ES2595552B1 - Planta solar de potencia de alta eficiencia y su procedimiento de funcionamiento - Google Patents

Planta solar de potencia de alta eficiencia y su procedimiento de funcionamiento Download PDF

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Abstract

Planta solar de potencia de alta eficiencia y su procedimiento de funcionamiento.#Planta solar de potencia de alta eficiencia que comprende un ciclo Brayton principal (14) cerrado y regenerativo que trabaja con un fluido supercrítico y al menos un ciclo de cola cerrado, que puede ser un ciclo Rankine (15) o un ciclo Brayton (16). El ciclo Brayton principal (14) comprende una fuente de calor que comprende un receptor solar (1), un expansor (2), un generador (3) de corriente eléctrica, un recuperador primario de calor (4), opcionalmente un intercambiador de calor (5), un recuperador secundario de calor (6), un refrigerador (7), un compresor (8) y una bomba (9). En una realización preferente, un ciclo Rankine de cola (15) se conecta con el ciclo principal (14) a través del intercambiador de calor (5), mientras que un ciclo Brayton de cola (16) se conecta con el ciclo principal (14) mediante el recuperador primario de calor (4).

Description

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DESCRIPCION
PLANTA SOLAR DE POTENCIA DE ALTA EFICIENCIA Y SU PROCEDIMIENTO DE
FUNCIONAMIENTO
Sector tecnico de la invencion
La presente invencion se refiere a una planta solar de potencia de alta eficiencia y su procedimiento de funcionamiento para aplicaciones solares mediante el uso de fluidos, al menos uno de ellos en condiciones supercrlticas.
Antecedentes de la invencion
En la actualidad se esta profundizando en el desarrollo de plantas de ciclos supercrlticos tanto de CO2 como de vapor. La principal ventaja de estos ciclos es la elevada temperatura y presion a la entrada de la turbina, lo que permite aumentar la eficiencia global del ciclo. En esta llnea se esta estudiando la integration de la tecnologla termosolar en ciclos supercrlticos. En desarrollos previos, aunque no particularmente para aplicaciones solares, se encuentra la patente US2013/0269334 donde se presenta una combination de ciclos Brayton y Rankine. Tanto en el ciclo Brayton, que utiliza CO2 supercrltico, como en el ciclo Rankine, que utiliza vapor sobrecalentado, el aporte de calor proviene de una misma fuente externa mediante el uso de al menos un intercambiador de calor. La fuente de calor consiste en los gases de escape de una turbina de gas convencional y el calor aportado proviene exclusivamente de combustibles fosiles. Respecto al ciclo de CO2 supercrltico, el aumento de presion se realiza empleando exclusivamente compresores.
En el campo de la hibridacion solar-gas de ciclos de CO2 supercrltico se encuentra la patente US2013/0118145. El ciclo de CO2 supercrltico propuesto consiste en un ciclo Brayton simple regenerativo. El aporte de calor se realiza en primer lugar en un receptor solar y en segundo lugar en un combustor de gas natural, empleando la energla solar para suplementar la combustion. En caso de que la radiation solar no sea suficiente o nula la operation sera 100% gas. Esta invencion incluye una unica turbina, en la que el fluido de trabajo sera CO2 supercrltico, por lo que la eficiencia obtenida sera inferior al caso propuesto en la presente invencion, donde se incorpora un ciclo Rankine supercrltico de cola.
Un desarrollo relativo a la integracion entre energla solar y ciclos combinados se describe en la patente US2011/0233940. Esta configuration consiste en un ciclo combinado donde se incorpora la energla solar siguiendo diferentes esquemas. En un primer esquema el aporte solar se integra tanto en el ciclo Brayton abierto como en el
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Rankine de forma independiente. En el segundo y tercer caso ambos receptores estan interconectados. Finalmente en el cuarto caso, la energia solar se emplea exclusivamente en el ciclo Brayton. En este caso el ciclo Brayton no es regenerativo, es decir, nada de la energia disponible en los gases de escape se emplea para precalentar la entrada al mismo ciclo Brayton. Otra limitation se encuentra en el tipo de fluido a emplear; al no disponer de bomba tras el compresor, esta limitado el uso de fluidos supercriticos en el ciclo Brayton. En este mismo ambito, la integration de la energia solar en ciclos combinados, se encuentra la patente ES2480915A1. Al igual que en la invention anterior, el aporte de calor se realiza secuencialmente: primero en un receptor solar y posteriormente en una camara de combustion, sin embargo, este caso tambien presenta la limitacion en el tipo de fluido a emplear en el ciclo Brayton, no permitiendo el uso de fluidos supercriticos.
La solution descrita en la presente invencion consiste en una configuration de planta cuya finalidad es, por un lado, poder funcionar a carga parcial con aporte 100% solar (y siempre que haya radiation suficiente), pudiendo ser en ese caso independiente del suministro de combustibles fosiles (solo empleados en caldera auxiliar para casos puntuales de transitorios, es decir, paso de nubes etc..) y, por otro lado, conseguir maximizar la production sin reducir la eficiencia de la planta.
