ITMS20100005A1

ITMS20100005A1 - ELIOASSISTED THERMOELECTRIC POWER STATION

Info

Publication number: ITMS20100005A1
Application number: IT000005A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Spazzafumo
Original assignee: Technical Partners S A S Di Natalia Kozlova & C
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2011-12-26

Description

dell'invenzione industriale avente per titolo: of the industrial invention entitled:

“Centrale termoelettrica elioassistita” "Helio-assisted thermoelectric plant"

La presente invenzione concerne la generazione di energia elettrica mediante l'impiego combinato di combustibili ed energia solare concentrata. The present invention relates to the generation of electrical energy through the combined use of fuels and concentrated solar energy.

Stato dell'arte State of the art

Le grandi centrali solari sfruttano la radiazione solare concentrandola mediante specchi produrre vapore e da qui energia elettrica e possono essere del tipo a torre con ricevitore centrale e campo di eliostati oppure a specchi parabolici indipendenti ognuno coi proprio ricevitore o, infine, a specchi lineari con ricevitore tubolare. Nel caso in cui ci siano più ricevitori il fluido termovettore (olio diatermico, sale fuso, ....) viene raccolto, dopo essersi riscaldato, in un unico collettore. Da qui, o dal ricevitore centrale nel caso di centrale a torre, il fluido, a meno che non si tratti già di vapore, viene inviato ad imo scambiatore nel quale un secondo fluido viene fatto evaporare e viene surriscaldato. Il vapore va poi ad espandere in una turbina a vapore per generare lavoro meccanico che viene poi convertito in energia elettrica mediante un alternatore. Il vapore scaricato dalla turbina è, in genere, inviato ad un condensatore a miscelazione alimentato da una torre evaporativa a secco. Questo schema comporta rendimenti bassi e fortemente influenzati dalla variabilità della radiazione solare. Solitamente la strada percorsa per eliminare l'influenza di tale variabilità è quella di inserire nella centrale un accumulo di calore, cioè dimensionare la centrale in modo tale che, nelle condi surplus che viene accumulato per essere riutilizzato in caso di deficit. Large solar power plants exploit solar radiation by concentrating it by means of mirrors to produce steam and hence electricity and can be of the tower type with central receiver and field of heliostats or with independent parabolic mirrors each with its own receiver or, finally, with linear mirrors with receiver. tubular. If there are several receivers, the heat transfer fluid (diathermic oil, molten salt, ...) is collected, after being heated, in a single collector. From here, or from the central receiver in the case of a tower power plant, the fluid, unless it is already steam, is sent to an exchanger in which a second fluid is evaporated and is superheated. The steam then expands in a steam turbine to generate mechanical work which is then converted into electrical energy by an alternator. The steam discharged from the turbine is generally sent to a mixing condenser fed by a dry evaporative tower. This scheme involves low yields and strongly influenced by the variability of solar radiation. Usually the way taken to eliminate the influence of this variability is to insert a heat accumulation in the plant, that is, to size the plant in such a way that, in the condi surplus that is accumulated to be reused in the event of a deficit.

Rispetto agli impianti precedenti, basati su accumulo diretto di vapore o accumulo di calore mediante sali fusi con olio diatermico come fluido termovettore, gli ultimi progetti prevedono t'impiego di sali fusi direttamente come fluido intermedio, oltre che come mezzo di accumulo del calme, in quanto consente temperature di esercizio più elevate e, quindi, maggior efficienza di conversione. Compared to previous systems, based on direct accumulation of steam or accumulation of heat by means of molten salts with diathermic oil as a heat transfer fluid, the latest projects involve the use of molten salts directly as an intermediate fluid, as well as as a means of accumulating calm, in as it allows for higher operating temperatures and, therefore, greater conversion efficiency.

La tecnologia dei sali fusi, come detto, consente di aumentare la temperatura di funzionamento del sistema e, parimenti, quella del calore accumulato. Tuttavia c'è il problema del manteni mento dello stato liquido all'interno del collettore durante le ore di assenza di insolazione, problema che impone la continua circolazione del sale fuso, a scapito del calore accumulato eppure, qualora tale calore sia insufficiente, mediante riscaldamento con relativo consumo di snergia elettrica o di combustibile. Le centrali solari a sali fusi attualmente in fase di studio e di realizzazione richiedono che il fluido termovettore operi, approssimativamente, a temperature comprese tra 295 °C e 550 °C ed occorre garantire che il livello minimo sia rispettato anche durante la notte. The molten salt technology, as mentioned, allows to increase the operating temperature of the system and, likewise, that of the accumulated heat. However, there is the problem of maintaining the liquid state inside the collector during the hours of absence of insolation, a problem that requires the continuous circulation of the molten salt, to the detriment of the accumulated heat and yet, if this heat is insufficient, by heating with relative consumption of electricity or fuel. The molten salt solar power plants currently under study and construction require the heat transfer fluid to operate, approximately, at temperatures between 295 ° C and 550 ° C and it must be ensured that the minimum level is also respected during the night.

