ES2966702T3 - Receptor de calor para energía solar concentrada urbana - Google Patents
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Abstract
Se proporciona una energía solar concentrada urbana para montar en un tejado. La energía solar concentrada urbana tiene un receptor de calor que tiene un conducto no circular que distingue una zona aislada con una capa aislante en la superficie exterior del conducto no circular y una zona no aislada. El conducto no circular contiene un fluido caloportador que puede alcanzar temperaturas de al menos 500 grados Celsius. Un cilindro-parabólico con una apertura inferior a 2 metros concentra la luz solar en la zona no aislada del conducto no circular del receptor de calor. El receptor de calor se puede colocar en un tubo de vidrio. Gracias al montaje en el tejado, la electricidad se puede generar cerca del usuario y, como resultado, reducir la congestión de la red. El diseño del receptor de calor de bajo coste hará que la electricidad generada por CSP urbana sea competitiva con la electricidad procedente de plantas de combustibles fósiles y la energía fotovoltaica combinada con almacenamiento en baterías de iones de litio. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Receptor de calor para energía solar concentrada urbana
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a energía solar concentrada. Más particularmente, la invención se refiere a concentradores parabólicos que calientan un fluido caloportador en un receptor de calor y están diseñados para montarse en techos.
Antecedentes de la invención
Con el cambio de la energía fósil a la energía sostenible hay una demanda de energía sostenible generada en las proximidades del usuario. Además, debido a las grandes cantidades de energía sostenible intermitente, existe además una demanda creciente para almacenar dicha energía sostenible.
La Energía Solar de Concentración (CSP, por sus siglas en inglés) es una tecnología en la que la luz solar se concentra en un receptor de calor. Una de las tecnologías CSP es un concentrador parabólico que concentra la luz solar en un receptor de calor. El receptor de calor es un conducto metálico que contiene un Fluido Caloportador (HTF, por sus siglas en inglés), generalmente estos conductos se encapsulan y se evacuan en un tubo cilíndrico de vidrio. Ejemplos del HTF son agua para crear vapor u otro medio tal como aceite sintético o sal fundida para crear vapor en una etapa posterior.
Es deseable calentar el HTF a una alta temperatura de aproximadamente 550 grados Celsius para posibilitar una alta eficiencia de Carnot del ciclo de Rankine. El almacenamiento de este HTF a alta temperatura se conoce como Almacenamiento de Energía Térmica (TES, por sus siglas en inglés).
Los concentradores parabólicos actuales tienen una abertura de aproximadamente 6 metros y se colocan en campos soleados, como fuera de las áreas urbanas. Un ejemplo es la planta de CSP de Archimede en Sicilia que calienta sal fundida a 550 grados Celsius con concentradores con aberturas de 5.9 metros. En las áreas urbanas, sin embargo, no hay lugar para instalar concentradores en conjuntos ordenados y estos concentradores son demasiado grandes para ponerlos en techos. Por lo tanto, para posibilitar la instalación de concentradores parabólicos en áreas urbanas, es necesario reducir la abertura de aproximadamente 6 metros a aproximadamente 1 metro. Este tamaño es lo suficientemente pequeño como para evitar altas cargas estáticas y cargas dinámicas del viento en los techos. Sin embargo, debido a una irradiación concentrada mínima requerida en el receptor de calor, el diámetro interior hidráulico del receptor de calor disminuye a aproximadamente 2-9 mm. Como resultado, la potencia requerida para bombear el HTF a través del receptor de calor es de aproximadamente un 907000-953 % de la salida eléctrica de la planta de CSP para un diámetro interior hidráulico del receptor de calor que varía respectivamente entre 2-9 mm. Un ejemplo de concentradores parabólicos de abertura pequeña es la planta de CSP de 2 MW construida por Sopogy en Hawái con aberturas de 1.35 m. El receptor de calor circular de Sopogy tiene una temperatura máxima de funcionamiento de HTF de 287 grados Celsius. Debido a esta baja temperatura es difícil generar los 2 MW deseados y proporcionar TES.
La presente invención aborda estos desafíos y avanza en la técnica para posibilitar una generación de HTF a alta temperatura (aproximadamente 550 grados Celsius) de concentradores parabólicos a pequeña escala (aproximadamente 1 metro de abertura).
El documento US 2013/192226 se refiere a un elemento tubular absorbente de calor parcialmente encerrado en una capa o camisa aislante, que tiene una superficie absorbente a la que puede acceder la radiación solar. El aislamiento térmico está diseñado para facilitar la entrada a la radiación solar por medio de una cavidad. La superficie absorbente puede ser sustancialmente plana.
