ES2587031T3 - Dispositivo, sistema y método para alto nivel de eficacia energética para el almacenamiento y uso de energía térmica de origen solar - Google Patents

Dispositivo, sistema y método para alto nivel de eficacia energética para el almacenamiento y uso de energía térmica de origen solar Download PDF

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ES2587031T3 ES12806694.1T ES12806694T ES2587031T3 ES 2587031 T3 ES2587031 T3 ES 2587031T3 ES 12806694 T ES12806694 T ES 12806694T ES 2587031 T3 ES2587031 T3 ES 2587031T3
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Abstract

Un dispositivo (1; 10; 11; 12) para almacenamiento y transferencia de energía térmica asociado con una radiación solar incidente, dispositivo (1) que es apto para usarse en una planta solar para la producción de energía basándose en una configuración de "haz descendente, en el que se irradia desde arriba por radiación solar, dispositivo (1) que comprende: - una funda de contención (2), y - un medio de almacenamiento sólido que consiste en al menos un lecho (3) de partículas fluidificables recibidas dentro de dicha funda (2), lecho de partículas que está adaptado para fluidificarse en uso mediante un gas de fluidificación, caracterizado por que dicha funda (2) tiene al menos una cavidad de recepción (20) que se extiende a través de dicho lecho (3) de partículas y tiene un primer extremo longitudinal (21) abierto que define una boca de entrada para la radiación solar incidente y un segundo extremo longitudinal (22) cerrado, opuesto a dicho primer extremo abierto (21) y que define una parte inferior de la cavidad, definiéndose un faldón lateral (23) de la cavidad entre dichos extremos, siendo tal la disposición general que dicho lecho (3) de partículas está dispuesto circunscrito a dicho faldón lateral (23) de dicha cavidad (20) y es apto para moverse mediante dicho gas de fluidificación para almacenar energía térmica recibida desde la radiación solar a través de dicho faldón lateral (23), en el que dicho segundo extremo longitudinal (22) de dicha cavidad (20) está dispuesto en una base de dicho lecho (3) de partículas.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo, sistema y metodo para alto nivel de eficacia energetica para el almacenamiento y uso de ene^a termica de origen solar
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a una planta para la produccion de energfa basada en el uso y almacenamiento de energfa solar, a un metodo relacionado y a un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar adecuado para el uso en tal planta.
Antecedentes de la invencion
El uso de energfa solar concentrada mediante heliostatos se conoce en la tecnica. Tambien se conoce la posibilidad de almacenar calor no inmediatamente usado, mediante dispositivos basados en lechos de partfculas fluidificadas expuestos a radiacion solar concentrada mediante heliostatos.
Normalmente, los dispositivos para almacenamiento de energfa termica de origen solar y/o los dispositivos para el correspondiente intercambio de calor se ubican en una posicion elevada con respecto al plano de instalacion del campo de heliostatos, para recibir desde abajo la radiacion solar concentrada. Por tanto, la configuracion tfpica proporciona un dispositivo de almacenamiento o intercambio colocado en una estructura de torre, en la que los llamados componentes de “servicio” pueden encontrar acomodo, mientras que el campo de heliostatos, basado en espejos, se instala en el suelo.
Las plantas para la produccion de calor/energfa electrica de origen solar basadas en tales dispositivos pueden concebir una o mas unidades de almacenamiento y/o intercambio, dependiendo de la potencia calonfica que se obtenga. Con el incremento en la potencia de la planta, el peso del dispositivo que contiene el medio de almacenamiento se incrementa, el numero de espejos dedicados a cada dispositivo se incrementa, y por consiguiente, la altura a la que el propio dispositivo debe colocarse para mantener razonable la extension del campo de espejos se incrementa, asegurando simultaneamente que la radiacion solar se concentre adecuadamente sobre el mismo. Las plantas industriales tfpicas conciben valores muy altos de las alturas de los dispositivos de almacenamiento y/o intercambio, alturas que alcanzan incluso mas de 100 m.
Una criticidad adicional presente en las configuraciones de planta conocidas esta vinculada con la presencia de aparatos que, funcionando a alta temperatura, se fabrican de materiales valiosos y costosos y simultaneamente provocan reducciones en la eficacia general de la planta debido a mayores dispersiones de calor asociadas.
La configuraciones de planta conocidas antes descritas implican inconvenientes significativos, vinculados tambien a la dificultad y coste de operaciones de mantenimiento a una altitud, necesitando, entre otras cosas, importantes medios de elevacion.
Ademas, en el caso de dispositivos con un lecho de partfculas fluidificables, la rotura accidental del propio dispositivo puede provocar que el material a alta temperatura se filtre y caiga por gravedad, con peligro para las personas y objetos.
Como consecuencia de lo que se ha mencionado, los dispositivos conocidos para almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar pueden tener costes de produccion de energfa electrica todavfa altos, y de cualquier manera lejos de la llamada “red de paridad".
El documento WO 2011/027309, considerado como la tecnica anterior mas cercana, divulga un sistema para almacenamiento de energfa termica mediante radiacion solar directa. El sistema se basa en un lecho de partfculas solidas en movimiento continuo y casual recibidas dentro de un envase. En unas realizaciones, la curacion de las partfculas mediante radiacion solar se obtiene de manera indirecta, a traves de la intermediacion de un dispositivo, por ejemplo una tubena de calor.
El documento US 4.455.153 divulga un proceso para producir un combustible sintetico gasificado. La pieza de almacenamiento de calor del proceso se realiza mediante un medio de gasificacion fundido, en particular sales fundidas calentadas mediante radiacion solar.
El documento JP 1 151 757 divulga un motor Stirling que tiene un intercambiador de calor. Este ultimo se asocia con una funda que recibe un lecho fluidificado que se calienta mediante radiacion solar.
Sumario de la invencion
El problema tecnico subyacente en la presente invencion es por tanto superar los inconvenientes antes mencionados en referencia a la tecnica anterior.
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El problema antes mencionado se soluciona mediante un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 1 y un metodo de acuerdo con la reivindicacion 33.
Las caractensticas preferentes de la invencion son objeto de las reivindicaciones dependientes.
La invencion proporciona un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar basandose en un medio de almacenamiento solido que consiste en un lecho de partfculas fluidificables.
Dicho dispositivo permite altas eficacias de produccion, bajos costes de inversion y mantenimiento y una alta seguridad de funcionamiento. Esto se logra gracias a la simplicidad constructiva del propio dispositivo y a la posibilidad de colocarlo en el suelo, proporcionando una irradiacion solar desde arriba.
El dispositivo de la invencion esta ideado para una colocacion en el suelo, y la irradiacion desde arriba puede llevarse a cabo mediante sistemas opticos de reflejo, por ejemplo de acuerdo con una llamada configuracion “de haz descendente” explicada a continuacion, o mediante una mera colocacion de un espejo o medio equivalente a una altitud, por ejemplo en inclinaciones naturales o en estructuras elevadas dedicadas.
De acuerdo con una configuracion de planta preferente, las eficacias de produccion alta antes mencionadas y bajos costes se obtienen tambien mediante una especializacion de construccion del dispositivo para almacenamiento y transferencia en dos o mas llamadas “categonas termicas”, asociada cada una con temperaturas espedficas y condiciones de desarrollo.
Los dispositivos con una categona termica diferente pueden conectarse eficazmente en serie entre ellos en la misma planta. En dicho contexto, el dispositivo de la invencion es adecuado para insertarse como modulo de base en plantas para produccion de energfa electrica y/o termica, preferentemente dando servicio a consumos de calor tal como, por ejemplo, ventajosamente sistemas de retirada de sal.
La especializacion de construccion de los dispositivos en categonas termicas permite ventajas notables en terminos de incremento de eficacia y reduccion de costes, sobre todo cuando estos dispositivos se insertan en plantas de produccion de energfa electrica de gran potencia.
Las ventajas relacionadas con la especializacion de los dispositivos de la invencion y los modos de conexion entre ellos cuando se insertan en plantas de alta potencia se describen a continuacion.
El dispositivo de la invencion comprende el lecho fluidificable antes mencionado de partfculas confinado dentro de una funda que lo afsla del entorno exterior. La funda es preferentemente metalica y esta aislada termicamente en sus propias superficies externas. Dicha funda define una o mas cavidades que se extienden a traves del lecho de partfculas y recibe radiacion solar concentrada que llega desde arriba. Las paredes de las cavidades se fabrican preferentemente y/o se revisten de metal y/o de material ceramico y no estan termicamente aisladas. Preferentemente, las cavidades tienen una geometna cilmdrica o sustancialmente cilmdrica.