Ovviamente l'intervallo di temperatura varia al variare del sale prescelto: in generale, più è levato il livello di temperatura raggiungibile e più è elevata la temperatura di solidificazione ì quindi da un lato migliora il rendimento del ciclo termodinamico, mentre dall'altro aumenta il consumo di energia per la conservazione dei sali allo stato fuso durante i periodi di insoiadone nulla o scarsa. Obviously, the temperature range varies as the chosen salt varies: in general, the higher the achievable temperature level, the higher the solidification temperature, therefore on the one hand the efficiency of the thermodynamic cycle improves, while on the other the thermodynamic cycle efficiency increases. energy consumption for the conservation of salts in the molten state during periods of zero or low insoiadone.

[n ogni caso è necessario prevedere un sistema di riscaldamento di emergenza che garantisca Ìa non solidificazione del sale, evento che causerebbe il blocco del sistema senza possibilità di recupero. [In any case, it is necessary to provide an emergency heating system that guarantees non-solidification of the salt, an event that would cause the system to block without the possibility of recovery.

solare per riscaldare aria compressa da far espandere in turbina a gas. L'aria calda potrebbe essere fatta espandere tal quale oppure impiegata come aria comburente in un bruciatore alimentato con combustibile fossile o di origine biologica. In un tale sistema, al variare del radiazione solare disponibile, variando la portata di combustibile è possibile mantenere le variazioni di temperatura e di portata dei prodotti di combustione in un intervallo abbastanza ristretto intorno alle condizioni di progetto. In tal modo il sistema risulta praticamente insensibile alle variazioni della radiazione solare, pur non essendo dotato di un accumulo dell'energia termica. L'impianto di generazione elettrica potrebbe essere costituito da semplice unità turbogas oppure da un più efficiente impianto combinato. solar to heat compressed air to be expanded in the gas turbine. The hot air could be expanded as it is or used as combustion air in a burner fueled with fossil or biological fuel. In such a system, as the available solar radiation varies, by varying the fuel flow rate it is possible to keep the temperature and flow rate variations of the combustion products within a fairly narrow range around the design conditions. In this way the system is practically insensitive to variations in solar radiation, even though it is not equipped with an accumulation of thermal energy. The electricity generation plant could consist of a simple gas turbine unit or a more efficient combined plant.

Purtroppo i ricevitori solari ad aria attualmente disponibili sono di taglia piuttosto modesta e, pertanto, inadatti ad applicazioni di grande potenza. Un esempio è il Volumetrie Solar Ree ei ver progettato presso il DLR (Deutsches Zentrum fìir Luft- und Raumfahrt e. V. in der Helmholtz-Gemeinschafì) che però è disponibile solo per potenze di alcune centinaia di kW. Nella Tavola 1 è rappresentato un semplice schema realizzabile con tale ricevitore solare (3). Un flusso di aria (1) viene elaborato da un compressore (2) ed inviato al ricevitore solare (3) per essere riscaldato fino a temperature di 800-1000 °C. A questo punto l'aria potrebbe anche essere espansa direttamente in turbina (6), ma è anche possibile innalzare ulteriormente la temperatura utilizzando l'aria come comburente all'interno di una camera di combustione (5) alimentata con un flusso di combustibile (4). Il flusso (7) uscente dalla turbina possiede ancora un significativo contenuto termico ad una temperatura interessante: inserendo uno scambiatore di calore (8) si può, quindi, abbassare la temperatura dei fumi (10) trasferendo il calore ad un altro fluido (9) per un impiego di tipo termico. Unfortunately, the solar air receivers currently available are rather modest in size and, therefore, unsuitable for high power applications. An example is the Volumetrie Solar Ree ei ver designed at the DLR (Deutsches Zentrum fìir Luft- und Raumfahrt e. V. in der Helmholtz-Gemeinschafì) which, however, is only available for powers of a few hundred kW. Table 1 shows a simple diagram that can be created with this solar receiver (3). An air flow (1) is processed by a compressor (2) and sent to the solar receiver (3) to be heated up to temperatures of 800-1000 ° C. At this point the air could also be expanded directly into the turbine (6), but it is also possible to further raise the temperature by using the air as comburent inside a combustion chamber (5) fed with a flow of fuel (4 ). The flow (7) leaving the turbine still has a significant thermal content at an interesting temperature: by inserting a heat exchanger (8) it is therefore possible to lower the temperature of the fumes (10) by transferring the heat to another fluid (9) for thermal use.

