ES2914397T3 - Dispositivo, planta y método para el almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar - Google Patents

Abstract

Un dispositivo (100; 200; 300; 400) de almacenamiento y transferencia de energía térmica asociada a una radiación solar incidente, dispositivo (1) que comprende: una carcasa contenedora (102); un lecho (103) de partículas sólidas fluidizables recibido en el interior de dicha carcasa (102); medios de fluidización (105) configurados para introducir un gas de fluidización, preferentemente aire, en dicho lecho (103) de partículas sólidas fluidizables; una pluralidad de celdas termofotovoltaicas (104) dispuestas en o dentro de dicha carcasa (102) y configuradas para transformar la energía térmica de dichas partículas sólidas fluidizables en energía eléctrica, siendo la configuración global tal que la energía térmica se transfiere desde la radiación solar a las partículas sólidas fluidizables de dicho lecho (103) y desde dichas partículas sólidas fluidizables a dichas células termofotovoltaicas (104).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo, planta y método para el almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo, a una planta y a un método para la producción de energía eléctrica a partir del aprovechamiento de energía térmica de origen solar.

Antecedentes de la invención

El uso del potencial térmico de la energía solar, posiblemente concentrado por heliostatos, para la producción de energía eléctrica se conoce en la técnica. En particular, se describen dispositivos para el almacenamiento y la transferencia de dicha energía térmica basados en un lecho de partículas sólidas fluidizables expuestas, directa o indirectamente, a la radiación solar, por ejemplo, en los documentos WO2013/150347A1 y WO2017/021832A1 del mismo solicitante. Estas configuraciones conocidas generalmente incluyen intercambiadores de calor, p. ej. haces de tubos, atravesados por un fluido de trabajo e inmersos en el lecho de partículas, de modo que se pueda generar vapor para activar una turbina.

La tecnología anterior, basada en un lecho fluidizable de partículas, consigue una capacidad única de absorción de flujos de energía solar intensivos y variables y con una seguridad intrínseca. Al mismo tiempo, dichas soluciones alcanzan una alta difusividad térmica en el medio de almacenamiento, es decir, las partículas fluidizadas, con temperaturas de funcionamiento superiores a las que actualmente alcanzan otras tecnologías denominadas de "energía solar concentrada" (CSP).

El documento US4316048A da a conocer un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energía térmica que comprende una carcasa contenedora, un medio de almacenamiento de calor en el interior de la carcasa y células termofotovoltaicas.

Aun así, hay espacio para mejorar la eficiencia y el rendimiento de dichos sistemas, particularmente en conjunto con el coste total de producción de energía eléctrica, también en vista de la llamada "paridad de la red”.

Compendio de la invención

El problema técnico que subyace a la presente invención es, por tanto, superar los inconvenientes mencionados anteriormente con referencia a la técnica conocida al proporcionar un dispositivo para el aprovechamiento de la energía térmica de origen solar para producir energía eléctrica.

El problema mencionado anteriormente se resuelve mediante un dispositivo según la reivindicación 1 y un método según la reivindicación 13.

Las características preferidas de la invención son el objeto de las reivindicaciones dependientes.

La invención proporciona un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar basado en un medio sólido de almacenamiento que consiste en un lecho de partículas sólidas fluidizables. Dicho lecho de partículas se acopla térmicamente a celdas termofotovoltaicas (TPV) que producen de energía eléctrica.

El dispositivo de la invención permite altas eficiencias productivas, bajos costes de inversión y mantenimiento y alta seguridad operativa. En particular, el dispositivo presenta una sencillez constructiva y, según una configuración preferida, puede colocarse sobre el suelo proporcionando irradiación solar desde arriba. En esta última configuración, la irradiación desde arriba puede llevarse a cabo mediante sistemas ópticos reflectantes, por ejemplo, según la denominada configuración de "envío hacia abajo", o simplemente colocando un espejo, o un medio equivalente, a una altitud, p. ej. en pendientes naturales o en estructuras elevadas dedicadas.