La disposicion y configuracion antes mencionadas de cada cavidad de recepcion permiten maximizar la absorcion de radiacion solar y por tanto la eficacia general de la planta que usa el dispositivo de la invencion.
El lecho fluidificable antes mencionado de partmulas puede llevar a cabo la funcion dual de almacenar calor transferido desde las paredes de la cavidad de recepcion y transferir tal calor a elementos de intercambio de calor adicionales, estos ultimos en haces de tubenas particulares sumergidas en el lecho de partmulas o de cualquier modo tocadas por dicho lecho.
Dichas etapas de almacenamiento y transferencia tambien pueden activarse selectivamente y una independientemente de la otra. Esto se obtiene ventajosamente mediante una fluidificacion controlada de porciones seleccionadas del lecho de partmulas.
En particular, en una realizacion preferente, el dispositivo proporciona dos zonas o porciones de lecho independientemente fluidificables, espedficamente una primera porcion de lecho en contacto con la cavidad de recepcion y asignada al almacenamiento de energfa termica, y una segunda porcion de lecho, adyacente a la primera, en la que esta sumergido un manojo de tubenas de intercambio de calor (o un medio equivalente) que se cruza con un fluido de trabajo, preferentemente agua.
El intercambio de calor entre la cavidad de recepcion y el lecho de almacenamiento ocurre mediante la fluidificacion de dicha primera porcion de lecho, mientras que la segunda porcion de lecho asignada a la transferencia de calor puede fluidificarse solo en una condicion operativa de produccion de energfa de la planta o el aparato en el que se inserta el dispositivo. Preferentemente, la seccion de primera porcion mas cerca de la pared de la cavidad se fluidifica con una mayor velocidad de fluidificacion con respecto a la primera porcion restante, tal como se describe mejor a continuacion.
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En una configuracion preferente, el sistema optico que permite dirigir la radiacion solar a una cavidad esta compuesto de un campo de heliostatos que concentra la radiacion en un segundo reflector, que a su vez concentra tal radiacion en las cavidades de recepcion del dispositivo de lecho fluidificado. Preferentemente, el reflector secundario esta dispuesto en una torre, o de cualquier manera en una estructura elevada, mientras que el dispositivo para almacenamiento y transferencia esta dispuesto (como se ha mencionado) en el suelo, preferentemente en una posicion centrada con respecto al reflector secundario.
En otra configuracion igualmente preferente, los heliostatos pueden estar dispuestos en una inclinacion natural o artificial y concentrar la radiacion solar en una o mas cavidades adecuadamente dispuestas en el lecho de partmulas.
Por tanto, la radiacion solar concentrada es incidente desde arriba en la o cada cavidad interna en el lecho fluidificado, y se concentra preferentemente en una region central de dicha cavidad.
Tal como se ha dicho antes, la o cada cavidad de recepcion se cruza con el lecho fluidificable. El extremo inferior de la cavidad puede coincidir con la base de dicho lecho, mientras que el extremo superior puede definir una porcion superior de la funda que recibe el lecho de partmulas. Las paredes de la cavidad por tanto confinan el lecho con respecto al entorno exterior, evitando contactos directos entre el lecho y el entorno.
Tal como se ha dicho antes, preferentemente la cavidad tiene una geometna cilmdrica. Incluso mas preferentemente, tiene una relacion de diametro/altura comprendida en el intervalo de 0,2-0,5. Tal relacion asegura, tal como se ilustrara en mayor detalle a continuacion, una alta absorcion de radiacion solar y por tanto una baja perdida de reflejo. En particular, el intervalo propuesto de proporciones provoca que la radiacion incidente en la pared lateral de la cavidad se absorba despues de varios reflejos parciales a lo largo de la extension longitudinal de la cavidad a traves del lecho de partmulas, reduciendo a un mmimo las perdidas al exterior.
En una configuracion preferente adicional, correspondiente a las plantas de produccion de gran potencia termica, el dispositivo de lecho fluidificado de la invencion puede tener ademas haces de tubenas, o medios de intercambio de calor equivalentes, directamente expuestos a la radiacion incidente. Preferentemente, dichos medios de intercambio de calor adicionales estan dispuestos en la parte superior de la funda que recibe el lecho de partmulas. En particular, dicho medio de intercambio de calor adicional expuesto a la radiacion solar puede colocarse (tambien) alrededor de la entrada de la cavidad.
En una configuracion preferente que proporciona el reflector secundario antes mencionado, en el medio de intercambio de calor es incidente la radiacion solar que llega desde heliostatos mas alejados del dispositivo de lecho fluidificado, normalmente asociados con los flujos de calor reducidos, compatible con las caractensticas de resistencia termica del manojo de tubenas. En la cavidad de recepcion del dispositivo se transporta en cambio la radiacion solar de gran flujo de calor que llega desde heliostatos mas cerca del reflector secundario. Tal extension diferente del flujo de calor asociado con la ubicacion espacial de los heliostatos se debe a la distribucion gaussiana de la radiacion solar, provocando que el centro de la cavidad reciba flujos de calor mucho mayores, que son resultado de la superposicion de las llamadas “huellas” de todos los heliostatos.
Tal como se ilustra mejor a continuacion, el manojo de tubenas antes mencionado u otro medio de intercambio de calor expuesto a la radiacion solar puede formar un unico circuito operativo con los otros elementos de intercambio de calor en contacto con el lecho de partmulas, o definir un circuito independiente, o apto para hacerse selectivamente independiente de dicho lecho. La configuracion antes considerada, basada en elementos de intercambio de calor expuestos directamente a la radiacion solar y en elementos de intercambio de calor en contacto con el lecho de partmulas, se optimiza en terminos de eficacia de la planta ya que permite explotar todo el flujo de calor disponible, simultaneamente manteniendo el diametro de la cavidad cilmdrica reducido para minimizar las perdidas de calor mediante la reirradiacion al entorno exterior. Las temperaturas de trabajo de los elementos de intercambio de calor expuestos a radiacion directa pueden de hecho ser tales que provocan perdidas insignificantes debido a la irradiacion.
En caso de que el fluido de trabajo que se cruza con los elementos de intercambio de calor sea agua, una configuracion de proceso preferente concibe que durante el dfa los elementos de intercambio expuestos reciban la radiacion solar y la transfieran directamente al fluido de trabajo, haciendo que la energfa termica relacionada este inmediatamente disponible para la produccion de energfa electrica a traves de una turbina y/o para producir agua desalada. Simultaneamente, las cavidades reciben la radiacion concentrada y la energfa termica relacionada se almacena en el lecho de partmulas. Durante la noche, o debido a una ausencia prolongada de sol, la energfa termica almacenada en el lecho de partmulas puede transferirse al fluido de trabajo que se cruza con los elementos de intercambio de calor internos en la funda y dicha energfa termica puede usarse para continuar con la produccion de energfa electrica y/o la produccion de agua desalada. Opcionalmente, durante las horas de sol, parte de la energfa almacenada en el lecho de partmulas puede transferirse al fluido de trabajo de los elementos de intercambio de calor internos en la funda y cooperar en la produccion de energfa electrica y/o agua desalada.
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La configuracion de tipo poligenerativo descrita en el presente documento, es dedr, una configuracion que proporciona la posible produccion de energfa electrica (mediante asociacion del dispositivo con una turbina) y, por ejemplo, de agua fresca (mediante la asociacion del dispositivo con un sistema de retirada de sal), permite maximizar la eficacia, en el sentido de explotacion de radiacion solar disponible.
Dicha configuracion poligenerativa puede realizarse incluso en la ausencia de elementos de intercambio de calor directamente expuestos a radiacion solar.
La eleccion de configuracion operativa optima entre la poligenerativa y la monogenerativa depende del tamano de la planta basandose en el dispositivo de la invencion y en las necesidades de la zona de instalacion. Debido a razones de eficacia de la planta, para plantas de pequeno tamano es preferente la produccion exclusiva de agua desalada, tal como se ha dicho, tambien en la ausencia de elementos de intercambio expuestos, mientras que la poligeneracion es ventajosa para plantas de potencia media y alta.
