MX2012006905A - Planta de energia solar con turbina de gas integrada. - Google Patents

Planta de energia solar con turbina de gas integrada.

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Abstract

La planta híbrida de energía solar comprende un primer circuito que incluye un primer medio de flujo y un segundo circuito que incluye un segundo medio de flujo; el primer circuito incluye por lo menos un colector solar para transferir calor solar recolectado al primer medio de flujo; el primer circuito comprende por lo menos un intercambiador de calor de primer fluido/segundo fluido para intercambiar el calor del primer medio de flujo en el primer circuito al segundo medio de flujo en el segundo circuito; el segundo circuito es preferiblemente un circuito de agua/vapor; el segundo circuito comprende por lo menos una turbina de vapor para generar electricidad a partir del vapor; el primer circuito comprende además una fuente de calor para generar un flujo de gas de calentamiento; la fuente de calor sirve de energía auxiliar; un intercambiador de calor de gas/primer fluido está provisto transferir calor del flujo de gas de calentamiento al primer medio de flujo en el primer circuito.

Description

PLANTA DE ENERGÍA SOLAR CON TURBINA DE GAS INTEGRADA MEMORIA DESCRIPTIVA La invención se refiere a una planta de energía solar, en particular una planta híbrida de energía solar. La planta de energía solar comprende un primer circuito para un primer medio de flujo y un segundo circuito para un segundo medio de flujo. Generalmente, el primer circuito es un circuito de fluido transferencia de calor (HTF), en el cual el primer medio de flujo de HTF es un medio de flujo como un aceite térmico. El segundo circuito es generalmente un circuito de agua/vapor, en el cual el segundo medio de flujo comprende un medio de flujo de agua/vapor.
En la práctica, tal planta de energía solar es conocida. La figura 1 de esta solicitud muestra en una vista esquemática tal planta de energía solar convencional. La configuración mostrada de la planta de energía solar es una configuración aceptada práctica que se construye en una pluralidad de ubicaciones en el mundo. La planta de energía solar tiene un primer y un segundo circuito que están térmicamente acoplados. El primer circuito es un circuito para un fluido para transferencia de calor solar, un HTF solar. El segundo circuito es un circuito para una mezcla de agua y vapor.
El primer circuito comprende una bomba para hacer circular el medio de flujo de HTF en el circuito de HTF. Además, el primer circuito comprende un campo solar que incluye por lo menos un colector solar para transferir energía solar al medio de flujo de HTF. El medio de flujo de HTF en el circuito de HTF es calentado por la energía solar recibida. Normalmente, el primer medio de flujo es un aceite que es calentado por el colector solar a una temperatura alta a lo mucho de 400°C. Se debe tener cuidado para evitar que la temperatura del medio de flujo exceda arriba de esta temperatura máxima de aproximadamente 400°C. Arriba de esta temperatura el medio aceitoso de flujo de HTF puede deteriorarse rápidamente.
La energía caliente del medio de flujo de HTF es transferida al segundo medio de flujo por intercambiadores de calor. El segundo circuito comprende una bomba para hacer circular el segundo medio de flujo, una fuente de alimentación para suministrar agua, un economizador, un evaporador, un sobrecalentador, un recalentador y una turbina de vapor para generar energía eléctrica del vapor. La turbina de vapor tiene nueve secciones, de manera que el vapor que va pasando se expanda y se enfríe gradualmente.
Un inconveniente de la conocida planta de energía solar es la disponibilidad baja. La disponibilidad de la planta de energía solar es dependiente de muchos aspectos. Un punto importante es que la energía solar está disponible solamente en pleno día y es influida por el estado del tiempo. No se genera energía durante la noche y se genera menos energía durante un día nublado. Típicamente, la eficiencia total de la conocida planta de energía solar es de aproximadamente el 35%.
El documento EP 2,037,192 da a conocer un primer circuito de vapor que comprende una turbina de vapor y una turbina de gas. El calor que se origina en la turbina de gas se utiliza en una caldera de recuperación de calor residual para calentar una mezcla de agua/vapor que circula en el primer circuito de vapor. Está provista una primera tubería de suministro de vapor para suministrar vapor de la caldera de recuperación de calor residual a la turbina de vapor. Una segunda tubería de suministro de vapor es ramificada de la primera tubería de suministro de vapor para obtener un acoplamiento térmico para transferir calor de un segundo circuito dispuesto por separado al primer circuito de vapor.
El segundo circuito incluye varias zonas colectoras de calor. Las zonas colectoras de calor están dispuestas en paralelo y un fluido de transferencia de calor es hecho circular porcuna bomba. El segundo circuito comprende además un dispositivo intercambiador de calor para transferir calor del segundo circuito a la mezcla de agua/vapor en la segunda tubería de suministro de vapor del primer circuito.
Un inconveniente de la configuración dada a conocer es que la eficiencia de la configuración total no es satisfactoria.
El documento DE 101 44841 da a conocer un circuito de vapor inclusive un campo solar. El circuito de vapor comprende una turbina de gas. La turbina de gas tiene un conducto de gas para guiar un flujo de gas de calentamiento a lo largo de varios intercambiadores de calor del circuito de vapor. El conducto de gas se subdivide en un primer y un segundo canal de gas. El flujo del gas de calentamiento se distribuye sobre el primero y el segundo canales de gas. El circuito de vapor tiene un conducto de suministro de agua que se ramifica para suministrar agua a través de cada canal de gas. El primero y el segundo canales de gas están provistos en cada caso respectivamente de tres intercambiadores de calor, cada uno de los cuales funciona como economizador, evaporador y sobrecalentador. El primer canal del gas incluye un campo solar como evaporador.