Descrizione deirinvenzione Description of the invention

nei sistemi eliotermoelettrici più avanzati e di grande potenza è superiore alle temperature di fine compressione tipiche di un turbogas e pertanto è pensabile anche per le grandi potenze un accoppiamento tra cicli turbogas e/o cicli combinati e sistemi solari a concentrazione. in the most advanced and high-power heliothermic systems it is higher than the end-compression temperatures typical of a turbogas and therefore a coupling between turbogas cycles and / or combined cycles and concentrating solar systems is also conceivable for large powers.

Nella Tavola 2 è rappresentato un semplice schema assai simile al precedente, ma adatto a centrali di maggior potenza. In questo caso il ricevitore solare (12) si trova all'interno di un circuito chiuso che interagisce col sistema turbogas attraverso imo scambiatore di calore (3). Il fluido termovettore è un sale (o un metallo) allo stato fuso che viene fatto circolare mediante una pompa (11). Tale fluido si riscalda, quindi, nell'attraversamento del ricevitene solare (12) e si raffredda nell'attraversamento dello scambiatore di calore (3) restando comunque sempre ad una temperatura superiore a quella di solidificazione. Anche in questo, caso si ha un flusso di aria (1) che viene elaborato da un compressore (2). Tale aria viene quindi inviata allo scambiatore di calore (3) per essere riscaldata fino ad una temperatura che dipende dalle caratteristiche del fluido termovettore impiegato. Sebbene anche in questo caso l'aria potrebbe essere espansa direttamente in turbina (6), con i fluidi termovettori attualmente disponibili la temperatura dell'aria non supererebbe i 600 °C ed è quindi preferibile innalzare ulteriormente la temperatura utilizzando l'aria come comburente aU’intemo di una camera di combustione (S) alimentata con un flusso di combustibile (4). Come nel caso precedentemente descritto, il flusso (7) uscente dalla turbina possiede ancora un significativo contenuto termico ad una temperatura interessante: inserendo uno scambiatore di calore (8) si può, quindi, abbassare la temperatura dei fumi (10) trasferendo il calore ad un altro fluido (9) che, in questo caso, essendo le potenze in gioco più elevate, può anche essere vapore da impiegare in un impianto sottoposto a ciclo Him per la produzione di altra energia elettrica. Table 2 shows a simple scheme very similar to the previous one, but suitable for higher power plants. In this case the solar receiver (12) is located inside a closed circuit which interacts with the turbogas system through a heat exchanger (3). The heat transfer fluid is a molten salt (or metal) which is circulated by means of a pump (11). This fluid therefore heats up as it passes through the solar receiver (12) and cools as it passes through the heat exchanger (3), always remaining at a temperature above the solidification temperature. Also in this case, there is a flow of air (1) which is processed by a compressor (2). This air is then sent to the heat exchanger (3) to be heated up to a temperature which depends on the characteristics of the heat transfer fluid used. Although also in this case the air could be expanded directly in the turbine (6), with the heat transfer fluids currently available the air temperature would not exceed 600 ° C and it is therefore preferable to further raise the temperature using the air as comburent. inside a combustion chamber (S) fed with a flow of fuel (4). As in the case previously described, the flow (7) leaving the turbine still has a significant thermal content at an interesting temperature: by inserting a heat exchanger (8) it is therefore possible to lower the temperature of the fumes (10) by transferring the heat to another fluid (9) which, in this case, since the powers involved are higher, can also be steam to be used in a plant subjected to the Him cycle for the production of other electrical energy.

Urla differenza importante rispetto alle centrali eliotermoelettriche a sali o metalli fusi è che non è alcun sistema di accumulo del calore. ciò comporta una notevole economia m quanto non solo non è necessario il serbatoio di accumulo, ma non è neppure necessario sovradimensionare il campo solare. Fino a che la temperatura del fluido termovettore resta superiore a quella dell'aria a fine compressione, si ha un flusso di calore dal campo e verso rimpianto turbo gas, mentre quando la temperatura del fluido termovettore diviene inferiore a quella dell'aria a fine compressione, si ha un flusso di calore inverso che protegge il fluido termovettore dal rischio di solidificazione. Complessivamente, a parte le perdite di calore connesse alla circolazione del fluido termovettore in condizioni di assenza di radiazione solare, tutta l'energia captata viene trasferita all'aria senza bisogno di accumulo. La variabilità di temperatura delTaria all'uscita dello scambiatore di calore (3) non comporta alcun inconveniente poiché la temperatura del gas all'ingresso della turbina dipende dal processo di combustione e quindi dalla portata di combustibile. The screaming important difference from salt or molten metal heliothermal power plants is that there is no heat storage system. this implies a considerable economy but not only is the storage tank not necessary, but it is also not necessary to oversize the solar field. As long as the temperature of the heat transfer fluid remains higher than that of the air at the end of compression, there is a flow of heat from the field and towards the turbo gas system, while when the temperature of the heat transfer fluid becomes lower than that of the air at the end of compression. , there is a reverse heat flow which protects the heat transfer fluid from the risk of solidification. Overall, apart from the heat losses associated with the circulation of the heat transfer fluid in conditions of absence of solar radiation, all the captured energy is transferred to the air without the need for accumulation. The temperature variability of the air at the outlet of the heat exchanger (3) does not entail any inconvenience since the temperature of the gas at the turbine inlet depends on the combustion process and therefore on the fuel flow.