De nuevo, para plantas de generacion basadas en el dispositivo de la invencion que operan a bajas temperaturas de fluido de trabajo, o de cualquier manera en un caso de plantas de pequeno tamano, es ventajosa la asociacion de las mismas con ciclos ORC (Ciclo Organico de Rankine).
En los ciclos de Rankine con fluido organico, estos ultimos constituyen en dichos casos el fluido de trabajo del dispositivo de la invencion. La asociacion con ciclos organicos es particularmente ventajosa para plantas de pequena potencia, donde los ciclos de vapor tradicionales senan mas costosos.
El dispositivo de la invencion puede por tanto usarse tanto como modulo de una planta de cualquier tamano como para las llamadas aplicaciones “autonomas” para las operaciones antes mencionadas de retirada de sal o para dar servicio a pequenos consumos de calor, a los que puede conferir una gran eficacia.
En el caso de altas potencias producidas, el dispositivo de la invencion es particularmente adecuado para insertarse en plantas tnbridas en las que la generacion de energfa electrica se coloca junto con la produccion de vapor para consumos de calor tales como, por ejemplo, sistemas de retirada de sal, sistemas de aire acondicionado, etc.
En una configuracion preferente, tambien se proporciona el uso de combustible dentro del lecho fluidificado, para compensar ausencias prolongadas de insolacion y/o asegurar que se logra un nivel termico determinado. Esto permite mejorar drasticamente la flexibilidad y la eficacia general del sistema.
En otra configuracion igualmente preferente se proporciona un componente de cierre de cavidad, que puede activarse en la presencia de mal tiempo y/o en la ausencia temporal o prolongada de insolacion, para evitar la dispersion de calor desde el dispositivo al entorno exterior.
Tal como se ha dicho antes, en una configuracion preferente de planta de produccion de energfa electrica, el dispositivo para almacenamiento y transferencia puede especializarse en dos tipologfas. En particular, se proporciona una primera tipologfa, que se denominara Unidad de Generacion Solar de baja temperatura, UGS-L, destinada a la produccion de vapor saturado seco desde agua de alimentacion como fluido de trabajo. Ademas, se contempla una segunda tipologfa, que se denominara Unidad de Generacion Solar de alta temperatura, UGS-H, destinada al supercalentamiento, y opcionalmente, al resupercalentamiento del vapor producido mediante la UGS-L.
En general, en relacion con la funcion llevada a cabo, el dispositivo UGS-L funciona a temperaturas sensiblemente inferiores que el UGS-H.
Ademas, como se ha mencionado antes, las unidades con una especializacion diferente se conectan en serie.
Las UGS antes introducidas retienen las caractensticas aqrn mencionadas del dispositivo de la invencion e implican ventajas relacionadas con la disminucion sensible de perdidas de calor mediante conveccion e irradiacion al entorno exterior a traves de las cavidades de recepcion de la UGS-L, con un incremento de la eficacia general del dispositivo y de la planta.
Ademas, la reduccion de costes para los materiales de construccion de la UGS-L y para los artilugios de fabricacion asociados con ello representa una ventaja general adicional de la planta que los comprende. De hecho, en un ciclo termodinamico, el intercambio de energfa relacionado con la produccion de vapor saturado, y por tanto la parte de intercambio de modulos que consiste en las UGS-L es de aproximadamente el 60 %; por tanto, las ventajas citadas se aplican al 60 % de la planta de generacion, con reducciones de costes e incrementos de eficacia vinculados de la propia planta.
Otras ventajas, caractensticas y las etapas de funcionamiento de la presente invencion seran aparentes en la siguiente descripcion detallada de algunas realizaciones de la misma, aportada a modo de ejemplo y no con fines limitativos.
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Breve descripcion de las figuras
Ahora se hara referencia a las figuras de los dibujos adjuntos, en los que:
- la Figura 1 muestra una representacion esquematica de una primera realizacion de una planta en la
configuracion de “haz descendente” que comprende un dispositivo para almacenamiento y transferencia de ene^a termica de origen solar de acuerdo con una realizacion preferente de la invencion;
- la Figura 1A muestra una vista ampliada de parte de la planta de la Figura 1;
- la Figura 1B muestra una planta analoga a la de la Figura 1, con una disposicion diferente de heliostatos
mediante irradiacion del dispositivo desde arriba;
- las Figuras 2A y 2B se refieren a resultados de simulaciones numericas que ilustran, respectivamente, la huella
solar generada en un plano en la entrada de una cavidad cilmdrica del dispositivo de las Figuras 1 y 1 B y la
distribucion de flujo solar dependiente de la distancia desde el centro de dicha cavidad;
- la Figura 3 muestra una representacion esquematica de una segunda realizacion de una planta que comprende
el dispositivo para almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar, de acuerdo con otra
realizacion preferente de la invencion;
- la Figura 3A muestra una vista ampliada de parte de la planta de la Figura 3;
- la Figura 4 muestra una representacion esquematica de una variante de realizacion de la planta de la
- la Figura 5 muestra una representacion esquematica de otra variante de realizacion de la planta de la
- la Figura 5A muestra una vista ampliada de parte de la planta de la Figura 5;
- la Figura 6 muestra una representacion esquematica de una variante de realizacion del dispositivo para
almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar de acuerdo con la invencion;
- la Figura 7 muestra un diagrama de conexion general entre dispositivos UGS especializados, aplicables en una de las plantas de las figuras anteriores; y
- la Figura 8 muestra un diagrama de una planta de produccion de energfa electrica basandose en dispositivos UGS especializados de la Figura 6.
Descripcion detallada de realizaciones preferentes de la invencion
Inicialmente en referencia a las Figuras 1 y 1A, una planta solar para la produccion de energfa, basada en una configuracion de “haz descendente”, se indica generalmente mediante 100. La planta 100 de la presente realizacion es adecuada para la produccion de vapor y vapor para usos industriales.
La planta 100 comprende un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energfa termica asociado con una radiacion solar incidente de acuerdo con una realizacion preferente de la invencion, dispositivo que se indica generalmente con 1. La planta 100 puede comprender mas de un dispositivo del tipo antes mencionado.
La planta 100 tambien comprende un medio de captacion de radiacion solar que define, junto con el dispositivo 1, la configuracion de irradiacion de “haz descendente” antes mencionada. En particular, la planta 100 comprende medios de captacion primarios, en el presente ejemplo un campo 200 de heliostatos, directamente afectados por la radiacion solar y aptos para transportar esta ultima en medios de captacion secundarios 300, preferentemente un reflector o espejo, apto para recibir la radiacion solar desde los medios primarios 200 y a su vez transportarla a una cavidad de recepcion 20 del dispositivo 1.
En la presente disposicion, el reflector secundario 300 se ubica en una torre u otra estructura elevada, mientras que el campo 200 de heliostatos y el dispositivo 1 estan dispuestos en el suelo. Preferentemente, el dispositivo 1 esta en una posicion centrada con respecto al reflector secundario 300.
El dispositivo 1 comprende una funda de contencion 2, que tiene una cavidad de recepcion 20 para recibir la radiacion solar concentrada mediante el medio de captacion y que acomoda en su interior un lecho 3 de partfculas fluidificables.
Las variantes de realizaciones pueden proporcionar mas de una cavidad de recepcion obtenida en la funda 2.
Figura 3; Figura 3;
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La funda de contencion 2 esta aislada termicamente para reducir a un mmimo la dispersion de calor en el entorno exterior, y se fabrica preferentemente de metal.
De acuerdo con la invencion, la cavidad de recepcion 20 se extiende a traves de un lecho 3 de partfculas preferentemente por toda la altura de la funda de contencion 2.
En el presente ejemplo, la cavidad de recepcion 20 tiene una geometna sustancialmente alargada y en particular sustancialmente cilmdrica, que se extiende a lo largo de un eje longitudinal que esta dispuesto, durante el uso, preferentemente en vertical.
La cavidad 20 esta definida por un primer extremo longitudinal abierto, o entrada 21, mediante un segundo extremo longitudinal 22, preferentemente cerrado mediante una parte inferior y mediante un faldon lateral 23 dispuesto entre la entrada 21 y la parte inferior 22 y apto para recibir la radiacion solar concentrada y para transferir energfa termica asociada con ella al lecho 3 de partfculas.
En el presente ejemplo, la entrada 21 de la cavidad 20 esta definida por superficies sustancialmente planas y sustancialmente en angulo recto.
