MX2013011348A - Ciclo de ramkine organidco para un sistema de energia solar concentrado con almacenamiento de liquido saturado y metodo. - Google Patents

Abstract

Un sistema de bucle cerrado para producir energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) y un fluido de ORC, comprende una primera fuente de energía solar configurada para calentar un líquido de ORC a un líquido de ORC saturado, una segunda fuente de energía solar fluidamente conectada a la primera fuente de energía solar y configurada para vaporizar el líquido de ORC saturado para volverse vapor de ORC, y una turbo-máquina configurada para recibir vapor de ORC y producir energía mecánica al expandir el vapor de ORC.

Description

CICLO DE RANKINE ORGANICO PARA UN SISTEMA DE ENERGIA SOLAR CONCENTRADO CON ALMACENAMIENTO DE LIQUIDO SATURADO Y METODO ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION Las modalidades de la presente invención generalmente se refiere a sistemas de generación de energía y, más particularmente, a sistemas de Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) que tienen una fuente de energía solar y un almacenamiento de líquido saturado.

DESCRIPCION DE LA TECNICA RELACIONADA Los ciclos de Rankine utilizan un fluido orgánico de trabajo en un ciclo cerrado para reunir calor de una fuente de calentamiento o un depósito de calor y para generar energía al expandir una corriente gaseosa caliente a través de una turbina o un mecanismo de expansión. La corriente expandida es condensada en un condensador al transferir calor a un depósito frío y se bombea a una presión de calentamiento de nuevo para completar el ciclo. Se sabe que las fuentes de energía solar se utilizan como la fuente de calentamiento o el depósito caliente. Por ejemplo, los sistemas de Energía Solar Concentrada (CSP) utilizan lentes o espejos y sistemas de rastreo para enfocar un área grande de luz solar en un pequeño haz. El calor concentrado después se utiliza como la fuente de calor para una planta de energía convencional. Existe una amplia variedad de tecnologías de concentración. Las más desarrolladas son el concentrador parabólico, el reflector fresnel lineal de concentración, la antena de Stirling y la torre de energía solar. Se utilizan varias técnicas para rastrear la luz del Sol y de foco. En todos estos sistemas un fluido de trabajo se calienta a través de la luz solar concentrada, y después se utiliza para la generación de energía o almacenamiento de energía.

Un sistema de ORC genérico se discute con respecto a la Figura 1. La Figura 1 muestra un sistema de generación de energía 10 que incluye un ¡ntercambiador de calor 2, también conocido como hervidor, una turbina 4, un condensador 6 y una bomba 8. Caminando a través de este sistema de bucle cerrado, iniciando con el intercambiador de calor 2, una fuente de calor externo 3, por ejemplo, gases de la combustión calientes, calienta el intercambiador de calor 2. Esto ocasiona que el medio líquido presurizado recibido 12 se convierta en un vapor presurizado 14, el cual fluye a la turbina 14. La turbina 14 recibe la corriente de vapor presurizado 14 y puede generar energía 16 a medida que el vapor presurizado se expande. La corriente de vapor de presión más baja expandida 18 liberada a través de la turbina 4 entra al condensador 6, el cual condensa la corriente de vapor de presión más baja expandida 18 a una corriente de líquido de presión más baja 20. La corriente de líquido de presión más baja 20 después entra a la bomba 8, la cual tanto genera la corriente de líquido de presión más alta 12 como mantiene el flujo del sistema de bucle cerrado. La corriente de líquido de presión más alta 12 después se bombea al intercambiador de calor 2 para continuar este proceso.

Un fluido de trabajo que puede ser utilizado en un ciclo de Rankine es un fluido de trabajo orgánico. Dicho fluido de trabajo orgánico es denominado como un fluido de ORC. Los sistemas de ORC han sido desplegados como reconversiones para motores así como para turbinas de gas de pequeña escala y mediana escala, para capturar el calor residual de la corriente de gas de la combustión caliente. Este calor residual puede ser utilizado en un sistema de generación de energía secundario para generar hasta un 20% adicional de energía en la parte superior de la energía suministrada por el motor que produce solo gases de la combustión calientes.

Con el desarrollo de fuentes de energía solar, el ciclo de ORC ha sido aplicado a dicho sistema como se describe. Por ejemplo, en la Figura 2, existe un sistema 30 teniendo un colector solar 32, un condensador de intercambiador de calor 34, un tanque de almacenamiento 36 para un fluido de trabajo, y una bomba 38 para suministrar fluido al colector solar 32. El colector solar 32 está equipado con una válvula de nivelación 40 en su entrada para un fluido de trabajo de ORC bombeado por la bomba 38 desde el tanque de almacenamiento 36 a un tanque superior 42. El fluido de trabajo de ORC vaporizado es provisto del colector solar 32 a una turbina de vapor 44, la cual puede ser conectada a un generador de energía 46.