Un primer inconveniente del circuito de vapor que se da a conocer es que está provisto solamente de un circuito que incluye una mezcla de agua/vapor. Se suministra la mezcla de agua/vapor al campo solar, lo cual tendrá como resultado una eficiencia reducida. Un inconveniente adicional a esta configuración conocida es que el conducto de gas subdividido presenta problemas estructurales para construir y operar el conducto de gas. Además, la configuración incluye dobles intercambiadores de calor presentados, lo cual aumenta los costos para construir la instalación.
El documento DE 196.51.645 da a conocer una configuración que presenta una combinación de un circuito de gas y un circuito de vapor. El circuito de gas incluye un campo solar para precalentar el gas suministrado. El gas precalentado se suministra subsiguientemente a una turbina de gas para generar electricidad.
El circuito de vapor comprende una turbina de vapor. Se suministra un flujo de vapor a la turbina de vapor para generar electricidad. El circuito de vapor está acoplado térmicamente al circuito de gas mediante un ¡ntercambiador de calor para transferir calor residual que se origina en la turbina de gas al flujo de vapor en el circuito de vapor.
Un primer inconveniente de la configuración dada a conocer es que la eficiencia no es satisfactoria. Un inconveniente adicional es que una operación de la turbina de gas es siempre necesaria para generar electricidad. El campo solar está dispuesto para precalentar un flujo de gas, en el cual se mezcla subsiguientemente un combustible. No se da a conocer cómo producir energía puramente solar sin la necesidad de una turbina de gas que consuma combustible.
Es un objeto de la presente invención eliminar por lo menos parcialmente el inconveniente mencionado anteriormente y/o proveer una alternativa utilizable. En particular, es un objeto de la invención proveer medidas que aumenten la disponibilidad de una planta de energía solar. Más en en particular, es un objeto de proveer por lo menos una medida ventajosa para la configuración práctica y aceptada de la planta de energía solar tal como se muestra en figura 1. En particular el objetivo de la invención es proveer una planta de energía solar que pueda producir electricidad de energía puramente solar sin emisiones de C02 cuando haya suficiente energía solar disponible durante la luz del día.
De acuerdo con la invención, se logra este objetivo mediante una planta de energía solar de acuerdo con la reivindicación 1.
La planta de energía solar de acuerdo con la invención es una planta híbrida de energía solar, lo cual significa que aparte de la fuente de energía solar está disponible una fuente de energía auxiliar. La fuente de energía auxiliar puede es por ejemplo una turbina de gas. La planta de energía solar comprende un primer circuito que incluye un primer medio de flujo y un segundo circuito que incluye un segundo medio de flujo.
Preferiblemente, el primer medio de flujo es un fluido de transferencia de calor (HTF), en particular un fluido de transferencia de calor solar tal como un aceite térmico. El HTF solar puede ser óptimamente adecuado para transferir calor de la radiación solar recibida. El primer circuito comprende una bomba para hacer circular el primer medio de flujo en el primer circuito. Además, el primer circuito incluye por lo menos un colector solar, preferiblemente un campo solar de colectores solares, para transferir calor solar recolectado al primer medio de flujo. El primer circuito comprende por lo menos un intercambiador de calor de primer fluido/segundo fluido para intercambiar el calor del primer medio de flujo en el primer circuito al segundo medio de flujo en el segundo circuito. En este caso, el primero y el segundo circuitos están acoplados térmicamente.
El segundo circuito es preferiblemente un circuito de agua/vapor. El segundo circuito comprende una fuente de alimentación y una bomba para hacer circular el segundo medio de flujo en el segundo circuito. El segundo circuito comprende además por lo menos una turbina de vapor para generar electricidad a partir del vapor.
La planta de energía solar de acuerdo con la invención está mejorada en el sentido de que el primer circuito comprende además una fuente de calor para generar un flujo de gas de calentamiento. La fuente de calor sirve de fuente de energía auxiliar y le da carácter híbrido a la planta de energía solar. Un conducto de gas está dispuesto para guiar el flujo del gas de calentamiento que se origina en la fuente de calor. Un intercambiador de calor de gas/primer fluido, en particular un intercambiador de calor de gas/HTF, está previsto para transferir calor del flujo del gas de calentamiento al primer medio de flujo, en particular al medio de flujo de HTF, en el primer circuito. El intercambiador de calor de gas/primer fluido se extiende por lo menos parcialmente en el conducto de gas, en donde el gas de calentamiento pasa por el intercambiador de calor de gas/primer fluido. En operación, el primer medio de flujo pasa a través del conducto de gas, de manera que el primer medio de flujo sea calentado directamente por el gas de calentamiento. En el lugar de una planta de energía solar que tiene solamente una transferencia de calor de un medio de flujo de HTF a una transferencia del calor de la mezcla de agua/vapor, esta transferencia directa de calor del gas de calentamiento al medio de flujo de HTF puede aumentar ventajosamente la eficiencia de la planta híbrida de energía solar de acuerdo con la invención. En algunas condiciones atmosféricas del verano la planta de energía solar tiene que compensar enormes caídas de carga en el campo solar del 90% al 25% en un hora solamente. En particular, esta transferencia directa de calor del gas de calentamiento al primer medio de flujo puede mejorar una capacidad de la planta de energía solar para compensar rápidamente la transferencia reducida de calor en el campo solar. A pesar de una capacidad de calentamiento fluctuante del campo solar, la presencia del intercambiador de calor de gas/primer fluido de acuerdo con la invención puede proveer una operación continua de la planta de energía solar.
Adicionalmente, la solución presentada se puede integrar fácilmente en una planta de energía solar ya construida que tenga una configuración como la mostrada en la figura 1.