Preferentemente, la cavidad 20 tiene un diametro d y una altura h en una relacion comprendida en un intervalo de aproximadamente 0,2-0,5. Dicha relacion es adecuada para maximizar la absorcion de la radiacion solar concentrada. En particular, cuanto mas pequeno sea el valor de dicha relacion, mejor sera la eficacia de absorcion de la radiacion solar incidente en las paredes de la parte superior del faldon 23. Dicha radiacion incidente se absorbe a traves de dicho faldon 23 despues de multiples reflejos parciales hacia la parte inferior 22 de la cavidad 20.
Preferentemente, el faldon lateral 23 de la cavidad 20 esta compuesto de material de absorcion de radiacion solar, mientras que la parte inferior 22 es de material que refleja la radiacion solar, por lo que la parte inferior 22 refleja precisamente de nuevo hacia el faldon lateral 23 cualquier radiacion que incida sobre ella, y esto con el fin de conseguir una gran absorcion de la radiacion incidente.
El faldon lateral 23 puede proporcionar una superficie exterior fabricada de, o revestida con, un material metalico y/o ceramico. La superficie interior del faldon 23 en contacto con el lecho 3 de partfculas puede proporcionar un revestimiento antidesgaste.
Tal como se ha dicho antes, la cavidad de recepcion 20 se extiende a traves del lecho 3 de partfculas y se separa de este ultimo mediante su propio faldon lateral 23. El lecho 3 de partfculas esta dispuesto por tanto circunscrito a, y en contacto con la superficie interior de dicho faldon lateral 23.
Preferentemente, la parte inferior 22 de la cavidad 20 esta dispuesta sustancialmente en o en las proximidades de la parte inferior de la funda 2 que define la base del lecho de partfculas 3.
Preferentemente, la configuracion general es tal que la radiacion solar se transporta dentro de la cavidad 20 en una porcion central de la propia cavidad y a la altura de la superficie expuesta del lecho 3 de partfculas. En otras palabras, una configuracion preferente para apuntar el sistema optico es colocar el foco f secundario, es decir, el punto de convergencia de los rayos reflejados mediante el reflector secundario 300, en el centro de la entrada superior 21 de la cavidad 20, a una altura igual a la del lecho de partfculas.
El lecho 3 de partfculas es apto para moverse selectivamente mediante un gas de fluidificacion, preferentemente aire, para almacenar energfa termica recibida desde la radiacion solar a traves del faldon lateral 23 de la cavidad 20. La fluidificacion del lecho 3 de partfculas asegura precisamente un intercambio de calor eficaz y uniforme con el faldon lateral 23 de la cavidad 20.
La eleccion de material de partfculas para el lecho 3 de partfculas se basa en particular en la mala capacidad de abrasion y fragmentacion, en respuesta a la necesidad de minimizar el fenomeno de la elutriacion de las partfculas del lecho para limitar la produccion y transporte de menudos en el aire de fluidificacion. Basandose en estas consideraciones, una configuracion preferente favorece el uso, para partfculas de lecho, de material granular inerte a la oxidacion, como por ejemplo, carburo de silicio o cuarzo, con una forma regular, preferentemente esferica y/o preferentemente con el tamano del orden de 50 a 500 micrometros, y de manera que dicho tamano pueda ser preferentemente nativo, que no sea resultado de la agregacion de partfculas mas pequenas.
Basandose en la presente realizacion, el lecho 3 de partfculas se forma eficazmente mediante una primera porcion de almacenamiento 31 y una segunda porcion de transferencia 32, esta ultima preferentemente circunscrita a y en contacto con la porcion de almacenamiento 31.
En particular, la porcion de almacenamiento 31 es apta para almacenar energfa termica recibida desde la radiacion solar a traves del faldon lateral 23 de la cavidad 20, y por tanto esta dispuesta en esta ultima. La porcion de transferencia 32 esta dispuesta adyacente a la porcion de almacenamiento 31, perifericamente con respecto a la
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cavidad 20, y es apta para transferir energfa termica almacenada en la porcion de lecho 31 a los elementos de intercambio de calor 41 recibidos dentro de la funda 2 y que se describiran a continuacion.
Preferentemente, durante el uso, la porcion de almacenamiento 31 y la porcion de transferencia 32 son fluidificables de manera selectiva e independiente para conseguir una etapa de almacenamiento de energfa termica y una etapa de transferencia de dicha energfa almacenada, respectivamente. En particular, la transferencia de calor a los elementos de intercambio de calor 41 puede detenerse mediante el cese de la fluidificacion de la porcion de intercambio 32.
De acuerdo con los modos operativos tfpicos de la planta 100, la etapa de almacenamiento mediante la porcion de lecho 31 se activa durante el dfa y en la presencia de irradiacion solar, y la etapa de transferencia, mediante la activacion tambien de la porcion de lecho 32, tanto durante el dfa como durante la noche.
El gas de fluidificacion se suministra dentro de la funda 2 a las porciones de lecho 31 y 32 mediante respectivas entradas de alimentacion 51 y 52 de tipo de caja de aire, conocidas per se y representadas esquematicamente en las figuras.
En tales entradas 51 y 52 se proporciona preferentemente un septo de distribucion u otro distribuidor de gas de fluidificacion, apto para permitir una entrada uniforme de este ultimo y asegurar simultaneamente un soporte para el lecho 3 de partfculas, contribuyendo a conseguir la parte inferior de la funda 2.
Las porciones de almacenamiento 31 y de intercambio 32 pueden ser continuas o separarse mediante septos no representados en las figuras. En una variante de realizacion preferente, las dos porciones de lecho 31 y 32 pueden constituir porciones adyacentes de un mismo lecho, fluidificable selectivamente mediante separacion de las cajas de aire.
Preferentemente, se proporcionan medios aptos para variar selectivamente la velocidad y/o el caudal del gas de fluidificacion para ajustar la extension del intercambio y transferencia de calor. En particular, al cambiar la velocidad de cruce del gas de fluidificacion es posible controlar y modificar el coeficiente de intercambio termico general entre el lecho fluidificado y la superficie de intercambio, con una posterior flexibilidad en el ajuste de la cantidad de potencia termica transferida.
En la presente realizacion, tambien se proporciona un intercambiador de calor de gas/gas 71 en particular aire/ aire, en comunicacion con el circuito de gas de fluidificacion. En particular, durante el uso, en dicho intercambiador 71 se suministra un primer gas fno, que es el gas de fluidificacion a usar para la fluidificacion del lecho 3 de partfculas, y un segundo gas caliente, que es el gas de fluidificacion que sale del lecho 3 de partfculas. Por tanto, el intercambiador 71 permite un precalentamiento del aire de fluidificacion, recuperando parte del calor del aire de fluidificacion que se expulsa.
El circuito del gas de fluidificacion comprende normalmente tambien un ventilador o compresor 72, o un medio equivalente para recoger el aire ambiental.
Dicho circuito se equilibra normalmente mediante un aspirador, no ilustrado y colocado corriente abajo del intercambiador 71, en la lmea del aire de fluidificacion caliente que llega desde el dispositivo 1.
Tal como se ha dicho antes, dentro de la funda 2 se proporcionan elementos de intercambio de calor 41, en particular haces de tubenas, cruzadas, durante el uso, mediante un fluido de trabajo, en el presente ejemplo agua/ vapor.
Los haces de tubenas 41 se sumergen en la segunda porcion 32 del lecho, o de cualquier manera estan dispuestos para tocarse con ella cuando se fluidifican, es decir, durante dicha etapa de transferencia de energfa termica.
Los haces de tubenas 41 son parte de un circuito de intercambio de calor adecuado para producir vapor para expandirse en una turbina 81 de la planta 100. En particular, como se ha dicho, el fluido de trabajo es preferentemente agua en un estado lfquido que recibe, durante el cruce de los haces de tubenas 41, energfa termica para convertirse en vapor supercalentado. Dicho valor supercalentado, en condiciones predeterminadas de temperatura y presion, se utiliza para producir energfa electrica expandiendose en la turbina de vapor 81 asociada con un generador de energfa electrica 82.
El circuito de fluido de trabajo incluye tambien, de acuerdo con una configuracion conocida per se, un condensador 84, un desgaseador 85 con un flujo en la turbina 81 y una bomba de suministro 86, o un medio equivalente a los anteriormente mencionados.
