta comprendida aproximadamente entre 690 y 19.650 kPaa.
  3. 3. Receptor solar (100) segun la reivindicacion 1, en el que el panel (122) de tubos (124) es un evaporador (118).
  4. 4. Receptor solar (100) segun la reivindicacion 1, en el que el receptor solar (100) funciona como al menos uno de un economizador (116), un evaporador (118) y un recalentador (120).
  5. 5. Receptor solar (100) segun la reivindicacion 4, en el que los flujos de calor radiante en el exterior de los tubos (124) sobrepasan los 583.213 W/m2.
  6. 6. Receptor solar (100) segun la reivindicacion 1, incluyendo el panel (122) un colector de entrada (150) para recibir el fluido y un colector de salida (152) para evacuar el fluido, en el que los extremos de entrada de los tubos (124) estan en comunicacion flmdica con el colector de entrada (150) y los extremos de salida de los tubos (124) estan en comunicacion flmdica con el colector de salida (152).
  7. 7. Receptor solar (100) segun la reivindicacion 1, en el que el fluido es agua o uno de una combinacion de agua y vapor.
  8. 8. Sistema de generacion de energfa solar que comprende:
    un receptor solar (100) segun la reivindicacion 1, que comprende al menos un panel (122) de tubos (124) dispuesto sobre una torre (102) para recibir energfa solar, y
    al menos un reflector solar (104) para reflejar calor radiante procedente del sol (106) sobre al menos un panel (122) de tubos (124) para calentar el fluido.
  9. 9. Sistema de generacion de energfa solar segun la reivindicacion 8, en el que la presion del fluido dentro de los tubos (124) esta comprendida aproximadamente entre 690 y 19.650 kPaa.
  10. 10. Sistema de generacion de energfa solar segun la reivindicacion 9, en el que los flujos de calor radiante en el exterior de los tubos (124) sobrepasa los 583.213 W/m2.
  11. 11. Sistema de generacion de energfa solar segun la reivindicacion 8, incluyendo el panel (122) un colector de entrada (150) para recibir el fluido y un colector de salida (152) para evacuar el fluido, en el que los extremos de entrada de los tubos (124) estan en comunicacion flmdica con el colector de entrada (150) y los extremos de salida de los tubos (124) estan en comunicacion flmdica con el colector de salida (152).
  12. 12. Sistema de generacion de energfa solar segun la reivindicacion 8, en el que el fluido es agua o uno de una combinacion de agua y vapor.
  13. 13. Sistema de generacion de energfa solar segun la reivindicacion 8, en el que el al menos un panel (122) de los tubos (124) es un evaporador (118).
  14. 14. Sistema de generacion de energfa solar segun la reivindicacion 8, en el que los tubos (124) del al menos un panel (122) estan orientados verticalmente.
  15. 15. Sistema de generacion de energfa solar segun la reivindicacion 13, que incluye ademas un tanque de vapor (130) para recibir fluido procedente de una fuente de entrada (137) y de una salida del evaporador (118) y proporcionar lfquido a una entrada (136) del evaporador (118), e incluye ademas un recalentador (120) para recibir vapor procedente del tanque de vapor (130), incluyendo el recalentador (120) una pluralidad de tubos (124) que tienen una superficie interna rayada (154) para calentar el vapor.
  16. 16. Sistema de generacion de ene^a solar segun la reivindicacion 8, que incluye ademas una turbina de vapor (126) para recibir vapor procedente del receptor solar (100) a fin de hacer girar un generador (128) para producir electricidad.
    imagen1
    imagen2
    Figura 1
    (TECNICA ANTERIOR)
    imagen3
    r Figura 2
    i--------------------------------------------------------------------------1
    imagen4
    p Figura 3
    AGUA
    imagen5
    AGUA Figura 4
    imagen6
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