Sin embargo, los sistemas de energía solar existente no son eficientes. Además, los sistemas de energía solar existentes tienen dificultades para producir energía cuando el sol no está disponible. Por consiguiente, son deseables sistemas y métodos para mejorar la eficiencia de los sistemas de ORC en sistemas de generación de energía.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION De acuerdo con una modalidad de la presente invención, se proporciona un sistema de bucle cerrado para producir energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) y un fluido de ORC. El sistema comprende una primera fuente de energía solar configurada para calentar un líquido de ORC a un líquido de ORC saturado, una segunda fuente de energía solar fluidamente conectada a la primera fuente de energía solar y configurada para vaporizar el líquido de ORC saturado para convertirse en vapor de ORC, y una turbo-máquina configurada para recibir vapor de ORC y producir energía mecánica al expandir el vapor de ORC.

De acuerdo con una modalidad de la presente invención, se proporciona un sistema de bucle cerrado para producir energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) y un fluido de ORC. El sistema comprende una turbo-máquina configurada para transformar el calor en energía mecánica, un recuperador fluidamente conectado a una salida de la turbo-máquina y configurada para remover calor del fluido de ORC vaporizado, un dispositivo de enfriamiento fluidamente conectado al recuperador y configurado para transformar el fluido de ORC vaporizado de regreso al líquido de ORC, una bomba fluidamente conectada entre el dispositivo de enfriamiento y el recuperador y configurada para bombear el líquido de ORC al recuperador, una primera fuente de energía solar configurada para transformar, a través de calentamiento, el líquido de ORC a un líquido de ORC saturado, y una segunda fuente de energía solar fluidamente conectada a la primera fuente de energía solar y configurada para vaporizar el líquido de ORC saturado para volver vapor de ORC, en donde la turbo-máquina está configurada para recibir el vapor de ORC de la segunda fuente de energía solar.

De acuerdo con otra modalidad de la presente invención, se proporciona un método para generar energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC). El método comprende transformar un líquido de ORC a través de calentamiento dentro de una primera fuente de energía solar a un líquido de ORC saturado en un sistema de bucle cerrado, almacenar el líquido de ORC saturado en un tanque de almacenamiento, controlar un flujo del líquido de ORC saturado a una segunda fuente de energía solar u otro dispositivo para transformar el líquido de ORC saturado a vapor de ORC, expandir el vapor de ORC en una turbo-máquina para producir la energía, y enfriar el vapor de ORC para cambiarlo de regreso al líquido de ORC y regresar el líquido de ORC de regreso a la primera fuente de energía solar.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Las modalidades de la presente invención serán más evidentes para aquellos expertos en la técnica después de leer la siguiente descripción con referencia a los dibujos anexos, en donde: La Figura 1 es un diagrama esquemático de un ciclo de ORC; La Figura 2 es un diagrama esquemático de una configuración de ciclo de ORC usado con una fuente de energía solar; La Figura 3 es un diagrama esquemático de una configuración de ciclo de ORC utilizado con una fuente de energía solar de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención; La Figura 4 es un diagrama esquemático de una configuración de ciclo de ORC utilizado con una fuente de energía solar y una fuente de calor secundaria de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 5 es un diagrama esquemático de una configuración de ciclo de ORC utilizado con una fuente de energía solar en un sistema de dos bucles cerrados de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención; La Figura 6 un diagrama esquemático de una configuración de ciclo de ORC utilizado con una fuente de energía solar y una fuente de calor secundaria en un sistema de dos bucles cerrados de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención; La Figura 7 es un cuadro de flujo de un método para utilizar una configuración de ciclo de ORC con una fuente de energía solar de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención; La Figura 8 es un cuadro de flujo de una configuración de ciclo de ORC utilizado con una fuente de energía solar en un sistema de dos bucles cerrados de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención; La Figura 9 es un sistema de bucle cerrado para generar energía que incluye primer y segunda fuentes de energía solar de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención; La Figura 10 es un cuadro P-H de un fluido de ORC que experimenta varias transformaciones térmicas a través de un sistema de bucle cerrado de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención; y La Figura 11 es un cuadro de flujo de un método para producir energía al utilizar un sistema de bucle cerrado con dos fuentes de energía solar de acuerdo con una modalidad ilustrativa de la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La siguiente descripción detallada de las modalidades ilustrativas se refiere a los dibujos anexos. Los mismos números de referencia en los diferentes dibujos identifican a elementos iguales o similares. Además, los dibujos no están necesariamente trazados a escala. También, la siguiente descripción detallada no limita la invención. Más bien, el alcance de la invención está definido por las reivindicaciones anexas. Para simplicidad, la siguiente descripción se refiere a un ciclo de ORC utilizado con una fuente de energía solar para producir energía con un mecanismo de expansión. Sin embargo, la fuente de energía solar puede ser diferente, el mecanismo de expansión puede ser reemplazado con otra turbómáquina para producir energía.