En el presente ejemplo se proporciona que parte o todo el vapor supercalentado que sale de los elementos de intercambio 41 puede enviarse a uno o mas consumos de calor 90 conectados a la planta 100, por ejemplo sistemas de retirada de sal, sistemas industriales, sistemas de acondicionamiento, etc. En el caso de tal poligeneracion, la
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alimentacion de vapor puede obtenerse mediante medios de ajuste de flujo 83 dispuestos corriente arriba de la turbina 81.
El circuito de fluido de trabajo proporciona tambien la recuperacion de fluido enviado a los consumos de calor 90, que ha escapado precisamente de su contribucion de calor, mediante una conexion 900 con el circuito de base, preferentemente corriente abajo del condensador 84.
En una configuracion diferente, la asociacion del dispositivo 1 con los consumos de calor 90 puede proporcionarse como una alternativa a una produccion de energfa electrica, es decir, sin la produccion de potencia electrica en la planta.
Se entendera que tanto el circuito de gas de fluidificacion como el circuito de fluido de trabajo pueden proporcionar medios de ajuste de flujo y/o interdiccion, de un tipo conocido per se, para cumplir necesidades operativas espedficas.
La planta 100 y el dispositivo 1 tambien puede proporcionar medios para suministrar un combustible a quemar dentro del lecho 3 de partmulas o dentro de una parte del mismo, y esto es para compensar las ausencias prolongadas de insolacion y/o para asegurar que se logra un nivel de potencia determinado dependiendo de las necesidades corriente abajo de la planta de produccion.
En este caso, el dispositivo 1 es tal que se proporcionan entradas independientes de combustible, preferentemente gaseoso, en el lecho de partmulas, una o mas antorchas insertadas en el entorno del dispositivo 1 para la activacion de la combustion y para asegurar el sistema contra cualquier acumulacion peligrosa de combustible dentro del dispositivo, y uno o mas discos de ruptura en la funda 2. Estos recursos, al igual que otros que pueden ser aplicables, van destinados a evitar el riesgo de explosion. En cuanto a la ignicion del combustible per se, esta es una tecnica conocida y no se describira en mas detalle a continuacion. Una ventaja importante se deriva de la posibilidad de quemar dicho combustible directamente dentro del lecho fluidificable. Normalmente, de hecho, para dispositivos de la tecnica anterior, esta operacion se lleva a cabo en unidades de produccion separadas de la planta de fabricacion principal.
Las Figuras 2A y 2B muestran, a modo de ejemplo, los resultados de una simulacion numerica para una distribucion tfpica de radiacion solar concentrada desde arriba.
En particular, la Figura 2A resalta los flujos de calor en un sistema de ejes cartesianos cuyo centro coincide con el centro de la seccion transversal superior de la cavidad cilmdrica 20. La huella generada a partir de la radiacion solar resalta que el flujo maximo se encuentra en el centro de dicha seccion, ya que es el resultado de todas las huellas que se derivan de los heliostatos. Moviendose lejos del centro el valor de flujo disminuye rapidamente, tal como se desprende tambien a partir de la Figura 2B.
El resultado de estas simulaciones numericas es util para el dimensionamiento del diametro de la cavidad cilmdrica para un campo de referencia determinado de heliostatos y para la prediccion de la cantidad de energfa que puede absorberse mediante la propia cavidad.
Las Figuras 1 B y 3 a 5A se refieren a realizaciones y variantes adicionales del dispositivo y de la planta de la invencion. Estas realizaciones adicionales y variantes se describiran a continuacion solo en referencia a las diferencias con respecto a lo que ya se ha divulgado en relacion con las Figuras 1 y 1A.
En la variante de la Figura 1 B, se proporciona una planta del mismo tipo que en la Figura 1, indicada en este caso globalmente mediante 110, realizando una configuracion de irradiacion desde arriba alternativa a la llamada "de haz descendente". La planta 110 proporciona un sistema optico basado en un medio de captacion primario 210 elevado, directamente afectado por la radiacion solar y dispuesto precisamente en una posicion elevada con respecto al dispositivo 1. En particular, el medio de captacion primario 210 elevado esta dispuesto en inclinaciones naturales y/o en estructuras de soporte adecuadas.
Las realizaciones y variantes de las Figuras 3 a 5A son particularmente adecuadas para el caso de altas potencias tecnicas requeridas y son comparables con ambas configuraciones de irradiacion de las Figuras 1 y 1B.
En particular, las realizaciones y variantes de las Figuras 3 a 5A comparten la provision de elementos de intercambio de calor adicionales con respecto a la primera realizacion, elementos adicionales que estan expuestos directamente a la radiacion solar incidente. De esta manera, se recupera el flujo de calor solar externo a la cavidad de recepcion, evitando perdidas de eficacia que pueden ocurrir en soluciones que proporcionan un incremento en la dimension trasversal de la cavidad de recepcion justo para lograr potencias altas captando toda la radiacion.
Las Figuras 3 y 3A muestran una segunda realizacion de una planta, indicada en este caso mediante 101, similar a la de la primera realizacion.
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En ese caso, la planta 101 comprende un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar, indicado generalmente mediante 10.
El dispositivo 10 proporciona elementos adicionales de intercambio de calor, en particular en este caso tambien haces de tubenas 42, cruzadas, durante el uso, mediante un fluido de trabajo y dispuestas externamente a la funda 2 para verse afectadas directamente mediante la radiacion solar incidente. En particular, tales haces de tubenas 42 adicionales se ubican en la parte superior 25 de la funda 2, en la entrada 21 de la cavidad 20 y/o para cubrir parcialmente dicha entrada.
Los haces de tubenas 42 son parte de un circuito de intercambio de calor adicional dispuesto completamente fuera de la funda 2, y que pueden anadirse al circuito referente a los haces de tubenas 41 en la primera realizacion.
En los haces de tubenas 42 expuestos es incidente la radiacion solar que llega desde los espejos 201 del campo 200 de heliostatos mas lejos desde el reflector secundario 300, asociado con flujos de calor reducidos. La cavidad cilmdrica 20 recibe en su lugar la radiacion solar de flujo de mucho calor de los espejos 202 del campo 200 de heliostatos mas cerca del reflector secundario 300.
En el presente ejemplo, dichos dos circuitos estan en comunicacion. En particular, se proporciona que el fluido de trabajo cruza en secuencia los haces de tubenas 42 expuestos y despues aquellos se sumergen en la segunda porcion 32 del lecho de partmulas. En particular, el fluido de trabajo, en el ejemplo, agua lfquida, circula por los haces de tubenas 42 expuestos incrementando la temperatura sin transito de fase, para introducirse despues en los haces de tubenas 41 internos al lecho de fluido 3, en este caso continuando el calentamiento hasta el transito de fase en vapor saturado y posteriormente supercalentamiento. Esto ultimo se introduce entonces en la turbina 81 de acuerdo con lo que se ha descrito en referencia a la primera realizacion.
El circuito global del fluido de trabajo tambien puede proporcionar un deposito de almacenamiento 86, dimensionado para permitir el almacenamiento de agua de temperatura, que llega desde el manojo de tubenas 42 expuesto, sin enviarlo a los elementos de intercambio de calor 41 sumergidos en el lecho de partmulas. Esto permite cumplir necesidades operativas espedficas de suspension en produccion de energfa, es decir, intercambio de calor con la porcion de lecho 32. En mas detalle, para necesidades de planta puede ser necesario detener la produccion de vapor; en el caso de que esta necesidad se manifieste durante las horas de sol, la presencia del deposito de almacenamiento 86 permite recuperar la radiacion solar incidente en el manojo de tubenas 42 expuesto, almacenando en su interior agua calentada mediante dicha radiacion, y para continuar el almacenamiento de energfa termica en el lecho de almacenamiento 31 a traves de la cavidad cilmdrica 20. En estas condiciones, la porcion de lecho 32 a cargo del cambio no se fluidifica. Cuando termina el evento de “detencion de produccion”, es posible abrir el circuito de conexion para la conexion con los haces de tubenas 41 internos al dispositivo 10 y continuar la produccion.
Como alternativa o junto con el almacenamiento de agua caliente en el deposito 86, o de cualquier manera en un modo de funcionamiento ordinario, la energfa absorbida mediante los haces expuestos 42 puede utilizarse, enviandola por medio de un circuito de derivacion 861 directamente a los consumos de calor 90 opcionalmente disponibles.