I componenti del sistema possono essere quelli già impiegati nelle centrali termoelettriche a ciclo combinato e nelle centrali eliotermoelettriche più avanzate. L'innovazione consiste appunto nel particolare accoppiamento indicato tra queste due tipologie di centrali. The components of the system may be those already used in combined cycle thermoelectric power plants and in the most advanced heliothermal power plants. The innovation consists precisely in the particular coupling indicated between these two types of central units.

Gli schemi rappresentati e descritti sono solo degli esempi ai quali, senza peraltro uscire dall'ambito della presente invenzione, possono essere apportate diverse ovvie variazioni che qui è mutile ed impossibile elencare in modo esaustivo. The diagrams shown and described are only examples to which, without however departing from the scope of the present invention, various obvious variations can be made which are mutile and impossible to list exhaustively here.

Vantaggi della presente innovazione rispetto alle tecniche attuali Advantages of the present innovation over current techniques

Rispetto alle centrali termoelettriche e/o cogenerative attuali alimentate con combustibili, rinnovazione in oggetto presenta il vantaggio di un minor consumo di combustibile e di un minor impatto ambientale grazie al l'apporto della radiazione solare. Compared to current thermoelectric and / or cogeneration plants powered by fuels, this renewal has the advantage of lower fuel consumption and lower environmental impact thanks to the contribution of solar radiation.

Rispetto alle piccole unità che già integrano ricevitori solari ad aria in un ciclo turbogas, l'iimovazione in oggetto presenta il vantaggio di permettere l'applicazione di tale integrazione a centrali di potenza maggiore e di permettere, pertanto, la realizzazione di cicli combinati e, quindi, Γ ottenimento di rendimenti più elevati. Compared to small units that already integrate solar air receivers in a turbogas cycle, the iimovazione in question has the advantage of allowing the application of this integration to higher power plants and therefore allowing the realization of combined cycles and, therefore, Γ obtaining higher returns.

Infine, rispetto alle tecnologie solari esistenti, l'innovazione in oggetto presenta i se vantaggi: Finally, compared to existing solar technologies, the innovation in question has its advantages:

• insensibilità alla variazione della radiazione solare anche in assenza di un sistema di accumulo del calme; • insensitivity to the variation of solar radiation even in the absence of a calm accumulation system;

• flessibilità net dimensionamento del campo solare rispetto alla taglia complessiva dell'impianto; • flexibility in the sizing of the solar field with respect to the overall size of the system;

incremento del rendimento di conversione della radiazione solare grazie all'inserimento in un ciclo combinato e/o cogenerativo; increase in the conversion efficiency of solar radiation thanks to the inclusion in a combined and / or cogeneration cycle;

riduzione delle dimensioni o completa eliminazione dell'accumulo con conseguente riduzione del costo capitale. size reduction or complete elimination of the accumulation with consequent reduction of the capital cost.

Claims

CLAIMS of the industrial invention entitled: "Helio-assisted thermoelectric plant" 1) Energy conversion system characterized by two separate circuits: the first circuit is that of a concentrating solar system in which a molten salt circulates as a heat transfer fluid, while the second circuit is that of a gas turbine system in which the chamber combustion is replaced by a heat exchanger. The two circuits are interfaced by means of this heat exchanger placed, in the first circuit, downstream of the solar receiver and, in the second circuit, between the air compressor and the turbine.

2) System as in the preceding claim in which a molten metal is used instead of the molten salt.

3) System according to the preceding claims in which, in the second circuit, a combustion chamber fed with the air coming from the heat exchanger and with a combustible is introduced between the heat exchanger and the turbine.

4) System as per the preceding claims in which the gases leaving the turbine are sent to a heat exchanger that feeds or a plant subjected to the production of further electricity or a thermal user.

5) System as per the previous claims in which the solar plant is equipped with a heat storage.