Ventajosamente, la presencia de la fuente de calor permite una operación híbrida de la planta de energía solar. Preferiblemente, la fuente de calor es una turbina de gas. En este caso, se puede operar la planta de energía solar tanto con energía solar como con la fuente de energía auxiliar. Debido a la presencia de la fuente de energía auxiliar, la planta de energía solar es menos dependiente de la energía solar solamente, lo cual puede tener como resultado una disponibilidad aumentada. El día y la noche o tiempo nublado pueden tener menos influencia en la disponibilidad final lograda.
Ventajosamente, el intercambiador de calor de gas/primer fluido está provisto en el primer circuito que transfiere calor del gas de calentamiento al primer medio de flujo en el primer circuito. El intercambiador de calor de gas/primer fluido puede estar dispuesto en comunicación de fluidos con el colector solar. El intercambiador de calor puede estar dispuesto en serie con los colectores solares en el campo solar. Un primer medio de flujo en el primer circuito que pasa por el colector solar puede ser calentado aún más por el intercambiador de calor de gas/primer fluido. Esto puede tener como resultado una configuración sencilla relativa de la planta de energía solar. La fuente de calor y el intercambiador de calor pueden estar integrados de manera sencilla que permita una capacidad de control conveniente.
Puede ser una ventaja importante que durante la luz del día y las condiciones atmosféricas que provean energía solar suficiente, la planta de energía solar pueda operar puramente a base de energía solar. La operación puede estar libre de emisiones de CO2. La operación con cero emisiones de la planta de energía solar puede ser no contaminante. Durante condiciones menos favorables, se puede utilizar la fuente de calor para compensar una reducción de energía solar. En este caso, la planta de energía solar es flexible en su operación y puede generar electricidad de manera confiable y no contaminante.
En una modalidad particular de la planta de energía solar de acuerdo con la invención, el intercambiador de calor de gas/primer fluido es un intercambiador de calor de gas/HTF que transfiere el calor del gas de calentamiento a un fluido de transferencia de calor (HTF) en el primer circuito, un circuito de HTF. Ventajosamente, se puede lograr una eficiencia alta para transferir el calor del gas de calentamiento al fluido de transferencia de calor.
En una modalidad de acuerdo con la invención, se puede utilizar un fluido de transferencia de calor solar, en particular aceitoso, en el primer circuito. Se puede calentar tal medio de flujo de HTF a lo mucho a 400°C para evitar el deterioro prematuro. La temperatura del medio de flujo de HTF no puede exceder 400°C a causa del deterioro no deseado del fluido a temperaturas más altas.
En una modalidad de la planta de energía solar de acuerdo con la invención, la fuente de calor es una turbina de gas. La turbina de gas puede tener ventajosamente una eficiencia alta para transferir combustibles de origen fósil a electricidad y gases de calentamiento que pueden tener ventajosamente una contribución positiva a la eficiencia total de la planta de energía solar. La turbina de gas puede producir durante la operación normal un gas de calentamiento de escape que tenga una temperatura de aproximadamente 600°C en la salida de la turbina de gas.
En una modalidad de la planta de energía solar de acuerdo con la invención, por lo menos un intercambiador de calor que incluya por lo menos una sección de transferencia de calor puede estar dispuesto en el conducto de gas corriente arriba del flujo de gas del intercambiador de calor de gas/HTF. Durante la operación, en esta modalidad, un gas de calentamiento de escape de la fuente de calor, pasa en primer lugar por la sección de transferencia de calor y pasa subsiguientemente por el intercambiador de calor de HTF. La sección de transferencia de calor está dispuesta preferiblemente en el segundo circuito. La sección de transferencia de calor puede estar en comunicación de fluidos con la turbina de vapor del segundo circuito. Antes de llegar al intercambiador de calor de HTF, el gas de calentamiento se enfriará al pasar por la sección de transferencia de calor. El calor de los gases de calentamiento que pasan se pueden transferir al segundo medio de flujo del segundo circuito. Esto puede calentar el segundo medio de flujo hasta una temperatura de aproximadamente 600°C que puede ser una temperatura de entrada para la turbina de vapor. Ventajosamente, el calor del gas de calentamiento enfriado se puede utilizar para generar electricidad finalmente. La presencia de la sección de transferencia de calor además del intercambiador de calor de gas/HTF puede permitir un calentamiento gradual del segundo medio de flujo. Se puede calentar el segundo medio de flujo a una temperatura de aproximadamente 400°C mediante una transferencia de calor del primer circuito y subsiguientemente en un siguiente paso a una temperatura de aproximadamente 600°C por transferencia de calor de los gases de calentamiento al segundo circuito. La turbina de vapor puede estar configurada para procesar el vapor en una temperatura de entrada a lo mucho de 600°C, en particular a lo mucho de 565°C. En este caso, las turbinas de vapor pueden operar ventajosamente a la temperatura relativamente alta de aproximadamente 600°C que puede aumentar la eficiencia total de la operación de la planta de energía solar.
Ventajosamente, la configuración de la planta de energía solar permite todavía una operación puramente a base de energía solar. En una operación solar pura, la temperatura del segundo medio de flujo permanecerá a aproximadamente 400X. La operación solar pura puede estar libre de emisiones de CO2 que contribuyan a la reducción del efecto global de invernadero.
En una modalidad de la planta de energía solar de acuerdo con la invención, por lo menos dos secciones de transferencia de calor definen un sobrecalentador y un recalentador. El sobrecalentador puede estar situado en el segundo circuito para calentar el segundo medio de flujo, en particular vapor, en un primer caso de una temperatura de aproximadamente 400°C hasta aproximadamente 600°C. Subsiguientemente, se puede suministrar el segundo medio de flujo sobrecalentado a la turbina de vapor. Después de pasar por lo menos por una sección de la turbina de vapor, el segundo medio de flujo puede ser recalentado en un segundo caso por el recalentador. Se puede conducir el segundo medio de flujo después de dos secciones por ejemplo de la turbina de vapor al recalentador. Finalmente, se puede conducir el segundo medio de flujo al recalentador a través de un intercambiador de calor del primer circuito. Después de pasar por el recalentador, se puede conducir el segundo medio de flujo de vuelta a la turbina de vapor para pasar por las secciones restantes de la turbina de vapor. El calentamiento gradual del segundo medio de flujo por el sobrecalentador y el recalentador ventajosamente puede aumentar además la eficiencia total de la planta de energía solar.