Una configuracion de proceso adicional proporciona que la energfa termica absorbida mediante los haces de tubenas 42 expuestos puede utilizarse exclusivamente para suministrar a los consumos de calor 90 mediante el circuito de derivacion 861, mientras que la radiacion solar restante continua absorbiendose mediante la cavidad cilmdrica 20, almacenada en la porcion de lecho de almacenamiento 31 y transferida, de manera simultanea o en la ausencia de sol, a los haces de tubenas 41 para la produccion de vapor apto para enviarse a la turbina 81.
En referencia ahora a la realizacion de la Figura 4, en este caso se proporciona un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar, en este caso indicado globalmente mediante 11, insertado en una planta indicada mediante 102.
El dispositivo 11 proporciona una entrada 210 de la cavidad cilmdrica 20 definida mediante una superficie troncoconica. En dicha entrada 210, para seguir su perfil, estan dispuestos unos elementos de intercambio de calor adicionales, expuestos a radiacion solar, en el presente caso indicados mediante 420.
De otra manera, la planta 102 y el dispositivo 11 son analogos a los ya descritos en referencia a las Figuras 3 y 3A.
Tal como ya se ha dicho, tambien en el caso de la planta 101 y 102 de las Figuras, respectivamente 3 y 4, una configuracion preferente adicional, que no se ilustra, puede proporcionar una asociacion exclusivamente con un consumo de calor, por ejemplo, un sistema de retirada de sal, sin produccion de energfa electrica.
En referencia a la realizacion de las Figuras 5 y 5A, en este caso se proporciona un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energfa termica de origen solar, indicado globalmente mediante 12, insertado en una planta indicada mediante 103.
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En el dispositivo 12 se proporcionan elementos de intercambio de calor expuestos, indicados globalmente mediante 421, de superficie en su totalidad mayor que los casos de las Figuras 3 y 4. Tales elementos de intercambio de calor 421 estan dimensionados precisamente para absorber un mayor flujo de calor solar, para provocar el calentamiento, la evaporacion y supercalentamiento del sobrecalentamiento del fluido de trabajo y por tanto, como alternativa o en conjunto, la entrada directa de vapor en la turbina 81 y/o su uso en uno o mas consumos de calor 90.
Esta configuracion con una mayor extension del intercambiador de tubenas 421 expuesto es particularmente conveniente para plantas de alta potencia, ya que en ese caso, debido al mayor tamano del campo 200 de heliostatos y la distancia desde el dispositivo 12, la huella de la radiacion solar sobre el mismo se incrementa. Una mayor extension del intercambiador de tubenas expuesto permite por tanto interceptar toda la radiacion incidente disponible, evitando el incremento del diametro de la cavidad 20 con perdidas implicadas mediante la reirradiacion al entorno.
En el presente ejemplo, los elementos de intercambio de calor 421 se extienden tanto en la parte superior 25 de la funda 2 como en la entrada 210, por ejemplo, troncoconica, de la cavidad 20.
El agua en estado lfquido se suministra entonces mediante la bomba 86 ya mencionada, y puede seguir dos circuitos, el primero en relacion con los elementos de intercambio externos 421 y el segundo relativo a los elementos de intercambio internos 441 sumergidos en el lecho de partfculas.
En la configuracion considerada en el presente documento, los elementos de intercambio de calor 421 expuestos se asocian con un circuito dividido en diferentes sectores, que pueden conectarse entre ellos, para permitir el precalentamiento, la evaporacion y sobrecalentamiento antes mencionados del fluido de trabajo. En particular, los elementos de intercambio de calor 422 expuestos se proporcionan, dispuestos perifericamente respecto a la cavidad 20 y adecuados para producir un precalentamiento del fluido de trabajo, y ademas los elementos de intercambio de calor 423 expuestos, dispuestos en proximidad con o en la entrada 210 de la cavidad 20, se proporcionan en serie con respecto a los elementos 422 y adecuados para producir una evaporacion y sobrecalentamiento del fluido de trabajo.
Se proporciona preferentemente un cuerpo cilmdrico 87 que conecta los elementos de intercambio de calor 422 y 423 y permite separar la fase de lfquido de la gaseosa y funcionar como un medio de almacenamiento de vapor en caso de una ausencia momentanea de insolacion.
Una configuracion de proceso preferente proporciona, durante las horas de irradiacion del dfa, la produccion de vapor supercalentado mediante los unicos intercambiadores de tubo 421 expuestos y, simultaneamente, el almacenamiento de energfa termica en la porcion de lecho de almacenamiento 31. Durante la noche y/o durante la ausencia prolongada del sol, la energfa almacenada en el lecho 31 se utiliza para producir vapor supercalentado, y esto mediante la fluidificacion de la porcion de lecho de intercambio 32 y el medio de intercambio 41.
Una variante de realizacion se muestra esquematicamente en la Figura 6. En dicha variante, que puede asociarse con cada una de las otras realizaciones antes descritas, las entradas de alimentacion de aire, o cajas de aire, se subdividen ademas en tres secciones, respectivamente indicadas con 510, 511 y 520. En particular, el suministro de aire a la porcion de almacenamiento 31 del lecho de partfculas se subdivide precisamente a traves de dos entradas 510 y 511, por lo que la porcion de lecho 31 mas cerca de la cavidad 20 puede fluidificarse a mayor velocidad que la porcion de lecho de almacenamiento 31 mas lejos de la misma cavidad, es decir, cerca de la porcion de transferencia 32. Por tanto, la porcion de almacenamiento 31 se subdivide a su vez, es decir, se fluidifica de manera selectiva, en la zona cerca de la pared de la cavidad de recepcion y en la zona mas lejos de la misma.
Las ventajas de esta subdivision adicional descansan en la posibilidad de incrementar la velocidad del aire de fluidificacion para la zona cerca de la cavidad, incrementando por tanto el coeficiente de intercambio entre la pared y la porcion de lecho adyacente. De esta manera, se minimizan los consumos de energfa que se debenan a la fluidificacion en el caso de velocidad alta igual de toda la porcion de almacenamiento. Ademas, se reduce la perdida de calor sensible producida por el caudal reducido de aire de fluidificacion de la primera porcion del lecho de almacenamiento.
Se entendera que, en todas las realizaciones y variantes antes descritas, las diferentes partes del circuito de fluido de trabajo son aptas para establecerse selectivamente en comunicacion y/o para activarse independientemente entre sf.
Ademas, se entendera que en cada una de dichas realizaciones y variantes, la cavidad de recepcion y sus diversas partes, en particular la entrada, pueden tener formas y configuraciones diferentes de las anteriormente consideradas; ademas, es posible proporcionar varias cavidades de recepcion sumergidas en el lecho 3 de partfculas.
Para cada una de las configuraciones descritas, para la cavidad cilmdrica 20, un dispositivo de cierre, no ilustrado, puede proporcionarse, que en la presencia de mal tiempo y/o en la ausencia temporal o prolongada de insolacion
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evita las dispersiones de calor desde el dispositivo al entorno exterior. Tal dispositivo de cierre es ventajoso durante las horas nocturnas, cuando el intercambio de calor ocurre entre el lecho de almacenamiento y el de intercambio en favor de los elementos de intercambio de calor internos a la funda.
Tal como se ha mencionado en la introduccion, basandose en una variante de realizacion preferente, la configuracion de la planta proporciona una especializacion de grupos de dispositivos en diferentes categonas o tipologfas termicas, cada una adecuada para llevar a cabo una etapa termodinamica determinada para el fluido de trabajo.
Particularmente preferente, en el caso de agua como fluido de trabajo, es la especializacion de los dispositivos en dos categonas termicas. En particular, una primera tipologfa proporciona una unidad de generacion solar de baja temperatura, UGS-L, que transforma agua en vapor saturado, mientras que una segunda tipologfa proporciona una unidad de generacion solar de alta temperatura, UGS-H. Esta ultima recibe, durante el uso, el vapor saturado desde la UGS-L y devuelve vapor supercalentado, u opcionalmente resupercalentado de acuerdo con las demandas de ciclo termodinamico, para enviarse a la turbina. Cada unidad puede formarse mediante uno o mas dispositivos para almacenamiento y transferencia tal como se ha descrito antes, opcionalmente conectados en serie o para formar la propia unidad, y a su vez conectados en serie a los dispositivos de la otra unidad.
Tal especializacion ofrece la posibilidad de hacer descender los regfmenes termicos de mas del 50% de los dispositivos que constituyen la planta de generacion, con una reduccion notable de perdidas mediante irradiacion y conveccion desde tales dispositivos y ahorros en costes de materiales de construccion, provocando un incremento en la eficacia general de la planta de generacion.