La referencia a través de la especificación a "una modalidad" o "modalidad" significa que una característica, estructura, aspecto particular, descrito con relación a una modalidad se incluye en al menos una modalidad de la materia objeto descrita. De esta manera, la aparición de las frases "en una modalidad" o "en modalidad" en varios lugares a través de la especificación no necesariamente se refiere a la misma modalidad. Además, las características, estructuras o aspectos particulares pueden ser combinados en cualquier forma adecuada en una o más modalidades.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 3, un sistema 50 para la generación de energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) incluye una fuente de energía solar 52 que está configurada para vaporizar un medio que fluye a través del sistema y una turbo-máquina 54 configurada para generar energía/potencia al expandir el medio vaporizado. Un condensador 56 asegura que el medio vaporizado sea regresado a su fase líquida y una bomba 58 incrementa la presión del medio líquido y mantiene al medio fluyendo a través del sistema.

El medio puede ser un fluido orgánico tradicionalmente utilizado en sistemas de ORC. Sin embargo, para una eficiencia mejorada, se puede utilizar un fluido a base de ciclopentano como el medio de acuerdo con una aplicación. El ciclopentano es un hidrocarburo alicíclico altamente inflamable con la fórmula química C5H10. Consiste de un anillo de cinco átomos de carbono cada uno enlazado con dos átomos de hidrógeno por arriba y por abajo del plano. Ocurre como un líquido incoloro con un olor similar a la gasolina. Su punto de fusión es de -94°C y su punto de ebullición es de 49°C. También se pueden utilizar otros medios. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el medio de ORC incluye ciclopentano mezclado con uno o más de 2-metil pentano, n-pentano e isopentano. Por ejemplo, una posible combinación es ciclopentano alrededor de 95%, 2-metil pentano alrededor de 3.5%, n-pentano 0.75% e isopentano alrededor de 0.75%.

La fuente de energía solar 52 puede ser cualquiera de las fuentes solares conocidas. Sjn embargo, las modalidades que serán discutidas a continuación son optimizadas para sistema de energía solar concentrada (CSP). Un sistema de CSP es diferente de un sistema fotovoltaico ya que el sistema fotovoltaico directamente transforma la energía solar a electricidad. Un sistema de CSP necesita un medio para ser vaporizado con base en la energía solar y después esa energía es extraída con una turbo-máquina apropiada, por ejemplo, un mecanismo de expansión o una turbina. De esta manera, el medio utilizado en la modalidad mostrada en la Figura 3 experimenta varios procesos termodinámicos a medida que pasa los varios elementos del sistema.

La turbo-máquina 54 puede ser cualquier máquina que esté configurada para extraer energía del medio vaporizado y transforma esta energía a, por ejemplo, energía mecánica. Con respecto a esto, un mecanismo de expansión se configura para recibir un medio vaporizado, el cual determina planos aerodinámicos o un impulsor del mecanismo de expansión para girar alrededor de un eje transversal. La energía termodinámica del gas (medio vaporizado) es extraída durante el proceso de expansión, el cual hace que una flecha (que sostiene los planos aerodinámicos o impulsor) del mecanismo de expansión gire, generando así la energía mecánica. Esta energía mecánica puede ser utilizada para activar un dispositivo de potencia 60, por ejemplo, un compresor o un generador de energía eléctrica para producir electricidad. En otras palabras, el sistema discutido en la modalidad ilustrativa puede ser usado para generar energía o para accionar una máquina, por ejemplo, turbo-máquina.

El mecanismo de expansión puede ser un mecanismo de expansión de etapa individual o de etapas múltiples. Un mecanismo de expansión de etapa individual tiene solo un impulsor y el gas vaporizado es provisto al escape del mecanismo de expansión después de pasar el impulsor individual. Un impulsor de etapas múltiples tiene impulsores plurales y el medio expandido de un impulsor es provisto a un siguiente impulsor para la extracción adicional de energía desde el medio. El mecanismo de expansión puede ser una centrífuga o una máquina axial. Un mecanismo de expansión centrífugo recibe el medio vaporizado a lo largo de una primera dirección (por ejemplo, eje Y) y descarga el medio expandido en una segunda dirección (por ejemplo, dirección X) substancialmente perpendicular a la primera dirección. En otras palabras, se utiliza una fuerza centrifuga para hacer girar la flecha del mecanismo de expansión. En un mecanismo de expansión axial, el medio entra y sale del mecanismo de expansión a lo largo de la misma dirección, similar a la máquina de chorro de un aeroplano.

El condensador 56 puede ser aire enfriado o agua enfriada y su propósito es enfriar más el medio expandido de la turno-máquina 54 de manera que el medio se hace líquido. La bomba 58 puede ser cualquier bomba conocida en la técnica y adecuada para incrementar la presión del medio a un valor deseado. El calor del medio que sale del mecanismo de expansión 54 puede ser removido en un recuperador 64 y provisto al medio líquido que es provisto a la fuente de energía solar 52. El recuperador 64 puede ser tan simple como un contenedor que tiene dos tuberías que comparten un mismo ambiente. Por ejemplo, el medio líquido (de la bomba) fluye a través de una primera tubería mientras que el medio vaporizado (del mecanismo de expansión) fluye a través de una segunda tubería. Ya que el mismo ambiente está presente alrededor de las primera y segunda tuberías, el calor de la segunda tubería emigra a la primera tubería, calentando así el medio líquido. Se pueden utilizar otros recuperadores más sofisticados.