Además, como se ha dicho anteriormente, la presente invención emplea la energía térmica a alta temperatura almacenada en el lecho fluidizable en combinación con tecnología termofotovoltaica (TPV), en particular células TPV, para producir electricidad a partir de radiación térmica. De esta forma, el dispositivo de lecho fluidizado recoge y almacena energía solar como calor sensible de las partículas sólidas del lecho. Este calor sensible, a su vez, se convierte directamente en electricidad, gracias a la tecnología TPV, para la generación de energía prácticamente las 24 horas del día.

Preferiblemente, los medios TPV se exponen a emisores térmicos, es decir, las partículas del lecho fluidizado, a alta temperatura, en particular > 600 °C y lo más preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 700-1000 °C.

El posicionamiento y la configuración específicos de los medios TPV dentro del dispositivo de lecho fluidizado se pueden realizar de diferentes maneras. Según una primera configuración preferida, las células TPV se sitúan sumergidas en el lecho de partículas calientes, protegidas preferentemente por capas adecuadas, o escudos, de material resistente a altas temperaturas, como paredes cerámicas o refractarias.

Según una realización preferida diferente, los medios TPV se integran en la(s) pared(es) de una carcasa que aloja el lecho de partículas o en una capa de revestimiento del mismo. En esta última configuración, la energía térmica se transmite a los medios TPV por conducción térmica a través de la(s) pared(es) de la carcasa y/o por radiación y/o convección.

Según otra configuración preferida, los medios TPV pueden alojarse en un francobordo por encima del lecho de partículas, eventualmente dentro de un techo de la carcasa que aloja dicho lecho de partículas.

Comparada con las tecnologías ya conocidas basadas en almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar, el sistema de la invención es más sencillo, menos costoso y más eficiente. En particular, ya no es necesario un sistema de generación de vapor para producir electricidad. En consecuencia, no son necesarios intercambiadores de calor sumergidos en el lecho fluidizado, circuitos de tuberías de vapor que interconectan diferentes módulos o turbinas de vapor y equipos asociados, con una simplificación significativa del sistema.

La simplificación anterior permite construir un sistema modular formado por varios dispositivos de acumulación y producción, cada uno basado en uno o más lechos fluidizados de partículas y respectivos medios TPV asociados a los mismos.

Además, también son posibles sistemas combinados, en donde intercambiadores de calor conocidos basados en un fluido de trabajo se asocian con el lecho fluidizado, en particular sumergidos en él, y explotados conjuntamente con los medios TPV.

En todas las configuraciones mencionadas anteriormente, se pueden disponer medios TPV adicionales fuera del receptor solar, por ejemplo, en un reflector secundario de un sistema de envío hacia abajo o en un precalentador del fluido de fluidización o alrededor de la abertura de la carcasa.

Además, en cualquiera de las configuraciones anteriores, se puede producir energía adicional, durante el día, mediante un sistema fotovoltaico convencional dedicado directamente expuesto a la radiación solar.

En todas las configuraciones anteriores, la energía para los componentes auxiliares del sistema, en particular para el lecho fluidizado, puede ser producida, durante el día, por los medios TPV.

La configuración de tipo poligenerativo antes mencionada, es decir, una configuración que proporciona una posible producción de energía eléctrica tanto mediante la asociación del dispositivo a una turbina como mediante medios TPV, permite maximizar la eficiencia.

En disposiciones preferidas, se utilizan medios TPV para producir electricidad e intercambiadores de calor (por ejemplo, basados en haces de tubos atravesados por un fluido de procesamiento) para producir energía térmica.

El dispositivo de la invención se puede utilizar tanto como módulo de una planta de cualquier tamaño como para las llamadas aplicaciones "independientes", p. ej. para operaciones de desalinización o al servicio de pequeños consumos térmicos, a los que puede conferir una alta eficiencia.

Otras ventajas, características y etapas de funcionamiento de la presente invención se pondrán de manifiesto en la siguiente descripción detallada de algunas realizaciones de la misma, dadas a modo de ejemplo y no con fines limitativos.