Description de la invencion
La planta solar de potencia de alta eficiencia consta de al menos dos ciclos para la produccion de energia electrica: un ciclo Brayton principal cerrado y regenerativo cuyo fluido de trabajo es un fluido supercritico y al menos un ciclo de cola, que puede ser un ciclo Brayton o un ciclo Rankine cerrado que emplea un fluido de trabajo que puede ser igual o diferente al fluido de trabajo del ciclo Brayton principal.
El ciclo Brayton principal consta de los siguientes elementos: al menos una fuente de calor que comprende un receptor solar para aumentar la temperatura de su fluido de trabajo supercritico previamente comprimido, un expansor conectado a la fuente de calor configurado para convertir la energia termica contenida en el fluido supercritico en energia mecanica, un generador que convierte dicha energia mecanica en energia electrica, un recuperador primario de la energia termica contenida en los gases de escape del expansor, un recuperador secundario situado despues del recuperador primario de calor para aprovechar la energia del fluido. A continuation del recuperador secundario se situa un refrigerador donde se enfria el fluido hasta temperatura ambiente, un compresor y una bomba que permite impulsar de nuevo el fluido (ya en estado liquido) hasta la fuente de calor.
Tanto el recuperador primario como el secundario son intercambiadores de calor que
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permiten la transferencia de calor entre fluidos.
Opcionalmente, el ciclo Brayton principal puede incluir un intercambiador de calor entre el recuperador primario y el recuperador secundario, estando configurado dicho intercambiador para intercambiar calor entre la corriente de salida del recuperador primario y un fluido de trabajo de un ciclo de cola.
El hecho de utilizar un fluido supercrltico tiene la ventaja de que, al comprimirlo, tiene propiedades de llquido y se puede impulsar facilmente con una bomba, lo que implica un ahorro energetico si se compara con la energla necesaria para comprimir e impulsar un gas. Por ello la bomba utilizada permite reducir los autoconsumos de la planta. Asimismo, al emplear un fluido en condiciones supercrlticas, la energla disponible a la entrada del expansor es superior a la energla del mismo fluido en condiciones no supercrlticas, permitiendo aumentar tanto la potencia como la eficiencia obtenida en el ciclo.
En el ciclo Brayton principal, el expansor es un equipo independiente al compresor, principal diferencia con las turbinas de gas donde una misma carcasa envuelve al compresor y expansor, y que necesariamente cuenta con una camara de combustion. Dicha planta es, por tanto, concebida en su ciclo Brayton principal sin turbina de gas y, por lo tanto, sin camara de combustion, sustituyendose por un expansor y un compresor, lo que permite operar en condiciones de radiacion suficiente con aporte 100% solar y reducir as! las emisiones de gases de efecto invernadero. Al tratarse ademas de un ciclo cerrado permite reducir los autoconsumos electricos del ciclo, al no tener que comprimir el fluido de trabajo desde condiciones de presion ambiente, si no desde las condiciones de presion de salida del expansor. Ademas, los gases de escape del expansor tienen una doble funcion: la primera funcion es precalentar el fluido antes de su entrada al receptor, recuperando as! parte de la energla contenida a la salida del expansor teniendo as! que realizar un menor calentamiento en el receptor solar para alcanzar la temperatura deseada, lo que se traduce en campos solares mas pequenos y menores costes; y una segunda funcion que es la de calentar el fluido de al menos un ciclo de cola, lo que permite aumentar la produccion. Por otro lado, el uso de fluidos en condiciones supercrlticas aumenta la eficiencia global del sistema. Opcionalmente, la fuente de calor que comprende un receptor solar puede incluir tambien una fuente de calor auxiliar situada en paralelo al receptor solar, de esta manera la planta permite operar el ciclo en los instantes en los que la radiacion es insuficiente o nula para evitar paradas en el funcionamiento de la planta. Esta fuente de calor puede ser una camara de combustion, pero no se limita a este equipo
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exclusivamente, siendo como hemos mencionado un equipo auxiliar unicamente de apoyo para ciertas circunstancias.
El ciclo de cola podra ser un ciclo Brayton o un ciclo Rankine, empleando un fluido de trabajo igual o diferente al fluido del ciclo Brayton pricipal. En el caso de que la planta incluya un ciclo Rankine de cola, el ciclo Brayton principal incluira un intercambiador de calor entre el recuperador primario y el secundario tal y como se ha comentado anteriormente. El ciclo de cola Rankine constara de al menos los siguientes elementos: un intercambiador de calor que comparte con el ciclo Brayton principal, siendo dicho elemento el punto de conexion entre ambos ciclos, una turbina para convertir la energla termica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola en energla mecanica, un generador de electricidad conectado a la turbina para convertir dicha energla mecanica en energla electrica, un refrigerador situado a continuacion de la turbina y una bomba que impulsa el fluido del ciclo de cola Rankine desde el refrigerador hasta el intercambiador de calor.
En el intercambiador de calor, el fluido supercrltico del ciclo Brayton principal cede su energla termica al fluido del ciclo Rankine de cola, luego dicho intercambiador de calor constituye una fuente de calor para el mencionado ciclo de cola.
Opcionalmente, el ciclo Rankine de cola puede incluir una fuente de calor que comprende un receptor solar, situandose dicha fuente entre el intercambiador de calor y la turbina para realizar un aporte extra de calor al fluido.