Tal configuracion que proporciona el uso de dispositivos de acuerdo con las categonas termicas antes mencionadas es particularmente adecuada para la generacion de alta potencia.
En referencia a la Figura 7, se ilustra un diagrama de conexion entre las UGS especializadas, en el que por el bien de la simplicidad solo las unidades unicas UGS insertadas en una planta para la produccion de energfa electrica se ilustran. En dicha figura, “Bloque de Potencia” se refiere preferentemente al conjunto de algunos de los componentes de planta ya descritos anteriormente en referencia a la Figura 2, preferentemente la turbina de vapor 81, el generador 82, la bomba de suministro 86, los precalentadores (no ilustrados), el desgaseador 85 y el condensador 84.
La UGS-L recibe la radiacion solar y transfiere energfa termica al fluido de trabajo de las maneras y metodos preferentes y ya descritos. El vapor saturado que sale de la UGS-L (“vapor”) representa la entrada de uGS-H (SH), que a su vez recibe la radiacion solar y la transfiere al fluido de trabajo (vapor saturado) de las maneras y metodos ya descritos.
La salida de UGS-H es vapor supercalentado (SH) que se envfa al Bloque de Potencia.
Como se ha dicho, en relacion con las demandas del ciclo termico, la produccion de vapor resupercalentado tambien es posible; este caso se ilustra en la Figura 7 mediante una segunda unidad, UGS-H (RH), que tiene las mismas caractensticas termicas de la UGS-H (SH) que recibe irradiacion solar y vapor resupercalentado fno como entrada desde el Bloque de Potencia y lo devuelve al Bloque de Potencia en la forma de vapor caliente resupercalentado. A modo de ejemplo, la temperatura del vapor fno resupercalentado es de 300 °C, mientras que la temperatura del vapor caliente resupercalentado que llega desde la UGS-H (RH) es de 500 °C.
Las conexiones en la Figura 7, indicadas como RH fno y RH caliente, son respectivamente vapor recogido mediante la turbina de temperatura media y vapor producido mediante la UGS-H (RH) a una temperatura adecuada para el ciclo termico, preferentemente a la temperatura maxima de la turbina de vapor.
Los diagramas de ciclo termico son conocidos para un experto en la materia y por tanto no se ilustran adicionalmente en el presente documento.
A partir de dicho diagrama simplificado ilustrado en la Figura 7, la Figura 8 muestra un diagrama de planta de generacion de potencia con numerosas unidades UGS especializadas de temperatura alta y baja.
En la Figura 8 se esquematiza el concepto basico, ya ilustrado en la Figura 7, de conexion en serie termica entre las unidades de generacion solar de temperatura baja y alta.
En particular, la Figura 8 resalta los grupos UGS-L 500 y UGS-H 600, formado cada uno mediante unidades de la misma categona termica establecidas en paralelo entre ellas. Los grupos UGS-L 500 y UGS-H 600 estan dispuestos, en general, en serie termica.
En mas detalle, los grupos UGS-H se subdividen en UGS-H (SH), dedicados a la produccion de vapor supercalentado, y UGS-H (RH), dedicados a la produccion de vapor resupercalentado. La UGS-L del grupo de baja
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temperature 500 recibe, mediante un circuito de recogida 501, el agua precalentada que llega desde el ciclo termico indicado en la figura mediante “Bloque de Potencia”. La salida de cada UGS-L se transporta y distribuye mediante un circuito de distribucion 502 a cada UGS-H (SH) del grupo 600 de unidades de alta temperature.
La salida de UGS-H (SH) en la figura se esquematiza como el circuito 601 de vapor supercalentado enviado al Bloque de Potencia. La esquematizacion representa tambien el caso de produccion de vapor resupercalentado como salida de la UGS-H (RH). En ese caso, se muestra el circuito 602 del vapor fno resupercalentado que llega desde la turbina y se envfa a cada UGS-H (RH) y el circuito 603 de vapor caliente resupercalentado enviado a la fase de turbina a presion y temperatura maximas.
El diagrama de la Figura 8 muestra tambien una disposicion preferente de las UGS con respecto al Bloque de Potencia, para instalar las unidades con un regimen termico alto, la UGS-H, cerca del Bloque de Potencia para reducir a un mmimo la superficie y por tanto las dispersiones termicas de los conductos de distribucion de fluido de trabajo, aunque estan aislados.
Finalmente, en otra variante de realizacion preferente, el fluido de trabajo que circula en los elementos de intercambio de calor internos y/o expuestos puede ser aire en lugar de agua/vapor. En ese caso, los componentes del circuito de fluido de trabajo son apropiados, por ejemplo, para el desarrollo de un ciclo de Brayton-Joule. En dicho ciclo, el aire se comprime y posteriormente se precalienta mediante el dispositivo para almacenamiento y transferencia de la invencion antes de expandirse en una turbina de gas. Para incrementar la eficacia del sistema antes de la expansion en la turbina, es preferente elevar adicionalmente el contenido de calor de aire mediante la combustion del combustible de gas en la misma camara de combustion de la turbina de gas.
La presente invencion se ha descrito en este documento en referencia a las realizaciones preferentes de la misma. Se entiende que otras realizaciones pueden existir, entrando todas dentro del concepto de la misma invencion, tal como se define mediante el alcance de proteccion de las reivindicaciones a continuacion.

Claims (41)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo (1; 10; 11; 12) para almacenamiento y transferencia de energfa termica asociado con una radiacion solar incidente, dispositivo (1) que es apto para usarse en una planta solar para la produccion de energfa basandose en una configuracion de "haz descendente, en el que se irradia desde arriba por radiacion solar, dispositivo (1) que comprende:
    - una funda de contencion (2), y
    - un medio de almacenamiento solido que consiste en al menos un lecho (3) de partfculas fluidificables recibidas dentro de dicha funda (2), lecho de partfculas que esta adaptado para fluidificarse en uso mediante un gas de fluidificacion,
    caracterizado por que dicha funda (2) tiene al menos una cavidad de recepcion (20) que se extiende a traves de dicho lecho (3) de partfculas y tiene un primer extremo longitudinal (21) abierto que define una boca de entrada para la radiacion solar incidente y un segundo extremo longitudinal (22) cerrado, opuesto a dicho primer extremo abierto
    (21) y que define una parte inferior de la cavidad, definiendose un faldon lateral (23) de la cavidad entre dichos extremos,
    siendo tal la disposicion general que dicho lecho (3) de partfculas esta dispuesto circunscrito a dicho faldon lateral (23) de dicha cavidad (20) y es apto para moverse mediante dicho gas de fluidificacion para almacenar energfa termica recibida desde la radiacion solar a traves de dicho faldon lateral (23),
    en el que dicho segundo extremo longitudinal (22) de dicha cavidad (20) esta dispuesto en una base de dicho lecho (3) de partfculas.
  2. 2. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicha cavidad (20) tiene una geometna sustancialmente alargada, preferentemente y sustancialmente cilmdrica.
  3. 3. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que dicha cavidad (20) tiene un eje longitudinal (/), siendo tal la configuracion general que dicho eje longitudinal (/) esta dispuesto, durante el uso, en una direccion sustancialmente vertical.
  4. 4. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho faldon lateral (23) de dicha cavidad (20) tiene una superficie externa de un material metalico y/o de un material ceramico.
  5. 5. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho faldon lateral (23) absorbe la radiacion solar.
  6. 6. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha parte inferior
    (22) de dicha cavidad (20) refleja la radiacion solar.
  7. 7. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha cavidad (20) tiene una dimension transversal, preferentemente un diametro (d) y una altura (h) ortogonal a dicha dimension trasversal en una relacion comprendida en un intervalo de aproximadamente 0,2-0,5.
  8. 8. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho lecho (3) de partfculas esta formado a su vez por:
    - una primera porcion de almacenamiento (31), apta para almacenar energfa termica recibida desde la radiacion solar y dispuesta en dicho faldon lateral (23) de dicha cavidad (20); y
    - una segunda porcion de transferencia (32), dispuesta adyacente a dicha primera porcion (31), perifericamente con respecto a dicha cavidad (20) y apta para transferir energfa termica almacenada mediante esta ultima al medio de intercambio de calor (41) dispuesto dentro de dicha funda (2),
    en el que dicha primera porcion de almacenamiento (31) y dicha segunda porcion de transferencia (32) pueden fluidificarse de manera selectiva e independiente para llevar a cabo una etapa de almacenamiento de energfa termica y una etapa de transferencia de dicha energfa almacenada, respectivamente.