El documento WO 2015/089273 se refiere a un elemento absorbente de calor parcialmente encerrado en una capa o camisa aislante, que tiene una superficie absorbente a la que puede acceder la radiación solar. El aislamiento térmico está diseñado para facilitar la entrada a la radiación solar por medio de una cavidad.
El documento FR 2497328 se refiere a un colector que consiste en un plato reflector que gira alrededor de un eje de acuerdo con el ángulo del sol. Un absorbedor se coloca sobre soportes, en el punto focal del plato, y consiste en un intercambiador de calor en forma de una camisa de agua muy delgada con un refuerzo aislante, y vidriado en la superficie frontal. Una sonda de temperatura se instala entre el absorbedor y el vidriado y se conecta al cilindro de funcionamiento del plato. El fluido en la sonda de temperatura se expande cuando se calienta y hace girar el plato en etapas en una dirección de este a oeste. A medida que el plato se mueve, la sonda se enfría y detiene el plato hasta que el sol se mueve alrededor para recalentar la sonda.
Compendio de la invención
Se proporciona una energía solar concentrada urbana para su montaje en un techo. La energía solar concentrada urbana tiene un receptor de calor que tiene un conducto no circular que distingue una zona aislada con una capa de aislamiento en la superficie exterior del conducto no circular y una zona no aislada.
El conducto no circular contiene un fluido caloportador que puede alcanzar temperaturas de al menos 550 grados Celsius. Un concentrador parabólico con una abertura de menos de 2 metros concentra la luz solar sobre la zona no aislada del conducto no circular del receptor de calor. El receptor de calor está colocado en un tubo de vidrio que contiene un vacío, estando el receptor de calor colocado dentro del vacío del tubo de vidrio, una bomba de vacío está en conexión con el tubo de vidrio, extrayendo o reextrayendo la bomba de vacío el vacío dentro del tubo de vidrio, un acoplamiento con una junta tórica intermedia sostiene un extremo del tubo de vidrio, una pantalla térmica está cerca de la junta tórica intermedia y colocada circunferencialmente alrededor del receptor de calor y dentro del tubo de vidrio.
El conducto no circular puede tener diversas formas, especialmente formas que se ajusten a la restricción técnica para lograr el rendimiento de la energía solar concentrada urbana. Estas formas están definidas en la realización principal por el conducto no circular que tiene un área de conducto irradiada versus un área de conducto total que varía de un 5 % a un 30 %. El área de conducto se define como el perímetro del conducto multiplicado por la longitud del conducto. En una realización, el conducto no circular tiene un diámetro interior de 31 mm.
Algunas realizaciones de la invención ofrecen la posibilidad de calentar sal fundida a 550 grados Celsius en áreas urbanas con concentradores parabólicos pequeños. El Almacenamiento de Energía Térmica (TES) proporciona una solución de almacenamiento competitiva a aproximadamente 15 $/kWh en relación con las baterías de iones de litio (aproximadamente 100 $/kWh). Debido al montaje en el techo, la electricidad puede generarse en las proximidades del usuario y como resultado disminuir la congestión neta. El diseño del receptor de calor de bajo coste hará que la electricidad generada por la CSP urbana sea competitiva con la electricidad de las plantas de combustibles fósiles y la EF combinada con almacenamiento en baterías de iones de litio.
Breve descripción de los dibujos
LaFigura 1muestra una sección transversal de una disposición de concentrador parabólico según el estado actual de la técnica.
LasFiguras 2A-Bmuestran un receptor de calor según el estado actual de la técnica (opción 1).
LasFiguras 3A-Bmuestran, según realizaciones ejemplares de la invención, un receptor de calor con un conducto rectangular en el que una zona alrededor de una esquina es donde se concentra la irradiación (opción 2).
LasFiguras 4A-Cmuestran, según realizaciones ejemplares de la invención, un receptor de calor con un conducto circular con un triángulo en la parte inferior donde se concentra la irradiación (opción 3).
LasFiguras 5A-Cmuestran, según realizaciones ejemplares de la invención, un receptor de calor con un conducto rectangular en el que una zona plana del conducto es donde se concentra la irradiación (opción 4).
LaFigura 6muestra, según realizaciones ejemplares de la invención, secciones transversales de una disposición de receptor.
LasFiguras 7A-Cmuestran, según realizaciones ejemplares de la invención, diferentes configuraciones de pantalla térmica.