En una modalidad de la planta de energía solar de acuerdo con la invención, el sobrecalentador comprende por lo menos dos secciones de sobrecalentador que están situadas en el conducto de gas. Además, el recalentador puede comprender por lo menos dos secciones de recalentador que están situadas en el conducto de gas. Las secciones de sobrecalentador y de recalentador pueden estar situadas alternadamente corriente abajo del flujo de gas de calentamiento en el conducto de gas. Preferiblemente, una sección de sobrecalentador está posicionada muy corriente arriba del flujo de gas. Por lo menos una sección de recalentador en el conducto de gas puede estar dispuesta en medio dos secciones de sobrecalentador. Esta configuración permite, ventajosamente, una transferencia mejorada adicional de calor de los gases de calentamiento al segundo medio de flujo.
En una modalidad de la planta de energía solar de acuerdo con la invención, la planta de energía solar está provista además por lo menos de un conducto de desviación para desviar por lo menos un intercambiador de calor del segundo circuito. El intercambiador de calor del segundo circuito está posicionado por lo menos parcialmente en el conducto de gas para transferir el calor del gas de calentamiento al segundo medio de flujo y tiene un conducto de suministro y descarga de intercambiador de calor. Una válvula del intercambiador de calor está provista para abrir o cerrar el conducto de suministro y descarga de intercambiador de calor en dependencia de una ganancia del campo solar y la operación correspondiente de la fuente de calor. El conducto de desviación está provisto de una válvula de desviación para abrir o cerrar el conducto de desviación durante la operación. La presencia del conducto de desviación permite una operación mejorada de la planta de energía solar sin utilizar la fuente de calentamiento. Se puede cerrar y desviar el intercambiador de calor para evitar el enfriamiento no deseado del segundo medio de flujo. Ventajosamente, se puede mejorar aún más la eficiencia de una operación solar pura de la planta de energía solar de acuerdo con la invención mediante la presencia por lo menos de un conducto de desviación.
Otras modalidades preferidas están definidas en las reivindicaciones dependientes.
Además, la invención se refiere a un método como el que se define en la reivindicación 14. Se utiliza una planta híbrida de la energía solar para generar electricidad. La planta de energía solar incluye una turbina de vapor, por lo menos un colector solar y una fuente auxiliar de calor. El método comprende los pasos de hacer circular un primer medio de flujo en un primer circuito que comprende el colector solar; hacer circular un segundo medio de flujo en un segundo circuito que comprende la turbina de vapor; y transferir calor del primer medio de flujo al segundo medio de flujo en el segundo circuito por lo menos por parte de un intercambiador de calor que provea una conexión térmica entre el primero y el segundo circuito.
El método de acuerdo con la invención está caracterizado porque el método comprende además un paso de transferir calor al primer medio de flujo en el primer circuito selectivamente mediante uno o ambos pasos de transferir calor solar recolectado por el colector solar al primer medio de flujo en el primer circuito y transferir calor de un gas de calentamiento que se origina en una fuente de calor al primer medio de flujo en el primer circuito mediante un intercambiador de calor de gas/primer fluido.
La planta de energía solar que se utiliza provee una operación opcional para ambos pasos en combinación o selectivamente uno de los pasos. Durante la luz del día, la operación para la generación de electricidad puede basarse puramente en el calor solar recolectado. Durante condiciones nocturnas o atmosféricas sin o casi sin radiación solar disponible, la operación puede basarse puramente en una fuente auxiliar activada de calor. La combinación de ambos pasos está disponible también en el método de acuerdo con la invención y puede seleccionarse durante condiciones crepusculares o atmosféricas con radiación solar insuficiente.
Otras modalidades preferidas están definidas en las reivindicaciones dependientes.
Se explicará la invención con más detalle con referencia a los dibujos anexos. Los dibujos muestran una modalidad práctica de acuerdo con la invención, los cuales no deben interpretarse como limitativos del alcance de la invención. Se pueden considerar también las características específicas aparte de la modalidad mostrados y se pueden tener en cuenta en un contexto más amplio como una característica que delimita, no solamente para la modalidad mostrada sino como una característica común para todas las modalidades que figuran dentro del alcance de las reivindicaciones anexas, en las cuales: la figura 1 muestra una vista esquemática de una planta de energía solar que tiene un primer y un segundo circuitos como los que se conocen en la técnica anterior; la figura 2 muestra en una vista esquemática una planta de energía solar de acuerdo con la invención, en donde la planta de energía solar comprende un intercambiador de calor de gas/HTF; la figura 3 muestra en una vista esquemática la planta de energía solar de la figura 2 que está extendida aún más con unidades de intercambio de calor en el segundo circuito; la figura 4 muestra en una vista esquemática la planta de energía solar de la figura 3 que está extendida aún más con conductos de desviación para desviar las unidades de intercambio de calor en el segundo circuito; La figura 1 muestra en una vista esquemática una planta convencional de energía solar 1. La configuración mostrada de la planta de energía solar es una configuración aceptada práctica que se construye en una pluralidad de ubicaciones en el mundo. La planta de energía solar 1 comprende un circuito de fluido de transferencia de calor (HTF) 2 como primer circuito y un circuito de agua/vapor 3 como segundo circuito que incluye un segundo medio de flujo que es una mezcla de agua/vapor. El circuito de HTF 2 está representado a mano izquierda de la figura 1 y está conectado térmicamente al circuito de agua/vapor 3. El circuito de HTF 2 comprende por lo menos un colector solar 22 en un campo solar para intercambiar calor solar al medio de flujo de HTF. El medio de flujo de HTF puede ser por ejemplo aceite térmico. El medio de flujo de HTF tiene propiedades apropiadas para ser calentado por radiación solar. El circuito de HTF 2 comprende una bomba 21 para hacer circular el medio de flujo de HTF.