Breve descripción de las figuras

Se hará referencia a las figuras de los dibujos anexos, en donde:

- la figura 1 muestra una representación esquemática, en sección transversal longitudinal, de una primera realización de un dispositivo para almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar según la invención, en donde las células TPV se disponen sobre un techo francobordo del dispositivo, en particular según a una orientación vertical y disposición radial;

- las figuras 2A y 2B muestran una representación esquemática, según una vista en perspectiva parcialmente en sección transversal longitudinal y una vista en perspectiva completa, respectivamente, del dispositivo de la figura 1;

- la figura 3 muestra una representación esquemática, en sección transversal longitudinal, de una variante de realización de un dispositivo para el almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar según la invención, en donde las células TPV se disponen sobre un techo francobordo del dispositivo, en particular según a una orientación horizontal;

- la figura 4 muestra una representación esquemática, en sección transversal longitudinal, de otra realización de un dispositivo para el almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar según la invención, en donde las células TPV se encuentran sumergidas en un lecho fluidizable;

- la figura 5 muestra una representación esquemática, en sección transversal longitudinal, de una realización adicional de un dispositivo para el almacenamiento y transferencia de energía térmica de origen solar según la invención, en donde las células TPV se disponen en un revestimiento refractario de una carcasa que aloja un lecho fluidizable.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención

Haciendo referencia inicialmente a las Figuras 1, 2A y 2B, un dispositivo según una primera realización preferida de la invención se indica globalmente con 100. El dispositivo 100 se configura para almacenamiento y transferencia de energía térmica asociada con una radiación solar incidente.

El dispositivo 100 comprende principalmente una carcasa contenedora 102 y un lecho de partículas sólidas fluidizables, denotado por 103 y recibido en el interior de la carcasa 102.

En el presente ejemplo, la carcasa 102 tiene una geometría sustancialmente cilíndrica.

La carcasa contenedora 102 se aísla térmicamente para reducir al mínimo la dispersión de calor hacia el ambiente externo, y preferentemente se hace de metal.

La carcasa 102 puede estar totalmente cerrada con respecto al exterior, en cuyo caso la energía solar térmica se transmite al lecho de partículas 103 por conducción a través de las paredes de la carcasa. En una configuración alternativa mostrada en las figuras, la carcasa 102 puede proporcionar una o más aberturas 250 que permiten la penetración directa de la radiación solar en su interior, de manera que las partículas sólidas son irradiadas directamente de dicha radiación, sin que se interponga ningún medio de protección entre ellas.

El dispositivo 100 también incluye medios de fluidización 105 configurados para introducir un gas de fluidización, preferiblemente aire, en dicho lecho 103 de partículas sólidas fluidizables.

El gas de fluidización se alimenta dentro de la carcasa 102 al lecho 103 mediante entradas de alimentación 150 de tipo caja de aire, conocidas per se y representadas esquemáticamente en las figuras.

Preferiblemente, en dichas entradas 150 se proporciona un medio de distribución del gas de fluidización, apto para permitir una entrada uniforme del fluido y, al mismo tiempo, asegurar un soporte para el lecho 103, contribuyendo a realizar el fondo de la carcasa 102.

El lecho de partículas 103 se configura para ser movido selectivamente por dicho gas de fluidización para almacenar la energía térmica recibida de la radiación solar. La fluidización del lecho de partículas 103 asegura un intercambio de calor eficaz y uniforme.

En variantes de realizaciones, el lecho 103 puede incluir varias partes, eventualmente fluidizables una independientemente de la otra.

Preferiblemente, también se proporcionan medios para variar selectivamente la velocidad y/o el caudal del gas de fluidización. De esta forma, es posible ajustar el grado de intercambio y transferencia de calor. En particular, al cambiar la velocidad del gas de fluidización a través del lecho de partículas 103 es posible controlar y modificar el coeficiente de intercambio térmico global entre el lecho fluidizado y la superficie de intercambio, con la consiguiente flexibilidad en el ajuste de la cantidad de energía térmica transferida.