LaFigura 8muestra las relaciones de concentración máxima de luz solar en un receptor con diferentes formas de receptor. El principio es el mismo que el de una lupa, cuanto más pequeño es el punto focal, es decir, cuanto mayor es la relación de concentración, más fácil es hacer un fuego, es decir: obtener altas temperaturas de sal fundida.
Descripción detallada
LaFigura 1muestra una sección transversal de una disposición de concentrador parabólico según el estado actual de la técnica. La luz solar102entra en la abertura del concentrador parabólico101, que concentra la luz solar en el ángulo 9<r>, hasta la parte inferior del conducto104con el diámetro interior hidráulico D<h>, que contiene el fluido caloportador (HTF). El aislamiento103en la parte superior del tubo evita pérdidas de calor excesivas.
LaFigura 2Amuestra laopción 1que muestra, según el estado actual de la técnica, un receptor de calor en el que el diámetro exterior del conducto 104 es 1.4 cm y el diámetro hidráulico (Dh) es 10 mm. Con una abertura de reflector de 1.35 m, la relación de concentración es (1350 mm / 0,5 x n x 14 mm =) 61. Otra versión del estado de la técnica es donde el conducto105está encapsulado concéntricamente en un cilindro106de vidrio (Figura 2B).
LaFigura 3Amuestra laopción 2, en la que el conducto rectangular107pertenece a una realización de la invención, tiene un aislamiento108y enfoca la irradiación solar en el receptor de calor. Sin embargo, en laopción 2, el conducto tiene un diámetro hidráulico (Dh) más grande para disminuir la caída de presión del flujo de HTF a través del conducto rectangular. Los ángulos de este conducto rectangular pueden tener esquinas redondas y, aunque el rectángulo esté dibujado como un cuadrado, no tiene por qué ser un cuadrado, siempre que la parte inferior irradiada (no aislada) sea un triángulo. El receptor de calor completo también puede colocarse en un tubo110de vidrio (Figura 3B). El aislamiento108también puede tener una capa exterior adicional, como una lámina de aluminio, para minimizar la radiación.
LaFigura 4Amuestra laopción 3. El conducto113es circular (u ovalado), pero tiene un triángulo en la parte inferior sobre el que se concentra la irradiación. En la parte no irradiada se coloca un aislamiento114y tanto el conducto113como el aislamiento114pueden colocarse en un tubo concéntrico115de vidrio. Otra versión de esta opción es el conducto117,117Ben el que el triángulo está aplanado en la parte inferior (Figura 4BoFigura 4C). El aislamiento114también puede tener una capa exterior adicional, como una lámina de aluminio, para minimizar la radiación.
LaFigura 5Amuestra laopción 4y es otra versión de la invención. El conducto rectangular119tiene un fondo plano sobre el que se concentra la irradiación. En la parte no irradiada se puede añadir un aislamiento120, como un papel de fibra (Figura 5B) para minimizar la radiación de la superficie aislada. Esta capa aislante120también se puede cubrir con una capa adicional, como una lámina de aluminio, para minimizar la radiación. Una tercera alternativa de la opción 4 es la pantalla térmica121que cubre el conducto rectangular para minimizar la radiación (Figura 5C). Todas las alternativas de la opción 4 pueden encapsularse concéntricamente en un cilindro118de vidrio.
Las consecuencias en términos de potencia y temperatura entre laopción 1, laopción 2, laopción 3y laopción 4se muestran en laTABLA 1para una planta de energía solar concentrada con un concentrador de 1.35 metros de ancho de abertura, 8000 metros de longitud, flujo de masa de sal fundida de 2.5 kg/s, velocidad del viento ambiente de 3.6 m/s y una irradiancia normal directa de 950 W/m2 para generar 1000 kW de electricidad. Algunas realizaciones de la invención posibilitan la generación de altas temperaturas de 500 grados Celsius de HTF o superiores con concentradores parabólicos a pequeña escala por debajo de 2 metros de abertura para colocarlos en techos. Lasopciones 2y4tienen una temperatura máxima de HTF de 772 grados Celsius con la caída de presión más baja. Por lo tanto, la eficiencia global del sistema CSP de estas opciones será la más alta.
La pérdida de potencia debida a la caída de presión se calcula mediante la ecuación 1:
Ppérdida, caída de presión — ApVEcuación 1
Donde Ap es la caída de presión dada por la ecuación de Darcy-Weissbach yV esel flujo volumétrico. Laradiaciónes el flujo de calor dominante desde el conducto hasta el diámetro interior del vidrio con una presión anular de Imbar en el cilindro de vidrio.