El circuito de HTF 2 está acoplado térmicamente al circuito de agua/vapor 3 por lo menos por un intercambiador de calor 23, 35. El medio de flujo de HTF es bombeado por el campo solar 22 por lo menos a un intercambiador de calor de HTF-vapor. La modalidad ilustrada de la figura 1 comprende un primer intercambiador de calor de HTF-vapor 231 y un segundo intercambiador de calor de HTF-vapor 232. Los intercambiadores de calor de HTF-vapor están en comunicación de fluidos con el campo solar 22. El primero y el segundo intercambiadores de calor 231 , 232 están dispuestos en paralelo uno con respecto a otro y conectados al campo solar 22.
El segundo intercambiador de calor de HTF-vapor 232 funciona como sobrecalentador para calentar el medio de flujo de vapor en el circuito de agua/vapor 3 a temperatura de aproximadamente 320°C a 380°C. El medio de flujo de vapor sobrecalentado es alimentado a un primer grupo de secciones de turbina de vapor 32. Las secciones de la turbina de vapor 321 , 322 son conectadas en serie. Disponiendo una pluralidad de secciones de turbina de vapor en cascada, se puede reducir gradualmente la temperatura de vapor. Al pasar las por lo menos dos secciones, el vapor se enfría a una temperatura de aproximadamente 230°C. Subsiguientemente, el vapor enfriado de la sección de turbina de vapor 322 es conducido al primer intercambiador de calor de HTF-vapor 231 para ser recalentado a una temperatura de aproximadamente 380°C. El medio de flujo de vapor recalentado es conducido a un segundo grupo de secciones de turbina de vapor 33. Como se ilustra, el segundo grupo de secciones de turbina de vapor 33 incluye siete secciones. El medio de flujo de vapor es conducido por las secciones de turbina de vapor y se genera electricidad.
El circuito de HTF 2 comprende además intercambiadores de calor 35 auxiliares para intercambiar calor del medio de flujo de HTF a la mezcla de agua/vapor. El intercambiador del calor 35 auxiliar incluye un primer intercambiador de calor 351 auxiliar y un segundo intercambiador de calor 352 auxiliar. El primero y el segundo ¡ntercambiadores de calor auxiliares 351 y 352 están dispuestos en serie y posicionados corriente abajo del segundo intercambiador de calor de HTF-vapor 232. Los intercambiadores de calor auxiliares pueden calentar la mezcla de agua/vapor gradualmente de aproximadamente 250°C a aproximadamente 300°C.
El circuito del agua/vapor 3 comprende además un grupo de etapas de precalentador de agua de alimentación 34. Un p recalentador del agua de alimentación es una unidad de intercambio de calor para calentar el agua de una fuente de alimentación 30, la cual incluye una bomba 31. El grupo de etapas de precalentador de agua de alimentación comprende siete etapas que coinciden con las siete secciones del grupo de secciones de turbina de vapor 33. Cada sección de la turbina de vapor del grupo 33 está conectada a una correspondiente etapa del precalentador de agua de alimentación 34. Cada etapa de precalentador de agua de alimentación 34 tiene un conducto de vapor de entrada que se origina en una sección de turbina de vapor.
La planta solar esquemática representada tiene una eficiencia eléctrica típica de aproximadamente 35%. La disponibilidad de la planta de energía solar es influida principalmente por las diferencias del día y la noche. Durante la noche, el campo solar 22 no genera calor lo cual reduce sustancialmente la eficiencia.
La figura 2 muestra en una vista esquemática una la planta de energía solar de acuerdo con la invención. La planta de energía solar tiene disponibilidad mejorada con respecto a la planta convencional de energía solar de figura 1. La planta de energía solar 1 de acuerdo con la invención comprende además una fuente de energía auxiliar 4. La fuente de energía auxiliar da a la planta de energía solar 1 propiedades híbridas. La planta de energía solar 1 puede ser operada con energía solar y energía producida por combustibles de origen fósil. La planta híbrida de la energía solar 1 puede funcionar por completo con energía solar o por completo con energía fosilizada. Durante la luz del día la planta de energía solar 1 puede producir energía eléctrica puramente generada por la energía solar. Durante la noche la planta de energía solar 1 puede producir energía eléctrica que se origine de combustibles de origen fósil. Durante el crepúsculo, la planta de energía solar 1 puede funcionar tanto con energía solar como con energía de origen fósil. Sí la planta de energía solar 1 funciona con energía puramente solar, la planta de energía solar 1 puede ser no contaminante, porque el funcionamiento puede ser libre de emisiones de C02 durante el día.
La fuente de energía de origen fósil 4 comprende una fuente de calor 41. Como se ilustra, la fuente de calor 41 puede ser una turbina de gas. La turbina de gas es adecuada para su aplicación industrial y puede generar una energía de 174600 kW. La turbina de gas 41 tiene una eficiencia LVH de aproximadamente 36%. La turbina de gas 41 puede producir gases de calentamiento. El gas de calentamiento tiene típicamente una temperatura de escape de aproximadamente 600°C en una salida de la turbina de gas. La turbina de gas 41 está conectada a un conducto de gas 42 par guiar el gas de calentamiento. La turbina de gas 41 está conectada a un extremo del conducto de gas, mientras en el otro extremo está provista una chimenea 43 para descargar gas de calentamiento enfriado al ambiente.