En el caso de que la planta incluya un ciclo Brayton de cola, el fluido de trabajo sera tambien un fluido supercrltico, que puede ser igual o diferente al utilizado en el ciclo Brayton principal. En el caso de tener un ciclo de cola Brayton, el recuperador primario del ciclo Brayton principal sera el elemento que conecte ambos ciclos. En el recuperador primario, el fluido supercrltico del ciclo Brayton principal cede calor al fluido supercrltico del ciclo Brayton de cola.
Este ciclo Brayton de cola comprende un nuevo expansor, opcionalmente puede incluir un receptor solar antes y/o despues del recuperador primario para complementar el aporte de calor y constara ademas de al menos de un refrigerador, un recuperador de calor ubicado entre el expansor y el refrigerador, estando configurado dicho recuperador para recibir los gases de escape del expansor y precalentar el fluido del ciclo Brayton de cola antes de su entrada en el recuperador primario, un compresor y una bomba.
Opcionalmente, en los ciclos de fluido supercrltico se podra realizar enfriamiento intermedio en el tren de compresion, es decir, opcionalmente puede existir al menos
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un refrigerador intermedio entre el compresor y la bomba o bien realizarse una refrigeracion adicional dentro del cuerpo del propio compresor.
En caso de que la planta comprenda dos ciclos de cola, estos seran preferiblemente un ciclo Brayton y un ciclo Rankine que comprenderlan los elementos mencionados anteriormente para cada uno de ellos.
En la planta asl descrita, bien sea con un unico ciclo de cola o bien con dos ciclos de cola conectados con el ciclo principal, el fluido que circula a traves del receptor solar en cada uno de los ciclos puede ser el mismo que se expande posteriormente en el expansor o en la turbina, es decir, el fluido que circula a traves de cada receptor solar es el fluido de trabajo de cada ciclo en cuestion. Otra opcion consiste en emplear receptores solares por los que circulan materiales de almacenamiento termico (bien sean fluidos de almacenamiento termico, partlculas solidas y/o sales carbonatadas) que transfieren su energla termica mediante intercambiadores de calor al fluido de trabajo que circula por cada uno de los ciclos . En este caso, las distintas fuentes de calor incluiran, ademas de un receptor solar para calentar un material de almacenamiento termico, un sistema de almacenamiento termico conectado con el receptor solar y un intercambiador de calor conectado al sistema de almacenamiento configurado dicho intercambiador para calentar el fluido de trabajo del ciclo en cuestion a partir del material de almacenamiento termico.
El almacenamiento de calor en un fluido diferente al fluido de trabajo de los ciclos de cola permite almacenar a presiones mas bajas, lo que se traduce en menores riesgos tecnicos, asl como en menores costes.
El procedimiento de funcionamiento de la planta para la produccion de energla electrica comprende al menos las siguientes etapas:
- calentamiento del fluido de trabajo del ciclo principal Brayton previamente comprimido; dicho calentamiento se produce por medio de una fuente de calor que comprende un receptor solar. El calentamiento puede efectuarse de forma directa o indirectamente por medio de energla solar; directamente en el receptor solar o indirectamente a traves de un material de almacenamiento de calor previamente calentado con energla solar en el receptor solar;
- conduccion del fluido previamente calentado a un expansor que convierte la energla termica contenida en el fluido de trabajo en energla mecanica, la cual se transforma en energla electrica en un generador;
- la corriente de fluido (o gases de escape) a la salida del expansor se hace pasar por un recuperador primario donde el fluido pierde parte de su energla termica,
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cediendola bien al propio fluido de trabajo del ciclo principal Brayton antes de su entrada en la fuente de calor o bien a un fluido de trabajo de un ciclo Brayton de cola,
- opcionalmente la corriente de fluido de trabajo del ciclo principal Brayton a la salida del recuperador primario se le hace pasar por el intercambiador de calor donde cede parte de su energla termica a un fluido de trabajo de un ciclo Rankine de cola;
- seguidamente, la corriente del fluido se hace pasar por el recuperador secundario donde pierde de nuevo parte de su energla termica, precalentando de este modo el propio fluido de trabajo del ciclo principal Brayton antes de su entrada en la fuente de calor,
- a continuation, el fluido se conduce tras la salida del recuperador secundario a un refrigerador, posteriormente a un compresor y desde el compresor, ya en estado llquido, el fluido se bombea hasta la fuente de calor para iniciar de nuevo el ciclo.
Luego, en el ciclo principal Brayton, la corriente del fluido de trabajo de dicho ciclo que sale del expansor se va enfriando hasta pasar a estado llquido en el compresor, lo que permite bombear dicho fluido hasta la fuente de calor que comprende un receptor solar. El calor cedido por la corriente de fluido al enfriarse se aprovecha para precalentar el fluido de trabajo de dicho ciclo Brayton antes de entrar en la fuente de calor o bien para calentar el fluido de trabajo de un ciclo de cola.
Como se ha comentado anteriormente, en el caso de que el ciclo principal Brayton comprenda un intercambiador de calor, este constituira la fuente de calor de un ciclo Rankine de cola, ya que en dicho intercambiador de calor el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal cede calor al fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola.En el caso en que el ciclo principal este conectado con un ciclo de cola Rankine a traves del intercambiador de calor, el fluido de trabajo del ciclo de cola se dirige desde el intercambiador de calor a una turbina y a un generador para la produccion de electricidad. La corriente del fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (gases de escape) a la salida de la turbina se hace pasar por un refrigerador y desde ahl es bombeado de nuevo al intercambiador de calor.