El flujo del medio a través del sistema 50 ahora se discutirá con mayor detalle. Asumir que el flujo de medio es seguido desde el punto A. En ese punto, el medio líquido está a una presión alta (por ejemplo, 40 barias) debido a la bomba 58 y a una temperatura baja (por ejemplo, 55°C). Después de que el medio líquido pasa a través de la fuente de energía solar 52, su temperatura es incrementada (por ejemplo, a 250°C). Los números usados en esta y otras modalidades ilustrativas son solo para propósitos de ilustración y no pretenden limitar las modalidades. Aquellos expertos en la técnica podrían reconocer que estos números cambian de sistema a sistema a medida que las características del sistema cambian.

Mientras pasa por la fuente de energía solar 52, el medio puede experimentar una transformación de fase, es decir, del medio líquido a medio vaporizado. Durante el paso a través de la fuente de energía solar 52, la energía solar es transferida de la luz solar al medio. El medio vaporizado llega al punto B e ingresa a una entrada 54a del mecanismo de expansión 54 y hace que la flecha del mecanismo de expansión gire, transformando la energía solar en energía mecánica. El medio expandido, el cual puede aún ser un gas y no un líquido (por ejemplo, temperatura en el punto C es de aproximadamente 140°C y la presión es de aproximadamente 1.3 barias) después es liberado del mecanismo de expansión en la salida 54b.

Como sigue siendo energía (calor) dejada en el medio vaporizado en el punto C, este medio es dirigido al recuperador 64 para remover adicionalmente el calor de él. El calor removido en el recuperador 64 desde el medio vaporizado en el punto D es provisto al medio líquido en el punto E (dentro del recuperador) antes de proporcionar el medio líquido a la fuente de energía solar. El medio vaporizado enfriado en el punto F, es ahora enfriado en el condensador 56 para llevarlo de regreso a una fase líquida. Después, el medio líquido es provisto a la bomba 58 y el ciclo se repite. Se observa que la tubería 66 que toma al medio desde un componente al otro se sella de manera que el medio no escapa fuera del sistema 50. En otras palabras, el sistema mostrado en la Figura 3 es un sistema de bucle cerrado.

El sistema discutido anteriormente incrementa la eficiencia de conversión de la energía solar a energía eléctrica cuando se utiliza un generador de energía eléctrica 60. También, el sistema de la presente no necesita agua para su medio y el medio puede ser directamente vaporizado por la fuente de energía solar. Si se utiliza el fluido a base de ciclopentano, se observa que este medio es directamente vaporizado en la fuente de energía solar ya que la temperatura de ebullición de ciclopentano es de aproximadamente 49°C.

Son posibles algunas modificaciones del sistema 50 mostrado en la Figura 3 y éstas se discuten ahora con respecto a la Figura 4. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, se puede agregar una fuente de calor secundaria 70, por ejemplo, corriente abajo de la fuente de energía solar 52 y corriente arriba del mecanismo de expansión 54. En otra aplicación, la fuente de energía secundaria 70 puede ser provista en la ubicación A. La fuente de energía secundaria puede ser solar, geotérmica, fósil, nuclear, u otras fuentes de energía conocidas. Por ejemplo, el escape de una turbo-máquina o una planta de energía puede ser la fuente de energía secundaria.

En otra aplicación, un tanque de almacenamiento 72 puede ser provisto para almacenar el medio a base de ciclopentano. En una modalidad ilustrativa, el tanque de almacenamiento está provisto corriente abajo del condensador 56. Se puede proporcionar varias válvulas 74 y 76 a lo largo del sistema de tubería para controlar la cantidad de medio que fluye en el sistema. En otra modalidad ilustrativa, se pueden proporcionar una línea de equilibrio 78 y una válvula 80 para controlar el flujo del medio a través del sistema.

En la Figura 5 se presenta un sistema diferente. De acuerdo con una modalidad ilustrativa, el sistema 100 puede incluir un primer sistema de bucle cerrado 102 y un segundo sistema de bucle cerrado 104. El segundo sistema de bucle cerrado 104 puede incluir una turbo-máquina 106, un condensador 108, una bomba 110 y un recuperador 112 similar a aquellos mostrados en las Figuras 3 y 4 y también similarmente conectados al sistema de las modalidades mostradas en las Figuras 3 y 4. Sin embargo, en lugar de la fuente de energía solar mostrada en la Figura 3, el segundo sistema de bucle cerrado incluye uno o más vaporizadores 114 y uno o más dispositivos de intercambio de calor 116. La Figura 5 muestra dos dispositivos de intercambio de calor 116 y 118 pero un dispositivo es suficiente para que el sistema funcione. En una aplicación, no es necesario ningún dispositivo de intercambio de calor.