  9. 9. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicacion anterior, en el que dicha primera porcion de almacenamiento (31) se subdivide en al menos dos porciones adicionales, una de las cuales es adyacente al faldon lateral de dicha cavidad y una mas remota respecto al ultimo faldon lateral, dos porciones adicionales que son fluidificables de manera selectiva e independiente para incrementar el intercambio de calor con dicha cavidad.
  10. 10. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios aptos para variar selectivamente la velocidad del gas de fluidificacion y/o el caudal.
  11. 11. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un intercambiador de calor (71) de gas/gas, preferentemente aire/ aire, en el que la disposicion general es tal que,
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    durante el uso, en dicho intercambiador (71) se suministra un primer gas fno, que es el gas de fluidificacion a usar para la fluidificacion de dicho lecho (3) de partfculas, y un segundo gas caliente, que es la salida de gas de fluidificacion desde dicho lecho (3) de partfculas.
  12. 12. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios de intercambio de calor (41, 42), preferentemente uno o mas haces de tubenas, cruzadas, durante el uso, mediante un fluido de trabajo.
  13. 13. El dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicacion anterior, que comprende primeros medios de intercambio de calor (41) cruzados, durante el uso, mediante un fluido de trabajo y dispuestos dentro de dicha funda (2) para sumergirse en, o tocarse con, dicho lecho (3) de partfculas fluidificables, preferentemente dicha segunda porcion de transferencia (32) de este ultimo.
  14. 14. El dispositivo (10) de acuerdo con la reivindicacion 12 o 13, que comprende segundos medios de intercambio de calor (42) cruzados, durante el uso, mediante un fluido de trabajo y dispuestos externamente a dicha funda (2) para irradiarse mediante la radiacion solar incidente.
  15. 15. El dispositivo (10) de acuerdo con la reivindicacion anterior, en el que la configuracion general es tal que dicho segundo medio de intercambio de calor (42) esta dispuesto, durante el uso, en una parte superior (25) de dicha funda (2), preferentemente en dicha entrada (21).
  16. 16. El dispositivo (10) de acuerdo con la reivindicacion anterior, en el que dicha entrada (21) de dicha cavidad (20) esta definida por superficies en angulo recto.
  17. 17. El dispositivo (11) de acuerdo con la reivindicacion 15, en el que dicha entrada de cavidad (210) esta definida por una superficie troncoconica.
  18. 18. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un primer circuito de intercambio de calor dispuesto parcialmente dentro de dicha funda (2) para permitir un intercambio de calor con dicho lecho (3) de partfculas, preferentemente dicha segunda porcion (32) del mismo.
  19. 19. El dispositivo (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un segundo circuito de intercambio de calor dispuesto fuera de dicha funda (2) para permitir un intercambio de calor directo con una radiacion solar incidente.
  20. 20. El dispositivo (12) de acuerdo con la reivindicacion anterior, en el que dicho segundo circuito se divide en diferentes sectores para permitir un precalentamiento y una evaporacion del fluido de trabajo.
  21. 21. El dispositivo (10) de acuerdo con la reivindicacion 18 y de acuerdo con la reivindicacion 19 o 2D, en el que dicho primer y segundo circuito estan en comunicacion uno con otro, son aptos para establecerse selectivamente en comunicacion o son completamente independientes y/o pueden activarse de manera independiente uno de otro.
  22. 22. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para suministrar un combustible, preferentemente gaseoso dentro de dicho lecho (3) de partfculas o dentro de parte del mismo.
  23. 23. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que es adecuado para conectarse en serie termica con dispositivos en un regimen de temperatura diferente, dispuestos entre ellos para asumir temperaturas crecientes con respecto al sentido de cruce del fluido de trabajo.
  24. 24. El dispositivo (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la disposicion general es tal que dicho lecho (3) de partfculas esta dispuesto en contacto con dicho faldon lateral (23) de dicha cavidad (20).
  25. 25. Una planta de produccion de energfa (100), que comprende uno o mas dispositivos (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores y un medio de captacion de radiacion solar (200, 300; 210) que define conjuntamente con dichos dispositivos (1), una configuracion de irradiacion que hace que la radiacion solar converja desde arriba.
  26. 26. La planta (100) de acuerdo con la reivindicacion anterior, en la que el medio de captacion de radiacion solar comprende medios de captacion primarios (200), preferentemente un campo de heliostatos, directamente afectado por la radiacion solar y medios de captacion secundarios (300), preferentemente un reflector, apto para recibir la radiacion solar desde dichos medios primarios y transportarla a dicha cavidad (20) de dichos dispositivos (1).
  27. 27. La planta (100) de acuerdo con la reivindicacion 25 o 26, en la que la configuracion general es tal que la radiacion solar se transporta dentro de dicha cavidad (20) en la superficie expuesta de dicho lecho (3) de partfculas.
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  28. 28. La planta (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27 cuando dependen de dichas 18 y 19, en la que la configuracion general es tal que se permite una produccion de vapor o energfa termica en dicho primer circuito de intercambio de calor y opcionalmente tambien de dicho segundo circuito de intercambio de calor, y en la que preferentemente dicho primer y segundo circuito de intercambio de calor pueden activarse independientemente entre sl
  29. 29. La planta (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 28 cuando dependen de dichas 18 y 19, en la que la configuracion general es tal que se permite una generacion de vapor o calor para produccion de energfa electrica en dicho primer circuito de intercambio de calor y la generacion de energfa termica para uno o mas consumos de calor (90) en dicho segundo circuito de intercambio de calor.
  30. 30. La planta (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 29, que proporciona una produccion de vapor y/o una produccion de calor para consumos de calor conectados, preferentemente para un sistema de retirada de sal.
  31. 31. La planta (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 30, que proporciona una produccion de vapor y/o una produccion de energfa electrica, que comprende dos o mas dispositivos (1) conectados en serie termica.
  32. 32. La planta (100) de acuerdo con la reivindicacion anterior, que comprende uno o un primer grupo de dispositivos (UGS-L) configurados para transformar agua de trabajo en vapor saturado, y uno o un segundo grupo de dispositivos (UGS-H) configurados para transformar dicho vapor saturado en vapor supercalentado o incluso en vapor resupercalentado.
  33. 33. Un metodo de produccion de energfa a partir de radiacion solar, que proporciona el uso de una planta (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 25 a 32.
  34. 34. El metodo de acuerdo con la reivindicacion anterior, que proporciona irradiacion solar que llega desde arriba mediante la colocacion de medios de captacion primarios (210) en inclinaciones naturales o artificiales.
  35. 35. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 33 o 34, que proporciona una produccion simultanea de energfa electrica y energfa termica, esta ultima preferente para la produccion de agua desalada.
  36. 36. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 33 a 35, que comprende un dispositivo (1) de acuerdo con la reivindicacion 9, metodo que comprende:
    - una etapa de almacenamiento de energfa termica recibida desde la radiacion solar concentrada mediante dicha primera porcion (31) del lecho (3) de partfculas; y
    - una etapa de transferencia de la energfa termica almacenada en dicha etapa de almacenamiento a los medios de intercambio de calor (41) cruzados mediante un fluido de trabajo, efectuada mediante la fluidificacion de dicha segunda porcion (32) de lecho,
    en el que dichas etapas de almacenamiento y transferencia se activan una independiente de la otra, preferentemente una durante el dfa y la otra durante el dfa y la noche.
  37. 37. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 33 a 36, en el que dicho gas de fluidificacion es aire.
  38. 38. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 33 a 37, en el que se proporciona una variacion selectiva de la velocidad y/o el caudal del gas de fluidificacion.
  39. 39. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 33 a 38, que comprende un dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 18 y 19, en el que dicho segundo circuito de intercambio de calor se activa durante el dfa y dicho primer circuito de intercambio de calor se activa durante la noche.
  40. 40. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 33 a 39, que usa agua o aire como fluido de trabajo.
  41. 41. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 33 a 40, que proporciona el uso de uno o de un primer grupo de dispositivos (UGS-L) configurados para transformar agua de trabajo en vapor saturado, y uno o un segundo grupo de dispositivos (UGS-H) configurados para transformar tal vapor saturado en vapor supercalentado o incluso en vapor resupercalentado.
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