Opcionalmente, antes de entrar en turbina, el fluido de trabajo del ciclo de cola Rankine puede hacerse pasar por una fuente de calor que comprende un receptor solar. En este caso, el calentamiento puede efectuarse de forma directa o indirecta por medio de energla solar; directamente en un receptor solar o indirectamente a traves de un fluido intermedio o material de almacenamiento de calor previamente calentado con
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energla solar en el receptor solar.
En el caso de que el aporte de calor al fluido de trabajo tanto del ciclo Brayton principal como del ciclo Rankine de cola se haga de modo indirecto, el procedimiento incluirla una etapa adicional de calentamiento de un material de almacenamiento termico (p. ej. un fluido de almacenamiento termico, sales carbonatadas o partlculas solidas) para posteriormente ser dirigido a un intercambiador de calor donde se produce el calentamiento del fluido de trabajo de cado uno de los ciclos.
En el caso de que el ciclo Brayton principal este conectado con un ciclo Brayton de cola que utiliza tambien un fluido supercrltico,el recuperador primario del ciclo Brayton principal constituye una fuente de calor para el ciclo Brayton de cola, de forma que, en dicho recuperador, el fluido supercrltico del ciclo Brayton principal cede energla al fluido supercrltico del ciclo Brayton de cola.
Posteriormente, en el ciclo Brayton de cola, el fluido supercrltico se expande en un expansor conectado a un generador para la produccion de electricidad. La corriente de fluido a la salida del expansor se hace pasar por un regenerador de calor. Tras el regenerador de calor, el fluido se hace pasar por un refrigerador y un compresor y de ahl es bombeado hasta el recuperador primario, que es donde tiene lugar la transferencia de energla termica desde el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal al fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola.
Opcionalmente, antes de su llegada al recuperador primario, el fluido del ciclo Brayton de cola se calienta en una fuente de calor que incluye un receptor solar.
Finalmente, en el caso de que la planta incluya dos ciclos de cola (uno Brayton y uno Rankine), ademas del principal, el procedimiento de operacion de la planta incluira las etapas de los tres ciclos segun se han descrito anteriormente.
Breve description de los dibujos
Figura 1. Representacion esquematica de un ejemplo de planta solar de potencia con dos ciclos de potencia: un ciclo principal Brayton supercrltico y un ciclo de cola Rankine.
Figura 2. Representacion esquematica de un ejemplo de planta solar de potencia con tres ciclos de potencia supercrlticos: un ciclo principal Brayton y un ciclo de cola Rankine y un ciclo de cola Brayton
Figura 3. Representacion esquematica de un ejemplo de planta solar de potencia con tres ciclos de potencia como en el caso anterior (figura 2), pero con aporte indirecto de energla solar.
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Figura 4. Representation esquematica de un ejemplo de planta solar de potencia con dos ciclos de potencia: un ciclo principal Brayton supercritico y un ciclo de cola Brayton supercritico.
En correspondencia con las figuras se enumeran los siguientes elementos:
I, 1’,1’’.- Receptores solares
2, 2’’.- Expansor de CO2 supercritico
3, 3’,3”.- Generadores de corriente electrica
4, - Recuperador primario 42.- Regenerador de calor
5, - Intercambiador de calor
6, - Recuperador secundario
7, 7’,7’’.- Refrigeradores
8, 8”.- Compresores
9, 9’, 9”- Bombas
10, - Fuente de calor auxiliar
II. -Turbina de vapor
12,12’, 12’’.- Intercambiadores de calor conectados a un receptor solar 13,13’, 13”.- Sistema de almacenamiento termico
14. - Ciclo Brayton principal
15. - Ciclo Rankine de cola
16. - Ciclo Brayton de cola Description de una realization preferida
Para lograr una mayor comprension de la invention, se describen a continuation cuatro realizaciones preferidas de la planta de potencia de la presente invention en base a las figuras presentadas.
En una primera realization preferida, la planta incluye un ciclo Brayton principal (14) de CO2 supercritico que consiste en un ciclo Brayton simple, cerrado y regenerativo, y un ciclo Rankine de cola (15) cuyo fluido de trabajo es vapor, bien vapor sobrecalentado o bien vapor supercritico (15), donde el aporte termico proviene del ciclo Brayton principal (14)de CO2 supercritico. Dicha realization preferente esta representada en la Figura 1.