La elección del material para las partículas del lecho 103 privilegia la mala aptitud para la abrasión y la fragmentación, en respuesta a la necesidad de minimizar el fenómeno de elución de partículas de lecho para limitar la producción y transporte de finos en el aire de fluidización, particularmente para aquellas configuraciones que permiten una carcasa "abierta" 102. Basándose en estas consideraciones, una configuración preferida favorece el uso, para partículas de lecho, de material granular inerte a la oxidación, como, por ejemplo, carburo de silicio o cuarzo. Preferiblemente, las partículas tienen una forma regular, preferiblemente esférica. Preferentemente, las partículas tienen un tamaño del orden de 50 a 500 micras (dimensión o diámetro mayor), y de forma que dicho tamaño sea preferentemente nativo, es decir, que no resulte de la agregación de partículas más pequeñas.

Según la invención, el dispositivo 100 comprende una pluralidad de células termofotovoltaicas (TPV), cada una de las cuales se indica con 104 y se configura para transformar la energía térmica de dichas partículas sólidas fluidizables en energía eléctrica.

En la presente realización, dichas células TPV se disponen en un techo de francobordo 110 de la carcasa 102. En particular, las células TPV 104 se disponen en grupos, estando cada grupo montado sobre un soporte común 140. De esta manera, se obtienen módulos termofotovoltaicos, cada uno formado por un soporte 140 y por las células TPV asociadas 104. En el ejemplo considerado, cada soporte 140 se fija en una parte terminal del mismo al techo 110 y sobresale en el interior de la carcasa 102. En esta configuración, las células TPV pueden estar en contacto con las partículas, o bañadas por estas, del lecho 103.

Preferentemente, cada soporte 140 se extiende según una dirección principal de desarrollo, en particular una dirección longitudinal L en el presente ejemplo, que, siempre según la realización representada, es una dirección sustancialmente vertical.

Como se ha mencionado anteriormente, la configuración general es tal que la energía térmica se transfiere desde la radiación solar a las partículas del lecho 103 y desde dichas partículas sólidas fluidizables a las celdas TPV 104. En configuraciones alternativas, la radiación solar también puede incidir directamente sobre las celdas TPV o un subgrupo de las mismas.

El dispositivo 100 también puede incluir medios de intercambio de calor 106, preferiblemente uno o más haces de tubos, atravesados, en uso, por un fluido de trabajo, y dispuestos dentro de dicha carcasa 102 para ser sumergidos por dicho lecho 103, o bañadas por este, de partículas sólidas fluidizables.

Típicamente, los haces de tuberías 106 son parte de un circuito de intercambio de calor adecuado para producir vapor a expandir en una turbina o para otros usos industriales térmicos, como la desalinización. En particular, como se ha dicho anteriormente, el fluido de trabajo es preferentemente agua en estado líquido que recibe energía térmica para convertirse en vapor sobrecalentado. Dicho vapor sobrecalentado, en condiciones predeterminadas y seleccionadas de temperatura y presión, puede ser utilizado entonces para producir energía eléctrica al expandirse en la turbina asociada a un generador de energía eléctrica.

El dispositivo 100 también puede comprender células TPV adicionales o módulos 114 expuestos directamente a la radiación solar.

Tales celdas o módulos TPV adicionales 114 pueden disponerse fuera de la carcasa 102, donde están presentes áreas de alta temperatura, como alrededor de la abertura de carcasa o en un reflector de radiación solar y/o en un precalentador de gas de fluidización.

Las figuras 3 a 5 se refieren a realizaciones preferidas adicionales del dispositivo de la invención, que difieren de la primera realización descrita anteriormente únicamente en la posición de las células TPV. En consecuencia, dichas realizaciones adicionales se describirán únicamente junto con dicha diferencia y los mismos números ya introducidos se utilizarán generalmente para indicar partes iguales, correspondientes o similares.