El primer sistema de bucle cerrado 102 puede incluir una fuente de energía solar 120, s imilar a la fuente de energía s olar 52 de la Figura 3 y una bomba 122 similar a la bomba 58 de la Figura 3. El primer sistema de bucle cerrado 102 puede utilizar una substancia a base de aceite como el medio de flujo mientras que el segundo sistema de bucle cerrado 104 puede ser un sistema de ORC que utiliza un fluido a base de ciclopentano como el medio de flujo. El medio orgánico del segundo sistema de bucle cerrado 104 no está circulando a través de la fuente de energía solar 120 en esta modalidad ilustrativa sino que más bien está colocado en contacto térmico con la substancia a base de aceite del primer sistema de bucle cerrado 102 para transferir calor desde la fuente de energía solar.

Con respecto a esto, la substancia a base de aceite de la fuente de energía solar 120 vaporiza, en el vaporizador 114, el medio del segundo sistema de bucle cerrado y proporciona el medio vaporizado a la turbo-máquina 106. Además, es posible utilizar adicionalmente utilizar la substancia a base de aceite para pre- calentar el medio del segundo ciclo de bucle cerrado en uno o más dispositivos de intercambio de calor 116 y 118. Sin embargo, de acuerdo con una modalidad ilustrativa, los dispositivos de intercambio de calor 116 y 118 pueden ser omitidos. La substancia a base de aceite enfriada llega entonces a un recipiente de expansión 124 desde el cual fluye a la bomba 122 para ser de nuevo provisto a la fuente de energía solar 120. La substancia a base de aceite no se mezcla con el medio del segundo sistema de bucle cerrado o con el ambiente. El recipiente de expansión 124 puede estar en comunicación de fluido con una fuente de nitrógeno 126 que está configurada como un manto de nitrógeno sobre una porción superior (dentro) del recipiente de expansión 124. Aunque el nitrógeno entra al recipiente de expansión, el nitrógeno no fluye a través del primer sistema de bucle cerrado 102 ya que fluye por arriba de la substancia a base de aceite.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 6, varios elementos, como los mostrados en la Figura 4, pueden ser agregados al sistema 100. Por ejemplo, se pueden agregar fuentes de calor secundarias 130 en el segundo sistema de bucle cerrado, corriente arriba o corriente abajo desde el vaporizador 114 para calentar más el medio del segundo sistema de bucle cerrado. Se pueden agregar válvulas 132 para controlar el flujo del medio y una línea de equilibrio 134 con una válvula 136 correspondiente puede ser provista en el segundo sistema de bucle cerrado. Un generador 140 u otra turbo-máquina puede ser conectado al mecanismo de expansión 106 en el segundo sistema de bucle cerrado 104.

Ahora se discutirán métodos para operar dichos sistemas. De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 7, se proporciona un método para la generación de energía utilizando el Ciclo de Rankine Orgánico (ORC). El método incluye un paso 700 de transformar el fluido a base de ciclopentano líquido a través de calentamiento con una fuente de energía solar en un fluido a base de ciclopentano vaporizado en un sistema cerrado; un paso 702 de expandir el fluido a base de ciclopentano vaporizado en un mecanismo de expansión para producir energía; y un paso 704 de enfriar el fluido a base de ciclopentano vaporizado para regresar al fluido a base de ciclopentano líquido y regresar el fluido a base de ciclopentano líquido a la fuente de energía solar.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 8, se proporciona un método para la generación de energía (electica o mecánica) utilizando el Ciclo de Rankine Orgánico (ORC). El método incluye un paso 800 de calentar, con una fuente de energía sola, un fluido a base de aceite en un primer sistema cerrado; y un paso 802 de expandir un fluido a base de ciclopentano vaporizado en un segundo sistema cerrado para producir energía. El fluido a base de aceite del primer sistema cerrado está configurado para el intercambio de calor con el fluido a base de ciclopentano líquido en el segundo sistema cerrado.