El aporte de calor en el ciclo principal (14) se realiza en una fuente de calor que comprende un receptor solar (1), (preferentemente un sistema de torre de receptor solar central). En paralelo al receptor solar (1) se incluye una fuente de calor auxiliar (10) que podra ser una camara de combustion o una pila de combustible aunque no
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limitado a ello. Esta fuente de calor auxiliar (10) se empleara para evitar las paradas de la planta cuando la radiacion no sea suficiente para mantener la operacion. El expansor de CO2 supercrltico (2) conectado al generador de corriente electrica (3) recibe, para la produccion de electricidad, el fluido proveniente de la fuente de calor (1 o 10) a una temperatura de entre 700 y 1200 °C, preferentemente superior a 750°C y de presion superior a 200 bar. La energla contenida en la corriente de salida del expansor (2), es decir, en los gases de escape del ciclo, se aprovecha en el recuperador primario (4) precalentando de este modo el CO2 antes de su entrada en la fuente de calor (1 o 10). A la salida del recuperador primario (4), el fluido se encuentra a una temperatura en torno a los 600°C y presion entre 20 y 60 bar y se le hace pasar por el intercambiador de calor (5), que constituira la fuente de calor del ciclo Rankine de cola. Tras el intercambiador de calor (5), el fluido del ciclo principal (14) se hace pasar por un recuperador secundario (6) donde cede parte de su energla termica, precalentando de este modo el CO2 antes de su entrada en la fuente de calor (1 o 10). Tras el recuperador secundario (6), el fluido se hace pasar por un refrigerador (7) y por un compresor (8). En el refrigerador (7) se extrae el calor necesario para asegurar las condiciones de entrada al compresor (8), estas condiciones son de una temperatura en torno a 25°C y presion entre 20 y 60 bar. Dadas las caracterlsticas supercrlticas del fluido de trabajo del ciclo principal (14), se integra una bomba (9) en el proceso tras el compresor. La presion a la salida de la bomba sera superior a 200 bar. Con objeto de precalentarlo, el fluido bombeado se hace pasar de nuevo por el recuperador secundario (6) y por el primario (4) entrando en este a una temperatura aproximada de 250°C y presion entre 200 y 300 bar;finalmente, se dirige hasta la fuente de calor (1 o 10) para comenzar de nuevo el ciclo.
En cuanto al ciclo Rankine de cola (15), el aporte termico se realiza en el intercambiador de calor (5). Se puede incluir opcionalmente un cuerpo adicional en el intercambiador de calor (5) para el recalentamiento mediante este. Para complementar el aporte termico del vapor, se puede incluir un receptor solar (1’) ubicado despues del intercambiador de calor (5). El vapor se puede turbinar en condiciones de vapor sobrecalentado o de vapor supercrltico. En el caso de condiciones de vapor supercrltico, el vapor que sale del receptor solar (1’) a unas condiciones de temperatura entre los 600°C y 900°C, y presion igual o superiores a 200 bares se expande en una turbina de vapor (11) conectada a un generador de corriente electrica (3’). La corriente de vapor procedente de la turbina (11) (gases de escape) se hace pasar por un refrigerador (7’) donde se extrae el calor necesario para acondicionar el
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vapor a las condiciones necesarias para la entrada de la bomba (9’): temperatura aproximada de 25°C y presion igual o inferior a 0,14 bar.
En una segunda realizacion preferida representada en la Figura 2, el recuperador primario (4) del ciclo Brayton principal (14) se utiliza para calentar el fluido de trabajo de un ciclo Brayton de cola (16) consistente en un ciclo Brayton simple regenerativo que trabaja con CO2 supercrltico, donde el CO2 se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presion superior a 200 bar y se dirigira a un expansor de CO2 supercritico (2’’) conectado a un generador de corriente electrica (3’’) para la produccion de electricidad. A la salida el expansor (2’’), la corriente de CO2 que se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presion entre 20-30 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) para calentar la corriente de entrada al recuperador primario (4). Desde el regenerador de calor (42), la corriente de fluido se dirige al refrigerador (7”) donde se extrae el calor necesario hasta una temperatura en torno a 25° C y presion entre 20-30 bar. De ahl se dirige al compresor (8”) y a la bomba (9”) que impulsa la corriente de fluido hasta el recuperador primario (4) pasando previamente por el regenerador de calor (42) donde se precalienta el fluido. Opcionalmente, antes del recuperador primario (4), se incluye un receptor solar (1”) para precalentar el fluido hasta una temperatura entorno a los 600°C y una presion superior a los 200 bar.
En una tercera realizacion preferida representada en la Figura 3, las fuentes de calor incluyen, ademas de los receptores solares (1, 1’ y 1”), unos intercambiadores de calor conectados a dichos receptores solares (12, 12’ y 12”). En este caso, el fluido de trabajo de los distintos ciclos circula por los intercambiadores de calor (12, 12’ y 12”), mientras que por los receptores solares (1, 1’ y 1”) circula un material de almacenamiento de calor (bien sea fluido, metales fundidos, partlculas solidas, etc.), que sera el que, una vez calentado con energla solar, ceda el calor al fluido de trabajo de los ciclos en el correspondiente intercambiador de calor (12, 12’ y 12”). El material de almacenamiento puede ser almacenado en un sistema de almacenamiento (13,13’, 13’’) situado entre el correspondiente receptor solar (1, 1’ y 1”) y el correspondiente intercambiador de calor (12, 12’ y 12”).
En el receptor solar (1) del ciclo Brayton principal (14), el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura superiores a los 750° C y presion igual o inferior a 30 bar. Dicho material cede calor al fluido de trabajo del ciclo Brayton principal ( CO2 supercrltico), de forma que dicho fluido de trabajo entra en el expansor (2) a una temperatura superior a 750°C y presion superior a 200 bar.