Durante la operación, el gas de calentamiento pasa a través del conducto de gas 42, en donde el gas de calentamiento pasa por un intercambiador de calor de gas-HTF 44. El intercambiador de calor de gas-HTF 44 está configurado para transferir el calor del gas de calentamiento a un fluido de transferencia de calor en un circuito. Aquí, el intercambiador de calor de gas-HTF 44 provee una conexión térmica entre la fuente de calor 41 y el primer circuito 2, el circuito de HTF. El intercambiador de calor de gas-HTF 44 se extiende por lo menos parcialmente hacia el conducto de gas 42 para calentar el medio de flujo de HTF en el circuito de HTF 2. El intercambiador de calor de gas-HTF 44 está configurado para calentar el medio de flujo de HTF en el circuito de HTF 2 hasta una temperatura de aproximadamente 400°C. Típicamente, un fluido de transferencia de calor, como el aceite térmico, tiene una temperatura máxima admitida de aproximadamente 400°C para evitar el deterioro del fluido. Se puede controlar esta temperatura máxima del medio de flujo de HTF por ejemplo con la bomba 21.
El intercambiador de calor de gas-HTF 44 está en comunicación de fluidos, conectado al campo solar 22. Si el campo solar 22 no calienta lo suficiente, el medio de flujo de HTF, se puede encender entonces el intercambiador de calor de gas-HTF 44 para calentar aún más el medio de flujo de HTF. En este caso, una está provista planta híbrida de energía solar que puede funcionar durante el día y la noche.
El gas de calentamiento que ha pasado por el intercambiador de calor de gas-HTF 44 puede ser descargado a través de la chimenea 43. Típicamente la temperatura de los gases de calentamiento después de salir del intercambiador de calor de gas-HTF 44 es de aproximadamente 260°C.
Como se muestra en la modalidad de la planta de energía solar 1 en la figura 2, el circuito de agua/vapor 3 es extendido aún más por intercambiadores de calor 45. Los intercambiadores de calor 45 están dispuestos en el conducto de gas 42. Los intercambiadores de calor 45 están situados corriente arriba del flujo de gas del intercambiador de calor de gas-HTF 44. Los intercambiadores de calor 45 incluyen un sobrecalentador 451 y un recalentador 452. El sobrecalentador 451 comprende dos secciones de sobrecalentador. El recalentador 452 comprende dos secciones de recalentador. Las secciones de sobrecalentador y de recalentador están dispuestas en fila en el conducto de gas 42. Una sección de sobrecalentador 451 está posicionada muy corriente arriba del flujo de gas. Subsiguientemente dos secciones de recalentador 452 y una sección adicional de sobrecalentador 451 están posicionados corriente abajo del flujo de gas de la primera sección de sobrecalentador de manera alterna. El intercambiador de calor de gas-HTF 44 está posicionado corriente abajo del flujo de gas de la sección final de recalentador 452. Los intercambiadores de calor 45 proveen un enfriamiento de los gases de calentamiento a aproximadamente 500°C. El calor es transferido de los gases de calentamiento al medio de flujo de vapor en el circuito de agua/vapor 3 por los intercambiadores de calor 45. Los intercambiadores de calor 45 pueden proveer un aumento de la temperatura del medio de flujo de vapor de aproximadamente 350°C a 565°C. El circuito del agua/vapor 3 comprende por lo menos un grupo de secciones de turbina de vapor 32, 33, el cual está posicionado corriente abajo del medio de flujo de vapor de los intercambiadores de calor 45. Para aumentar la eficiencia, la turbina de vapor está configurada para funcionar a temperaturas de vapor a lo mucho de 600°C, y en particular a aproximadamente 565°C durante el funcionamiento normal.
La figura 3 muestra en una vista esquemática otra modalidad de la planta de energía solar 1 de acuerdo con la invención: La modalidad mostrada concuerda con la modalidad de la figura 2. Los correspondientes números de referencia indican componentes semejantes. La planta de energía solar 1 de figura 3 está mejorada además en el sentido de que el tren de energía de origen fósil 4 está provisto además de un intercambiador de calor 46. El ¡ntercambiador de calor 46 está dispuesto en el conducto de gas 42 corriente abajo del intercambiador de calor de gas-HTF 44. El intercambiador de calor 46 está aplicado en el circuito de agua/vapor 3 y está configurado para transferir el calor del gas de calentamiento al medio de flujo de vapor. El intercambiador de calor 46 tiene una entrada 461 y una salida 462. El intercambiador de calor 46 funciona como economizador para precalentar agua que se origina en la fuente de alimentación 30. El intercambiador de calor 46 está conectado en paralelo con el grupo de economizadores 34 en el circuito de agua/vapor 3. Por lo menos una válvula de tres vías 4603 está provista en la fuente de alimentación 30 para abrir o cerrar la entrada 461 o la salida 462 del intercambiador de calor 46. La por lo menos una válvula de tres vías 4603 puede estar posicionada corriente arriba y/o corriente abajo del intercambiador de calor 46. Conmutando la válvula de tres vías 4603, se puede suministrar el medio de flujo al ¡ntercambiador de calor 46 o en caso de que no se esté usando la fuente de calor 4, se puede desviar el ¡ntercambiador de calor 46. En este caso, la fuente de alimentación 30 sirve además como conducto de desviación. Ventajosamente, la presencia del intercambiador de calor 46 puede aumentar además la eficiencia eléctrica de la planta de energía solar 1. Debido a la presencia del intercambiador de calor 46, se pueden enfriar aún más el gases de calentamiento que se origina en el ¡ntercambiador de calor de gas-HTF 44, en donde se utiliza energía térmica para calentar el medio de flujo de vapor en el circuito de agua/vapor. En este caso, se puede aumentar la eficiencia eléctrica total de la planta de energía solar a aproximadamente 50%, en donde una temperatura de escape del gas de calentamiento hacia fuera del conducto de gas puede ser de aproximadamente 155°C. Se puede descargar el gas de calentamiento al ambiente mediante una chimenea 43. En comparación con la chimenea 43 de figura 2, la chimenea 43 de figura 3 puede tener ventajosamente dimensiones más pequeñas, a causa de las temperaturas reducidas del gas de calentamiento.