De acuerdo con otra modalidad ilustrativa más, es posible proporcionar una nueva disposición que no esté limitada al ciclopentano sino que más bien pueda utilizar cualquier fluido de ORC (por ejemplo, cualquier fluido de base orgánica). En esta modalidad, se utilizan dos fuentes de energía solar distintas para calentar el fluido de ORC. La primera fuente de energía solar está configurada para calentar un líquido de ORC entrante para hacerse saturado y la segunda fuente de energía solar está configurada para calentar más el líquido de ORC saturado para hacerse vapor de ORC. Se dice que un líquido está saturado cuando está a punto de ebullición. Un tanque de almacenamiento para el líquido de ORC saturado puede ser provisto entre las primera y segunda fuentes de energía solar. Durante períodos cuando las fuentes de energía solar están inactivas, por ejemplo, nublado, se puede utilizar una fuente de energía solar secundaria para transformar el líquido de ORC saturado en vapor para ser provisto a la turbo-máquina. Alternativamente, se puede utilizar una pared reguladora (o dispositivo regulador) para parcialmente transformar el líquido de ORC saturado (al reducir parcialmente la presión isoentálpicamente) a vapor como se discutirá más adelante.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 9, un sistema 200 para la generación de energía (eléctrica o mecánica) i ncluye una turbo-máquina 202, c ondensador 204, bomba 206, recuperador 207 y un dispositivo de energía 208 que están conectados entre sí en una forma similar como se muestra en las Figuras 3 y 4. El dispositivo de energía 208 puede ser un generador eléctrico (o dispositivos similares para producir energía eléctrica) o una turbo-máquina que es accionada por la turbo-máquina. Sin embargo, la Figura 9 muestra una primera fuente de energía solar 210 y una segunda fuente de energía solar 212 interconectadas a través de un tanque de almacenamiento de líquido 214. Un dispositivo de control (por ejemplo, una válvula) 216 u otro elemento similar distribuye un flujo desde el tanque 214 ya sea a la segunda fuente de energía solar 212 o a una fuente de calor secundaria 218. La fuente de calor secundaria 218 puede ser cualquier fuente de calor.

El flujo del fluido de ORC ahora se discutirá con respecto a la Figura 9 y también con respecto a la Figura 10, la cual muestra un cuadro de presión-entalpia (P-H) para el fluido de ORC. El flujo del fluido de ORC a través de la turbo-máquina, condensador, bomba y fuente de calor secundaria se omite ya que ha sido ya discutido. El líquido de ORC a baja temperatura entra, en el punto A (ver tanto Figura 9 como la 10), a la primera fuente de energía solar 210. El calor es transferido desde la primera fuente de energía solar 210 al fluido de ORC de manera que, en el punto B, el líquido de ORC es saturado pero sigue líquido. Esto se ilustra en la Figura 10 en donde la curva 230 muestra la curva de líquido-vapor para el fluido de ORC. Se observa que el fluido de ORC es líquido en la región 232, una mezcla de líquido y vapor en la región 234 y vapor en la región 236. Des esta manera, la primera fuente de energía 210 está diseñada (por ejemplo, dimensionada) de tal manera que el líquido de ORC, en el punto B, no está dentro de la región 234, es decir está saturado pero no vaporizado.

De aquí el líquido de ORC saturado es dirigido a y almacenado en el tanque 214. Si la segunda fuente de energía solar 212 está activa, el dispositivo de control 216 está configurado para permitir que el líquido de ORC saturado del tanque 214 prosiga a la segunda fuente de energía solar 212 y no a la fuente de calor secundaria 218. La segunda fuente de energía solar 212 está configurada para vaporizar el líquido de ORC saturado de manera que, en el punto C, todo el flujo está en la forma de vapores. De esta manera, se agrega calor durante la transición de A a B y también durante la transición de B a C. En un ejemplo particular, no pretende limitar la invención, cuando la temperaturas son, en A alrededor de 50°C, en B alrededor de 230°C, y en C alrededor de 250°C, el calor agregado entre A y B es alrededor de 400 kJ/kg y un calor latente agregado entre B y C es de alrededor de 40 kJ/kg. Se puede ver que el calor latente es bajo. El vapor de ORC después es provisto a la turbo-máquina 202 para producir energía mecánica.

Cuando la segunda fuente de energía solar 212 no está disponible, el dispositivo de control 216 está configurado para proporcionar el líquido de ORC saturado a la fuente de calor secundaria 218 de manera que el líquido es transformado a vapor y provisto a la turbo-máquina 202. Se observa que en lugar de la fuente de calor secundaria 218, se puede utilizar una pared reguladora (o un dispositivo regulador) 220 para reducir una presión isoentálpicamente del líquido de ORC saturado para transformarlo en vapor como se muestra en la Figura 10 por la curva B a D. de esta forma, parte del líquido de ORC saturado permanece líquido y parte del mismo se transforma a vapor. Se observa que la transformación de B a D da como resultado no solo una caída de presión sino que también una caída de temperatura. Sin embargo, parte del líquido de ORC saturado es vaporizado sin el uso de una fuente de calentamiento. Tanto el líquido de ORC como el vapor se proporcionan a un dispositivo de separación 222 en donde la parte superior está ocupada por el vapor 224 y la parte inferior está ocupada por el líquido 226. El dispositivo de separación 222 no se utiliza para la fuente de calentamiento 218. El vapor de ORC 224 es provisto a la turbo-máquina 202, mientras que el fluido de ORC 226 puede ser regresado al tanque 214 o a la primera fuente de energía solar 210 o a otra parte del sistema de bucle cerrado 200.

De esta manera, las modalidades ilustradas en las Figuras 9 y 10 continuamente pueden proporcionar el vapor de ORC necesario a la turbo-máquina aún cuando la energía solar no esté disponible.