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En el ciclo Rankine de cola (15), para el caso en el que el fluido de trabajo sea vapor supercrltico, el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura maxima de 800° C y presion igual o inferior a 30 bar en el receptor solar (1’) para posteriormente ser dirigido al intercambiador (12’) donde se produce el recalentamiento del vapor supercrltico desde una temperatura superior a 550°C y presion superior a 200 bar hasta una temperatura maxima de 750°C y una presion superior a 200 bares, condiciones de entrada a la turbina (11).
En el ciclo Brayton de cola de CO2 supercrltico, el material de almacenamiento se calienta en el receptor solar (1”) a una temperatura maxima de 600° C y presion inferior a 30 bar, para posteriormente ser dirigido al intercambiador (12”) donde se produce el precalentamiento del CO2 supercrltico hasta unas condiciones de temperatura de 600°C y presion de 200 bares, antes de su entrada en el recuperador primario (4). El CO2 del ciclo Brayton de cola se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presion superior a 200 bar y se dirige posteriormente a un expansor de CO2 supercritico (2’’) conectado a un generador de corriente electrica (3’’) para la produccion de electricidad. A la salida del expansor (2’’), la corriente de CO2 que se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presion entre 20-60 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) antes de su entrada o bien al receptor solar, o bien al recuperador primario.
En una cuarta realization preferente representada en la Figura 4, la planta esta constituida por un ciclo Brayton principal de CO2 supercrltico (14), y un ciclo de cola Brayton de CO2 supercrltico (16). El recuperador primario (4) del ciclo Brayton principal (14) se utiliza para calentar el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) consistente en un ciclo Brayton simple cerrado y regenerativo, donde el CO2 del ciclo Brayton de cola se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presion superior a 200 bar y se dirige a un expansor de CO2 supercritico (2’’) conectado a un generador de corriente electrica (3’’) para la produccion de electricidad. A la salida del expansor (2’’), la corriente de CO2 que se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presion entre 20-60 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) para calentar la corriente de entrada al recuperador primario (4). Desde el regenerador de calor (42), la corriente de fluido se dirige al refrigerador (7”) donde se extrae el calor necesario hasta una temperatura en torno a 25° C y presion entre 20-60 bar. De ahl se dirige al compresor (8”) y a la bomba (9”) que impulsa la corriente de fluido hasta el recuperador primario
(4) pasando previamente por el regenerador de calor (42) donde se precalienta el fluido. Opcionalmente, y para condiciones no nominales de operacion, antes del recuperador primario (4), se incluye un receptor solar (1”) para precalentar el fluido hasta una temperatura en el entorno de los 600°C y una presion superior a los 200 5 bar.
A la salida del recuperador primario (4), el CO2 del ciclo Brayton principal de CO2 supercrltico (14) atraviesa el recuperador secundario (6) para ceder parte de su energla termica y precalentar la corriente de CO2 supercrltico antes de su entrada en la fuente de calor (1 o 10).
10 En esta realization preferente se prescinde del intercambiador de calor (5) y del ciclo
de cola Rankine (15).

Claims (26)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. - Planta solar de potencia de alta eficiencia para la produccion de energla electrica caracterizada porque comprende :
    i) un ciclo Brayton principal (14) cerrado y regenerativo, que emplea un fluido de trabajo supercrltico y
    ii) al menos un ciclo de cola cerrado, seleccionado entre un ciclo Rankine (15 ) y un ciclo Brayton (16), y donde el ciclo Brayton principal (14) comprende los siguientes elementos:
    - al menos una fuente de calor que comprende un receptor solar (1) para aumentar la temperatura del fluido de trabajo del ciclo Brayton principal,
    - un expansor (2) conectado a la fuente de calor y configurado para convertir la energla termica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal en energla mecanica,
    - un generador (3) de corriente electrica conectado al expansor (2) para convertir dicha energla mecanica en energla electrica,
    - un recuperador primario de calor (4) configurado para recibir los gases de escape del expansor (2),
    - un recuperador secundario de calor (6) situado despues del recuperador primario de calor (4)
    - un refrigerador (7) situado a continuation del recuperador secundario (6),
    - un compresor (8) dispuesto tras el refrigerador (7) y
    - una bomba (9) configurada para impulsar de nuevo el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) hasta la fuente de calor.
  2. 2. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun revindication 1 caracterizada porque el ciclo Brayton principal (14) comprende un intercambiador de calor (5) situado entre el recuperador primario de calor (4) y el recuperador secundario de calor (6) y la planta solar de potencia comprende un ciclo Rankine de cola (15) que utiliza vapor como fluido de trabajo, seleccionado entre vapor supercrltico y vapor sobrecalentado, y que comparte el intercambiador de calor (5) con el ciclo Brayton principal (14) de la planta, siendo dicho intercambiador de calor (5) el elemento que conecta ambos ciclos y donde el ciclo Rankine de cola (15) comprende ademas:
    - una turbina (11) para convertir la energla termica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) en energla mecanica,
    5
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    - un generador de corriente electrica (3’) conectado a la turbina (11) para convertir dicha energla mecanica en energla electrica,
    - un refrigerador (7’) situado a continuacion de la turbina (11) y
    - una bomba (9’) que impulsa el fluido del ciclo Rankine de cola (15) desde el refrigerador (7’) hasta el intercambiador de calor (5).
  3. 3. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun reivindicacion 1 caracterizada porque la fuente de calor que comprende un receptor solar (1) incluye tambien una fuente de calor auxiliar (10) situada en paralelo al receptor solar (1).