La figura 4 muestra en una vista esquemática otra modalidad de la planta de energía solar 1 de acuerdo con la invención: La modalidad mostrada concuerda con la modalidad de la figura 3. Los correspondientes números de referencia indican componentes semejantes. La figura 4 muestra el circuito de HTF 2 y el circuito de agua/vapor 3 que están acoplados térmicamente por lo menos por un intercambiador de calor 23 y/o 35. El intercambiador de calor 23 está posicionado corriente abajo del campo solar y del intercambiador de calor de gas-HTF 44 en el circuito de HTF. El intercambiador de calor de gas-HTF 44 está dispuesto por lo menos parcialmente en el conducto de gas 42 para una transferencia directa de calor del gas de calentamiento al medio de flujo de HTF.
Como se muestra en la modalidad de la planta de energía solar 1 en la figura 2, el circuito de agua/vapor 3 es extendido aún más por intercambiadores de calor 45. Los intercambiadores de calor 45 están dispuestos en el conducto de gas 42. Los intercambiadores de calor 45 están situados corriente arriba del flujo de gas del intercambiador de calor de gas- HTF 44. Los intercambiadores de calor 45 incluyen un sobrecalentador 451 y un recalentador 452. El sobrecalentador 451 comprende dos secciones de sobrecalentador. El recalentador 452 comprende dos secciones de recalentador. Las secciones de sobrecalentador y de recalentador están dispuestas en fila en el conducto de gas 42. Una sección de sobrecalentador 451 está posicionada muy corriente arriba del flujo de gas. Subsiguientemente una sección de recalentador 452, una sección adicional de sobrecalentador 451 y una sección adicional de recalentador 452 están posicionados corriente abajo del flujo de gas de la primera sección de sobrecalentador de manera alterna. El intercambiador de calor de gas-HTF 44 está posicionado corriente después del flujo de gas de la sección final de recalentador 452.
La planta de energía solar como se muestra en la figura 4 está provista además por lo menos de un conducto de desviación 4512, 4522 para desviarse del intercambiador de calor 45. El conducto de desviación 4512, 4522 está provisto de una válvula de desviación 4513, 4523 para abrir o cerrar el conducto de desviación 4512, 4522. El intercambiador de calor 45 tiene un conducto de suministro y descarga de intercambiador de calor 4510, 4520. Una válvula del intercambiador de calor 4511 , 4521 está provista para abrir o cerrar el conducto de suministro y descarga de intercambiador de calor 4510, 4520 en dependencia de una ganancia del campo solar y el correspondiente funcionamiento de la fuente de calor 4. La presencia del conducto de desviación permite una funcionamiento mejorado de la planta de energía solar sin utilizar la fuente de calentamiento 4. El intercambiador de calor 45 puede ser cerrado y desviado para evitar el enfriamiento no deseado del medio de flujo. Ventajosamente, se puede mejorada aún más la eficiencia de un funcionamiento solar puro de la planta de energía solar de acuerdo con la invención con la presencia de los conductos de desviación 4512 y 4522.
El conducto de desviación 4512, 4522 del intercambiador de calor 45 pueden estar dispuesto alternativamente, como se muestra con detalle para el intercambiador de calor 46. El intercambiador de calor 46 tiene un conducto de desviación 460 que incluye por lo menos una válvula de tres vías 4603. La válvula de tres vías 4603 puede ser operada para suministrar medio de flujo al intercambiador de calor 46 o para cerrar el intercambiador de calor 46 y para permitir que el medio de flujo se desvíe del intercambiador de calor 46. El conducto de desviación 460 puede coincidir con la fuente de alimentación 30 de las etapas de precalentador de agua de alimentación para desviarse del intercambiador de calor 46.
Siendo así, la invención provee una planta de energía solar que tiene una eficiencia aumentada. Adicionalmente, la invención provee una planta de energía solar que puede operar puramente a base de energía solar o en combinación con una fuente de energía auxiliar.
Aunque se ha mostrado y descrito esta invención con respecto a las modalidades detalladas de la misma, entenderán los expertos en la técnica que se pueden hacer varios cambios y se pueden sustituir equivalentes por elementos de las mismas sin apartarse del alcance de la invención. Además, se pueden hacer modificaciones para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. Por lo tanto, se pretende que la invención no esté limitada a las modalidades particulares dadas a conocer en la descripción detallada anterior, sino que la invención incluya todas las modalidades que figuren dentro del alcance de las reivindicaciones.

Claims (16)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES
1.- Una planta de energía solar (1) que comprende respectivamente un primer circuito (2) que forma un circuito solar para hacer circular un medio de flujo solar y un segundo circuito (3) que forma un circuito de vapor para hacer circular un segundo medio de flujo, en donde el circuito solar (2) comprende: una bomba (21 ) para hacer circular el medio de flujo solar en el primer circuito; por lo menos un colector solar (22) para transferir calor solar recolectado al medio de flujo solar; y en donde el circuito de vapor (3) comprende: una fuente de alimentación (30); una bomba (31 ) para hacer circular el segundo medio de flujo en el segundo circuito; y una turbina de vapor (33) para generar electricidad a partir de vapor; en que por lo menos un intercambiador de calor primer fluido/segundo fluido (23) está provisto para acoplar térmicamente el circuito solar y de vapor para intercambiar calor del medio de flujo solar en el circuito solar (2) al segundo medio de flujo en el circuito de vapor (3); caracterizado porque el circuito solar (2) comprende adicionalmente: una fuente de calor (41 ) para generar un flujo de gas de calentamiento; un conducto de gas (42) para guiar el flujo de gas de calentamiento de la fuente de calor (41 ); y un intercambiador de calor de gas/primer fluido (44) para transferir calor del gas de calentamiento al medio de flujo solar en el primer circuito solar, en donde el intercambiador de calor de gas/primer fluido (44) está dispuesto por lo menos parcialmente en el conducto de gas (42).