TABLA 1: Pérdidas de potencia para cinco tipos diferentes de receptores de calor y sus opciones relacionadas, con relaciones de concentración máxima (Figura 8), reflectores de 1.35 m de abertura para generar 1000 kW, emisividad de pintura absorbente de 0.50 (@T=550 grados Celsius) sobre parte irradiada y aluminio pulido de 0.15 (@T=550 grados Celsius) sobre parte aislada del conducto.
Para una planta de CSP con concentradores parabólicos de alrededor de 1.35 metros de anchura de abertura -y otras aberturas por debajo de 2.0 metros- es esencial que las pérdidas debidas al bombeo del HTF a través del receptor de calor se mantengan en un mínimo y en el intervalo de un 0-5 % de la potencia generada. Sólo lasopciones 2, 3y4son capaces de generar HTF a altas temperaturas en concentradores de pequeña abertura con una eficiencia de planta de CSP global positiva. La caída de presión de laopción 1puede reducirse al 3 % de la potencia generada aumentando el diámetro interior hidráulico también a 31 mm. Sin embargo, esto disminuirá la THTF,máx a 499 grados Celsius. Se requerirá un tiempo infinito para calentar la sal fundida a 499 grados Celsius y es imposible alcanzar los 550 grados Celsius requeridos.
En una conexión en serie de 8000 m de receptores de calor se requiere un diámetro interior hidráulico mínimo de alrededor de 30 mm para garantizar que la potencia para superar la caída de presión esté en ~ un 2 % de la potencia generada. En una conexión en paralelo de 10 conexiones en serie de receptores de calor de 800 m, el diámetro interior hidráulico mínimo es de 8 mm para maximizar la caída de presión al 2 %. Por lo tanto, laopción 1posibilitaría un HTF a alta temperatura con una caída de presión aceptable en una disposición en paralelo de receptores de calor. Sin embargo, el segundo momento de inercia de laopción 1con 8 mm de diámetro interior hidráulico es alrededor de 4 veces más pequeño que lasopciones 2, 3y4. Como consecuencia, el conducto metálico se deformará y la luz solar concentrada desde el concentrador parabólico101de laFigura 1errará (parcialmente) el conducto. Para asegurar un conducto rígido y una baja caída de presión, el diámetro interior hidráulico debería ser de 15 mm o más.
Las opciones descritas en lasFiguras 3A, 3B y 4Atienen un punto irradiado a una temperatura significativamente más alta como la parte aislada superior del conducto. Debido a esta falta de homogeneidad de temperatura, podría ser difícil minimizar la deformación del conducto. Sin embargo, este efecto podría minimizarse a través de una transferencia de calor optimizada, mediante un material de conducto de alta conductancia, un conducto delgado, un flujo de sal fundida turbulento, o una combinación de los mismos.
LaFigura 6muestra una sección transversal de una disposición de receptor (opciones 2y4), donde610indica el conducto receptor de acero que incluye la conversión en el extremo de un conducto rectangular a un tubo circular.620es el tubo circular de vidrio,630indica la junta para minimizar las pérdidas de calor y asegurar el sellado al vacío,640es el acoplamiento para fijar el receptor a una estructura de suelo o el reflector,650es una junta tórica de caucho entre el vidrio620y el acoplamiento640. En el acoplamiento final660, la junta tórica650tiene otra función, a saber, el sellado al vacío. El acoplamiento final660está montado a través de pernos670en el extremo del conducto610y puede moverse en dirección longitudinal, a lo largo del tubo620de vidrio, para capturar la expansión térmica del conducto. Como resultado, la convección interna puede minimizarse sin soldadura de vidrio-metal. Cabe señalar que las soldaduras de vidrio-metal son soluciones caras para receptores de calor.
Para minimizar las pérdidas de calor por convección se crea un vacío en el anillo de vidrio. En la técnica, una soldadura de vidrio-metal asegura un vacío durante toda la vida útil del receptor. Incorpora además un fuelle que captura las diferentes expansiones térmicas del vidrio y el metal. El inventor sugiere un vacío activo que asegure un vacío desde el amanecer hasta el atardecer. Al menos una conexión de vacío está montada en el acoplamiento final660para la conexión a una bomba de vacío. En laFigura 6se muestran dos conexiones: una para una bomba de vacío y la otra para un manómetro. Antes del comienzo de cada día, la bomba de vacío extrae el vacío en el anillo de vidrio.