  4. 4. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun reivindicacion 3 caracterizada porque la fuente de calor auxiliar (10) es una camara de combustion.
  5. 5. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun reivindicacion 2 caracterizada porque el ciclo Rankine de cola (15) incluye una fuente de calor que comprende un receptor solar (1’) situada entre el intercambiador de calor (5) y la turbina (11).
  6. 6. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun reivindicacion 1 caracterizada porque la planta comprende un ciclo Brayton de cola (16) que emplea como fluido de trabajo un fluido supercrltico y que comparte el recuperador primario (4) con el ciclo Brayton principal (14), siendo dicho recuperador primario (4) el elemento que conecta ambos ciclos y donde el ciclo Brayton de cola (16) comprende ademas:
    - un expansor (2”) para convertir la energla termica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) en energla mecanica,
    - un generador de corriente electrica (3”) conectado al expansor (2”) para convertir dicha energla mecanica en energla electrica,
    - un regenerador de calor (42) configurado para recibir la corriente del fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) a la salida del expansor (2”) y precalentar el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) antes de su entrada en el recuperador primario
    (4),
    - un refrigerador (7”) situado a continuacion del regenerador de calor (42)
    - un compresor (8”) dispuesto tras el refrigerador y
    - una bomba (9”) configurada para impulsar de nuevo el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) hasta el recuperador primario (4).
    5
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    15
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  7. 7. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun reivindicacion 6 caracterizada porque el ciclo Brayton de cola (16) incluye una fuente de calor que comprende un receptor solar (1”) configurada para calentar el fluido de trabajo antes de la entrada en el recuperador primario (4).
  8. 8. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun reivindicacion 2 caracterizada porque comprende el ciclo de cola Brayton (16) descrito en la reivindicacion 6.
  9. 9. - Planta solar de potencia de alta eficiencia segun reivindicacion 2, 6 o 8 caracterizada porque las fuentes de calor incluyen, ademas de un receptor solar (1, 1’, 1”) para calentar un material de almacenamiento termico, un sistema de almacenamiento termico (13, 13’, 13”) conectado con el receptor solar (1, 1, 1”) y un intercambiador de calor (12,12’,12”) conectado al sistema de almacenamiento termico (13, 13’, 13”) configurado dicho intercambiador (12,12’,12”) para calentar el fluido de trabajo de cada uno de los ciclos a partir del material de almacenamiento termico.
  10. 10. - Procedimiento de funcionamiento de la planta descrita en la reivindicacion 1 para la produccion de energla electrica, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:
    - calentamiento del fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) previamente comprimido; dicho calentamiento se produce por medio de una fuente de calor que comprende un receptor solar (1);
    - conduccion de dicho fluido de trabajo previamente calentado a un expansor (2) que convierte su energla termica en energla mecanica, la cual se transforma en energla electrica en un generador (3);
    - la corriente del fluido a la salida del expansor (2) se hace pasar por un recuperador primario de calor (4) donde el fluido pierde parte de su energla termica;
    - posteriormente, la corriente del fluido se hace pasar por el recuperador secundario de calor (6) donde pierde de nuevo parte de su energla termica, precalentando de este modo el fluido antes de su entrada en la fuente de calor,
    - el fluido se conduce tras la salida del recuperador secundario (6) al refrigerador (7), posteriormente al compresor (8) y desde el compresor (8), ya en estado llquido, el fluido se bombea hasta la fuente de calor para iniciar de nuevo el ciclo.
    5
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    20
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  11. 11. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 10, caracterizado porque:
    - la corriente del fluido a la salida del recuperador primario (4) se hace pasar por un intercambiador de calor (5) de forma que el fluido del ciclo Brayton principal (14) cede energla al fluido de trabajo de un ciclo Rankine de cola (15) que utiliza vapor seleccionado entre vapor sobrecalentado y vapor supercrltico como fluido de trabajo; -_una vez calentado el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) en el recuperador primario (4), dicho fluido es conducido hasta la turbina (11) conectada al generador para la produccion de electricidad;
    - la corriente del fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) a la salida de la turbina (11) se hace pasar por el refrigerador (7’) y desde ahl es bombeado de nuevo al generador de vapor (5).
  12. 12. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 11,
    caracterizado porque el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) se precalienta
    en el recuperador primario (4) antes de la entrada en la fuente de calor mediante el aprovechamiento del calor que pierde dicho fluido del ciclo Brayton principal (14) a la salida del expansor (2).
  13. 13. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 11,
    caracterizado porque el ciclo Rankine de cola (15) incluye una etapa adicional en la que el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) a la salida del intercambiador de calor (5) y antes de entrada en la turbina (11) se calienta en una fuente de calor que comprende un receptor solar (1’).
  14. 14. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 10,
    caracterizado porque
    - el fluido de trabajo de un ciclo Brayton de cola (16) que utiliza un fluido supercrltico (16) como fluido de trabajo se calienta en el recuperador primario (4) mediante el aprovechamiento del calor que pierde el fluido de trabajo del ciclo Bryton principal (14),
    - el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) calentado se conduce al expansor (2”) que convierte la energla termica contenida en dicho fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) en energla mecanica, la cual se transforma en energla electrica en el generador de corriente electrica (3”);
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    - la corriente del fluido del ciclo Brayton de cola (16) a la salida del expansor (2”) se hace pasar por el regenerador de calor (42) donde cede calor que es aprovechado por dicho fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) antes de entrar en el recuperador primario (4),
    - la corriente del fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) a la salida del regenerador de calor (42) se hace pasar por el refrigerador (7”) y el compresor (8”) y de ahl es bombeado hasta el recuperador primario (4).