2. - La planta de energía solar de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque la fuente de calor (41) es una turbina de gas.
3. - La planta de energía solar de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizada además porque el primer medio de flujo solar es un medio de flujo de fluido solar de transferencia de calor (HTF) y en donde el intercambiador de calor de gas/primer fluido (44) es un intercambiador de calor de fluido de transferencia de gas-calor (gas-HTF).
4. - La planta de energía solar de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque el segundo medio de flujo comprende una mezcla de agua y vapor.
5. - La planta de energía solar de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque por lo menos un intercambiador de calor (45) está dispuesto por lo menos parcialmente en el conducto de gas (42) entre la fuente de calor (41 ) y el intercambiador de calor de gas/primer fluido (44), en donde el intercambiador de calor (45) está en comunicación de fluidos con el segundo circuito para transferir el calor del gas de calentamiento al segundo medio de flujo en el segundo circuito.
6. - La planta de energía solar de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada además porque el intercambiador de calor (45) comprende por lo menos una sección de transferencia de calor (451 , 452) que está dispuesta corriente arriba del flujo de gas del intercambiador de calor de HTF (44).
7. - La planta de energía solar de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada además porque la por lo menos una sección de transferencia de calor (451) está dispuesta como un sobrecalentador en el segundo circuito.
8. - La planta de energía solar de conformidad con la reivindicación 6 o 7, caracterizada además porque la por lo menos una sección de transferencia de calor (452) está dispuesta como un recalentador en el segundo circuito.
9. - La planta de energía solar de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque el sobrecalentador y/o recalentador (451 , 452) están configurados para calentar el segundo medio de flujo en el segundo circuito arriba por lo menos a 400°C, en particular por lo menos a 450X y más en particular por lo menos hasta 550°C como temperatura de entrada del segundo medio de flujo a la turbina de vapor (33).
10 - La planta de energía solar de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque la turbina de vapor (33) en el segundo circuito está configurado para procesar vapor a una temperatura de entrada a lo mucho de 600°C, en particular a aproximadamente 565°C.
1 1. - La planta de energía solar de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 5-10, caracterizada además porque la planta de energía solar está provista adicionalmente por lo menos de un conducto de desviación (4512, 460) para desviarse del por lo menos un intercambiador de calor (45, 46) del segundo circuito (3), en donde el intercambiador de calor (45, 46) tiene un conducto de suministro y descarga de intercambiador de calor (4510, 461 , 462) que incluye por lo menos una válvula de intercambiador de calor (4511 , 4603) para abrir o cerrar el conducto de suministro y descarga de intercambiador de calor, en donde el conducto de desviación (4512) está en comunicación de fluidos, conectado al conducto de suministro y descarga de intercambiador de calor (4510, 461 , 462) y está provisto de una válvula de desviación (4513, 4603) para abrir o cerrar el conducto de desviación (4512) durante la operación.
12. - La planta de energía solar de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada además porque el segundo circuito comprende un intercambiador de calor (46) que está dispuesto por lo menos parcialmente en el conducto de gas (42) corriente abajo del intercambiador de calor de gas/primer fluido (44).
13. - La planta de energía solar de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada además porque el segundo circuito comprende por lo menos un precalentador de agua de alimentación (34) para calentar agua suministrada (30), en donde el intercambiador de calor (46) está dispuesto en paralelo con dicho precalentador de agua de alimentación (34).
14.- Un método para generar electricidad mediante una planta híbrida de energía solar (1) que incluye una turbina de vapor (33), un colector solar (22) y una fuente auxiliar de calor (41) que comprende los pasos de: hacer circular un medio de flujo solar en un primer circuito que forma un circuito solar que comprende el colector solar (22); hacer circular un segundo medio de flujo en un segundo circuito que forma un circuito de vapor que comprende la turbina de vapor (33); y transferir calor del medio de flujo solar al segundo medio de flujo en el segundo circuito por lo menos mediante un intercambiador de calor (23) que provee una conexión térmica entre el primero y el segundo circuitos externos a la fuente auxiliar de calor (41 ); caracterizado porque el método comprende adicionalmente un paso de: transferir calor al medio de flujo solar en el circuito solar selectivamente mediante uno o ambos pasos siguientes: transferir calor solar recolectado mediante el colector solar (22) al medio de flujo solar en el primer circuito; transferir calor de un gas de calentamiento que se origina en la fuente auxiliar de calor (41 ) al medio de flujo solar en el circuito solar mediante un intercambiador de calor de gas/primer fluido (44).
15 - El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de transferir calor del gas de calentamiento que se origina en la fuente de calor (41 ) al segundo medio de flujo en el segundo circuito mediante un intercambiador de calor (45) que está posicionado corriente arriba del intercambiador gas/fluido de calor (44).
16.- El método de conformidad con la reivindicación 14 o 15, caracterizado además porque comprende adicionalmente el paso de transferir calor del gas de calentamiento que se origina en la fuente de calor (41) al segundo medio de flujo en el segundo circuito mediante un intercambiador de calor (46) que está posicionado corriente abajo del intercambiador gas/fluido de calor (44).
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