En el dispositivo de la figura 3, globalmente denotado por 200, las celdas TPV 104 de dicha pluralidad se asocian a soportes 140 análogos a los ya introducidos. En este caso, los soportes 140 se disponen con una dirección principal de desarrollo, en particular una dirección transversal T, que, siempre según la realización representada, es una dirección sustancialmente horizontal.

En el dispositivo de la Figura 4, designado globalmente por 300, las celdas TPV 104 de dicha pluralidad se sumergen, al menos en parte, dentro de dicho lecho 103 de partículas sólidas fluidizables.

En el dispositivo de la figura 5, globalmente indicado por 400, las celdas TPV 104 de dicha pluralidad se alojan, al menos en parte, dentro de un revestimiento refractario 402 de dicha carcasa 102, preferentemente en un faldón lateral de la misma.

El dispositivo descrito anteriormente según varias realizaciones y variantes de la invención puede ser de tipo autónomo o configurarse como parte de una planta de producción de energía eléctrica, que comprende uno o más de tales dispositivos. En una realización preferida, la planta tiene una configuración denominada "envío hacia abajo", en donde dichos dispositivos son irradiados desde arriba por la radiación solar.

La planta puede incluir medios de captación de radiación solar, en particular uno o varios heliostatos y/o uno o varios reflectores.

La producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar por medio de dicho dispositivo y/o planta prevé exponer el lecho 103 de partículas sólidas fluidizables, directa o indirectamente, a la radiación solar para almacenar energía térmica. El método de producción de energía proporciona el uso de dicha pluralidad de células termofotovoltaicas 104, dispuestas sumergidas en dicho lecho 103 o en las proximidades del mismo. Como se ha dicho anteriormente, la disposición general es tal que la energía térmica se transfiere desde la radiación solar a las partículas sólidas fluidizables de dicho lecho 103 y desde dichas partículas sólidas fluidizables a dichas células termofotovoltaicas 104, transformando estas últimas la energía térmica de dichas partículas sólidas fluidizables en energía eléctrica.

En dicho método, una etapa de almacenar energía térmica recibida de la radiación solar por dicho lecho 103 y una etapa de transferir la energía térmica almacenada en dicha etapa de almacenamiento a dichas células termofotovoltaicas 104 pueden activarse uno independientemente del otro. En particular, la etapa de almacenamiento se puede activar durante el día y la etapa de transferencia durante el día y/o la noche.

La presente invención se ha descrito aquí con referencia a sus realizaciones preferidas. Se entiende que pueden existir otras realizaciones, todas dentro del alcance de la misma invención, tal como se define en el objeto de las presentes reivindicaciones en adelante.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo (100; 200; 300; 400) de almacenamiento y transferencia de energía térmica asociada a una radiación solar incidente, dispositivo (1) que comprende:

■ una carcasa contenedora (102);

■ un lecho (103) de partículas sólidas fluidizables recibido en el interior de dicha carcasa (102);

■ medios de fluidización (105) configurados para introducir un gas de fluidización, preferentemente aire, en dicho lecho (103) de partículas sólidas fluidizables;

■ una pluralidad de celdas termofotovoltaicas (104) dispuestas en o dentro de dicha carcasa (102) y configuradas para transformar la energía térmica de dichas partículas sólidas fluidizables en energía eléctrica,

siendo la configuración global tal que la energía térmica se transfiere desde la radiación solar a las partículas sólidas fluidizables de dicho lecho (103) y desde dichas partículas sólidas fluidizables a dichas células termofotovoltaicas (104).

2. El dispositivo (100; 200) según la reivindicación 1, en donde las células termofotovoltaicas (104) de dicha pluralidad se alojan, al menos en parte, en un techo francobordo (110) de dicha carcasa (102).

3. El dispositivo (400) según la reivindicación 1 o 2, en donde las células termofotovoltaicas (104) de dicha pluralidad se alojan, al menos en parte, en el interior de un revestimiento refractario (402) de dicha carcasa (102), preferentemente en un faldón lateral de dicha carcasa (102).

4. El dispositivo (300) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las células termofotovoltaicas (104) de dicha pluralidad se sumergen, al menos en parte, dentro de dicho lecho (103) de partículas sólidas fluidizables.