  15. 15. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 14,
    caracterizado porque la corriente del fluido del ciclo Brayton de cola (16) se calienta en una fuente de calor que incluye un receptor solar (1”) antes de entrar en el recuperador primario (4).

  16. 16. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 11,
    caracterizado porque incluye ademas las etapas del ciclo Brayton de cola (16) descritas en la reivindicacion 14.

  17. 17. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 11,
    caracterizado porque el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) es CO2 supercrltico.

  18. 18. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 14,
    caracterizado porque el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) y el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) es CO2 supercrltico.
  19. 19. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 11,14 o 16 caracterizado porque los fluidos de trabajo de cada ciclo se calientan de forma directa en la fuente de calor haciendolos pasar por el receptor solar (1, 1’, 1”).
  20. 20. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 11,14 o 16 caracterizado porque los fluidos de trabajo de cada ciclo se calientan de forma indirecta en la fuente de calor, de forma que se hace pasar por el receptor solar (1, 1’, 1”) un material de almacenamiento termico que, una vez calentado, cede energla al fluido de trabajo del ciclo correspondiente en un intercambiador de calor (12,12’, 12”) conectados a un receptor solar (1, 1’ y 1”).
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  21. 21. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 17, caracterizado porque en el ciclo Brayton principal (14) el expansor (2) recibe el CO2 supercrltico del ciclo Brayton principal (14) a una temperatura superior a 750°C y presion superior a 200 bar; a la salida del recuperador primario (4), el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) se encuentra a una temperatura en torno a los 600°C y presion entre 20 y 60 bar; a la salida del el refrigerador (7) y antes de entrar en el compresor (8) dicho fluido se encuentra a una temperatura en torno de los 25°C y presion entre 20 y 60 bar y la presion del fluido del ciclo Brayton principal (14) a la salida de la bomba (9) es superior a 200 bar; en el ciclo Rankine de cola (15), el vapor supercrltico de dicho ciclo Rankine de cola (15) que entra en la turbina (11) tiene una temperatura de entre 600 y 900°C y presion igual o superiores a 200 bares, el vapor del ciclo Rankine de cola (15) que sale del refrigerador (7’) tiene una temperatura aproximada de 25°C y presion igual o inferior a 0,14 bar.
  22. 22. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 18,
    caracterizado porque el CO2 del ciclo Brayton de cola (16) se calienta en el
    recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C, encontrandose a una presion superior a 200 bar; a la salida del expansor (2’’), la corriente deCO2 del ciclo Brayton de cola (16) se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presion entre 20-30 bar; a la salida del refrigerador (7”) dicho fluido esta a una temperatura en torno a 25° C y presion entre 20-30 bar.
  23. 23. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 22,
    caracterizado porque el CO2 del ciclo Brayton de cola (16) se calienta antes de entrar en el recuperador primario (4) en un receptor solar (1”) hasta una temperatura en torno a los 600°C, estando a una presion superior a los 200 bar.
  24. 24. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 20
    caracterizado porque en el receptor solar (1), el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura superiores a los 750° C y presion igual o inferior a 30 bar y dicho material cede calor al CO2 supercrltico del ciclo Brayton principal (14) el cual entra en el expansor (2) a una temperatura superior a 750°C y presion superior a 200 bar; y en el ciclo Rankine de cola de vapor supercrltico (15), el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura maxima de 800° C y presion igual o inferior a 30 bar en el receptor solar (1’) para posteriormente calentar el vapor desde una temperatura superior a 550°C y
    presion superior a 200 bares hasta una temperatura maxima de 750°C y una presion superior a 200 bares que son las condiciones de entrada a la turbina (11).
  25. 25. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 18 5 caracterizado porque el CO2 del ciclo Brayton de cola (16) se calienta en el
    recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presion superior a 200 bar y se dirige a un expansor de CO2 supercritico (2’’) conectado a un generador de corriente electrica (3’’) para la produccion de electricidad; a la salida del expansor (2’’), la corriente de CO2 que se encuentra a una 10 temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presion entre 20-60 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) para calentar la corriente de entrada al recuperador primario (4); desde el regenerador de calor (42), la corriente del CO2 del ciclo Brayton de cola (16) se dirige al refrigerador (7”) donde se extrae el calor necesario hasta una temperatura en torno a 25° C y presion entre 20-60 bar; de ahl se 15 dirige al compresor (8”) y a la bomba (9”) que impulsa la corriente de CO2hasta el recuperador primario (4) pasando previamente por el regenerador de calor (42) donde se precalienta el CO2 del ciclo Brayton de cola (16).
  26. 26. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, segun reivindicacion 25 20 caracterizado porque el CO2 del ciclo Brayton de cola (16) se precalienta en el
    receptor solar (1”) hasta una temperatura en el entorno de los 600°C y una presion superior a los 200 bar antes del recuperador primario (4).
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