De acuerdo con una modalidad ilustrativa mostrada en la Figura 11, se proporciona un método para generar energía eléctrica o mecánica utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC). El método incluye un paso 1100 de transformar el líquido de ORC, a través de calentamiento dentro una primera fuente de energía solar, a un líquido de ORC saturado en un sistema de bucle cerrado; un paso 1102 para almacenar el líquido de ORC saturado en una tanque de almacenamiento; un paso 1104 para controlar un flujo del líquido de ORC saturado a una segunda fuente de energía solar u otro dispositivo para transformar el líquido de ORC saturado a vapor de ORC; un paso 1106 de expandir el vapor de ORC en una turbo-máquina para producir energía; y un paso 1108 de enfriar el vapor de ORC para cambiarlo al líquido de ORC y regresar el líquido de ORC a la primera fuente de energía solar.

Las modalidades ilustradas proporcionan un sistema y método para transformar energía solar a energía mecánica o energía eléctrica aún cuando la energía solar temporalmente no esté disponible. Se debe entender que esta descripción no pretende limitar la presente invención. De lo contrario, las modalidades ilustrativas pretenden cubrir alternativas, modificaciones y equivalentes, los cuales se incluyen en el espíritu y alcance de la presente invención como se define por las reivindicaciones anexas. Además, en la descripción detallada de las modalidades ilustrativas, se establecen numerosos detalles específicos con el fin de proporcionar un entendimiento comprensivo de la presente invención. Sin embargo, un experto en la técnica podría entender que varias modalidades pueden ser practicadas sin dichos detalles específicos.

Aunque los aspectos y elementos de las modalidades ilustrativas de la presente se describen en las modalidades en combinaciones particulares, cada aspecto o elemento puede ser utilizado solo sin los otros aspectos y elementos de las modalidades o en varias combinaciones con o sin otros aspectos y elementos aquí descritos.

La descripción escrita utiliza ejemplos de la materia objeto descrita para permitir que cualquier experto en la técnica p ractique la misma, incluyendo hacer y utilizar cualquier dispositivo o sistema y realizando cualquier método incorporado. El alcance patentable de la materia objeto se define por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a aquellos expertos en la técnica. Dichos otros ejemplos pretenden quedar dentro del alcance de las reivindicaciones.

Las modalidades ilustrativas antes descritas pretenden ser ilustrativas en todos los aspectos, en lugar de restrictivas, de la presente invención. De esta manera, la presente invención es capaz de muchas variaciones en una implementación detallada que puede derivarse de la descripción contenida aquí por un experto en la técnica. S e considera que todas estas variaciones y modificaciones están dentro del alcance y espíritu de la presente invención como se define por las siguientes reivindicaciones. Ningún elemento, acto, o instrucción usado en la descripción de la presente solicitud debe ser construido como crítico o esencial a la invención a menos que explícitamente se describa como tal. También, como se utiliza aquí, el artículo "un", "una", "uno" pretende incluir uno o más artículos.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de bucle cerrado para producir energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) y un fluido de ORC, el sistema comprende: una primera fuente de energía solar configurada para calentar un líquido de ORC a un líquido de ORC saturado; una segunda fuente de energía solar fluidamente conectada a la primera fuente de energía solar y configurada para vaporizar el líquido de ORC saturado para volverse vapor de ORC; y una turbo-máquina configurada para recibir vapor de ORC y producir energía mecánica al expandir el vapor de ORC.

2. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con la reivindicación 1, que además comprende: un tanque fluidamente conectado entre la primera fuente de energía solar y la segunda fuente de energía solar y configurado para almacenar el líquido de ORC saturado.

3. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con la reivindicación 1 o reivindicación 2, que además comprende: un dispositivo de control fluidamente conectado entre el tanque y la segunda fuente de energía solar y configurado para controlar un flujo del líquido de ORC saturado hacia la segunda fuente de energía solar.

4. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que además comprende: un dispositivo de calentamiento fluidamente conectado al dispositivo de control y configurado para vaporizar el líquido de ORC saturado, en donde el dispositivo de control está configurado para dirigir el líquido de ORC saturado desde el tanque hacia el dispositivo de calentamiento y no hacia la segunda fuente de energía solar cuando la segunda fuente de energía solar no está activa.

5. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que además comprende: un dispositivo regulador fluidamente conectado al dispositivo de control y configurado para vaporizar el líquido de ORC saturado al reducir su presión, en donde el dispositivo de control está configurado para dirigir el líquido de ORC saturado desde el tanque hacia el dispositivo regulador y no hacia la segundo fuente de energía solar cuando la segunda fuente de energía solar no está activa.

6. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que además comprende: un tanque de separación fluidamente conectado entre el dispositivo regulador y la turbo-máquina y configurado para proporciona el vapor de ORC a la turbo-máquina y el líquido de ORC saturado de regreso al tanque o a la primer fuente de energía solar.

7. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en donde la primera fuente de energía solar está configurada para no vaporizar el líquido de ORC.

8. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que además comprende: un recuperador fluidamente conectado a una salida de la turbo-máquina y configurado para remover el calor del fluido de ORC vaporizado; un dispositivo de enfriamiento fluidamente conectado al recuperador y configurado para transformar el fluido de ORC vaporizado al líquido de ORC; y una bomba fluidamente conectada entre el dispositivo de enfriamiento y el recuperador y configurada para bombear el líquido de ORC al recuperador, en donde el líquido de ORC bombeado desde la bomba recibe calor en el recuperador del líquido de ORC vaporizado que viene de un mecanismo de expansión de la turbo-máquina.

9. Un sistema de bucle cerrado para producir energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC) y un fluido de ORC, el sistema comprende: una turbo-máquina configurada para transformar el calor a energía mecánica; un recuperador fluidamente conectado a una salida de la turbo-máquina y configurado para remover el calor del fluido de ORC vaporizado; un dispositivo de enfriamiento fluidamente conectado al recuperador y configurado para transformar el fluido de ORC vaporizado de regreso al líquido de ORC; una bomba fluidamente conectada entre el dispositivo de enfriamiento y el recuperador y configurada para bombear el líquido de ORC al recuperador; una primera fuente de energía solar configurada para transformar, a través de calentamiento, el líquido de ORC a un líquido de ORC saturado; y una segunda fuente de energía solar fluidamente conectada a la primera fuente de energía solar y configurada para vaporizar el líquido de ORC saturado para volverse vapor de ORC, en donde la turbo-máquina está configurada para recibir el vapor de ORC desde la segunda fuente de energía solar.

10. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con la reivindicación 9, que además comprende: un tanque fluidamente conectado entre la primera fuente de energía solar y la segunda fuente de energía solar y está configurado para almacenar el vapor de ORC saturado.

11. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con la reivindicación 9 o reivindicación 10, que además comprende: un dispositivo de control fluidamente conectado entre el tanque y la segunda fuente de energía solar y configurado para controlar un flujo del líquido de ORC saturado hacia la segunda fuente de energía solar.

12. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que además comprende: un dispositivo de calentamiento fluidamente conectado entre el dispositivo de control y la turbo-máquina y configurado para vaporizar el líquido de ORC saturado, en donde el dispositivo de control está configurado para dirigir el líquido de ORC saturado desde el tanque hacia el dispositivo de calentamiento y no a la segunda fuente de energía solar cuando la segunda fuente de energía solar no está activa.

13. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, que además comprende: un dispositivo regulador fluidamente conectado al dispositivo de control y configurado para vaporizar el líquido de ORC saturado al reducir su presión, en donde el dispositivo de control está configurado para dirigir el líquido de ORC saturado desde el tanque hacia el dispositivo regulador y no a la segunda fuente de energía solar cuando la segunda fuente de energía solar no está activa.

14. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, que además comprende: un tanque de separación fluidamente conectado entre el dispositivo regulador y la turo-máquina y configurado para proporcionar el vapor de ORC a la turbo-máquina y el líquido de ORC saturado de regreso al tanque o la primera fuente de energía solar.

15. El sistema de bucle cerrado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en donde la primera fuente de energía solar está configurada para no vaporizar el líquido de ORC.

16. Un método para generar energía utilizando un Ciclo de Rankine Orgánico (ORC), el método comprende: transformar el líquido de ORC, a través de calentamiento dentro de una primera fuente de energía solar, a un líquido de ORC saturado en un sistema de bucle cerrado; almacenar el líquido de ORC saturado en un tanque de almacenamiento; controlar un flujo del líquido de ORC saturado hacia una segunda fuente de energía solar u otro dispositivo para transformar el líquido de ORC saturado a vapor de ORC; expandir el vapor de ORC en una turbo-máquina para producir energía; y enfriar el vapor de ORC para cambiarlo de regreso al líquido de ORC y regresar el líquido de ORC de regreso a la primera fuente de energía solar.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 16, que además comprende: vaporizar el fluido de ORC saturado en la segunda fuente de energía pero no vaporizar el fluido de ORC en la primera fuente de energía solar.

18. El método de acuerdo con la reivindicación 16 o reivindicación 17, que además comprende: calentar, con la fuente de calor, el líquido de ORC saturado que viene de un dispositivo de control para volverse el vapor de ORC antes de proporcionarlo a un mecanismo de expansión de la turbo-máquina.

19. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, que además comprende: reducir, en un dispositivo regulador, una presión del líquido de ORC saturado que viene de un dispositivo de control para volverse parcialmente vapor de ORC antes de proporcionar el vapor de ORC a un mecanismo de expansión de la turbo-máquina.

20. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, que además comprende: separar el líquido de ORC saturado del vapor de ORC en un tanque de separación fluidamente conectado entre la turbo-máquina y el dispositivo regulador.