5. El dispositivo (100; 200; 300; 400) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las células termofotovoltaicas (104) de dicha pluralidad se disponen en grupos, compartiendo cada grupo un soporte común (140), y en donde cada soporte se extiende según una dirección principal de desarrollo, siendo esta última una dirección sustancialmente vertical o sustancialmente horizontal.

6. El dispositivo (100; 200; 300; 400) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para variar selectivamente la velocidad y/o el caudal del gas de fluidización.

7. El dispositivo (100; 200; 300; 400) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios adicionales de intercambio de calor (106), preferiblemente uno o más haces de tuberías, atravesados, en uso, por un fluido de trabajo, y dispuestos dentro de dicho carcasa (102) para ser sumergido en dicho lecho (103), o bañados por este, de partículas sólidas fluidizables.

8. El dispositivo (100; 200; 300; 400) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha carcasa (102) tiene una abertura de irradiación (250) configurada para permitir la entrada de la radiación solar, abertura (250) que pone en contacto directo la comunicación de un compartimento interno de dicha carcasa (102) con el entorno externo estando desprovisto, en uso, de medios de cierre o pantalla, estando dispuesta dicha abertura (250) preferentemente en una pared superior de dicha carcasa (102), de modo que dicho lecho de partículas sólidas fluidizables (103), o una parte de las mismas, se expone directamente, en uso, a la radiación solar que ingresa por dicha abertura (250).

9. El dispositivo (100; 200; 300; 400) según la reivindicación anterior, en donde dichas células termofotovoltaicas (104), o una parte de las mismas, se exponen directamente a la radiación solar.

10. Una planta de producción de energía eléctrica, que comprende uno o más dispositivos (100; 200; 300; 400) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores y medios de captación de radiación solar que definen, conjuntamente con dicho(s) dispositivo(s), una configuración de irradiación que hace a la radiación solar converger desde arriba.

11. La planta de producción de energía eléctrica según la reivindicación anterior, que incluye una configuración de "envío hacia abajo" en donde dichos uno o más dispositivos (100; 200; 300; 400) son irradiados desde arriba por la radiación solar.

12. La planta de producción de energía eléctrica según la reivindicación 10 u 11, que se configura para proporcionar energía eléctrica obtenida directamente de las celdas termofotovoltaicas (104) de dicha pluralidad y de celdas fotovoltaicas adicionales (114) directamente expuestas a la radiación solar.

13. Un método para la producción de energía eléctrica a partir de la radiación solar, método que proporciona exponer un lecho (103) de partículas sólidas fluidizables, directa o indirectamente, a la radiación solar para almacenar energía térmica y probar una pluralidad de celdas termofotovoltaicas (104) dispuesto sumergido en dicho lecho (103) de partículas sólidas fluidizables o en las proximidades del mismo, siendo la disposición global tal que se transfiere energía térmica desde la radiación solar a las partículas sólidas fluidizables de dicho lecho (103) y desde dichas partículas sólidas fluidizables a dichas celdas termofotovoltaicas (104), transformando estas últimas la energía térmica de dichas partículas sólidas fluidizables en energía eléctrica, en donde las partículas sólidas de dicho lecho (103) son fluidizadas según una etapa de fluidización que puede activarse en condiciones de operación seleccionadas.

14. El método según la reivindicación anterior, que proporciona una etapa de almacenar energía térmica recibida de la radiación solar por dicho lecho (103) de partículas sólidas fluidizables y una etapa de transferir la energía térmica almacenada en dicha etapa de almacenamiento a dichas celdas termofotovoltaicas (104), en donde dicha etapa de almacenamiento y dicha etapa de transferencia se activan uno independientemente del otro, preferentemente el primero durante el día y el otro durante el día y/o la noche.

15. El método según la reivindicación 13 o 14, que proporciona un ajuste selectivo de la velocidad y/o el caudal del gas de fluidización.

16. El método según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, que emplea un dispositivo o planta según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.