Para proteger las juntas tóricas650de las altas temperaturas (550 grados Celsius) del conducto610, se pueden añadir una o varias pantallas térmicas en diferentes formas. En lasFiguras 7A-C, se muestran tres opciones de una configuración de pantalla térmica a través de una sección transversal del acoplamiento final660. A través de estas pantallas térmicas se puede conseguir un enfriamiento de 400 grados Celsius a lo largo de una distancia de 2 cm para evitar la fusión de la junta tórica650de caucho.
LaFigura 7muestra tres realizaciones de una pantalla térmica. En laopción 1se añade una pantalla térmica circular720para reducir la radiación, y en laopción 2se añade otra pantalla térmica circular730. Laopción 3es otra forma de la pantalla térmica y, como ejemplo, se ilustra una pantalla térmica acanalada710.
LaFigura 8muestra tres formas de conducto diferentes, irradiadas en cuatro métodos, y muestra además la relación de concentración máxima a ángulos 9 r dados. El primer ejemplo es un cilindro810completamente irradiado830, que tiene una relación de concentración máxima de 69 en un ángulo 9<r>de ataque (Figura 1) de 90 grados y un flujo de calor máximo de 69 kW/m2. El segundo ejemplo es un cilindro810parcialmente irradiado840, que tiene una relación de concentración máxima de 83 en un ángulo de ataque de 70 grados y un flujo de calor máximo de 83 kW/m2. Un ejemplo de esta derivación se da en la Ecuación 2:
Ecuación 2
Donde 0<s>es la mitad del tamaño angular del sol a 0.26 grados. Derivar Cg para 9<r>proporcionará la relación de concentración máxima Cg = 83 en el ángulo 9<r>de ataque de 70 grados a través de la Ecuación 3:
Ecuación 3
El tercer ejemplo es un conducto cuadrado820, que se irradia sobre la parte inferior850y tiene una relación de concentración solar máxima de 108 en un ángulo de ataque de 45 grados y un flujo de calor máximo de 108 kW/m2. El cuarto ejemplo es un conducto cuadrado820que se irradia en una esquina860y tiene una relación de concentración solar máxima de 108 en un ángulo de ataque de 90 grados y un flujo de calor máximo de 108 kW/m2.
Claims (9)
1. Una energía solar concentrada urbana para su montaje en un techo, que comprende:
(a) un receptor de calor que tiene un conducto no circular (107, 119) que distingue una zona aislada con una capa (108, 120) de aislamiento en la superficie exterior del conducto no circular y una zona no aislada, en donde el conducto no circular contiene un fluido caloportador, en donde el conducto no circular tiene un área de conducto irradiada versus un área de conducto total de un 5 % a un 30 %, en donde el área de conducto total se define como un perímetro del conducto no circular multiplicado por una longitud del conducto no circular; (b) un tubo (620) de vidrio que contiene un vacío, en donde el receptor de calor está colocado dentro del vacío del tubo de vidrio;
(c) una bomba de vacío en conexión con el tubo (620) de vidrio, en donde la bomba de vacío extrae o reextrae el vacío dentro del tubo (620) de vidrio;
(d) un acoplamiento (640) con una junta tórica intermedia (650) que sostiene un extremo del tubo (620) de vidrio;
(e) una pantalla térmica (710, 720, 730) cerca de la junta tórica intermedia (640) y colocada circunferencialmente alrededor del receptor de calor y dentro del tubo (620) de vidrio; y
(f) un concentrador parabólico (101) para concentrar la luz solar sobre la zona no aislada del conducto no circular del receptor de calor.
2. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el concentrador parabólico (101) tiene una abertura de menos de 2 metros.
3. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el fluido caloportador alcanza temperaturas de al menos 500 grados Celsius.
4. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el conducto no circular comprende una forma cuadrada, en donde un lado plano de la forma cuadrada es la zona no aislada.
5. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el conducto no circular comprende una forma cuadrada, en donde una zona de esquina de la forma cuadrada es la zona no aislada.
6. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el conducto no circular tiene una parte circular con una forma triangular como la zona no aislada.
7. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el conducto no circular tiene una parte circular o una parte ovalada con un lado plano como la zona no aislada.
8. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el conducto no circular comprende una forma rectangular donde un lado plano de la forma rectangular es la zona no aislada.
9. La energía solar concentrada urbana como se expone en la reivindicación 1, en donde el conducto no circular tiene un diámetro interior hidráulico de al menos 15 mm.
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