WO2007099184A1 - Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar - Google Patents

Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a system for generating steam from solar radiation in which steam is generated in two or more independent central tower and heliostat subsystems, the flow rates of steam generated being conducted through pipes to the point of use.
  • the total steam flow thus available can be used in industrial processes, urban services, power generation plants, cogeneration plants, desalination plants, etc.
  • the main problems are the technical-economic infeasibility of sufficiently raising the height of the tower to maintain the relationship between the distance of the farthest heliostat and the height of the tower, the pointing errors of the heliostats away from the tower and the losses due to atmospheric attenuation
  • These problems are also related, since by decreasing the angle between the reflected radiation beam and the ground, because the indicated ratio is high, it is necessary to excessively separate the rows of heliostats to reduce blockage losses, which further increases the distances to the tower and, therefore, point errors and losses due to atmospheric attenuation.
  • the proposed invention allows the exposed disadvantages of existing systems to be avoided, generating steam in several independent subsystems optimized central tower and heliostats, conducting steam flows generated through pipes to the point of use.
  • the main advantages of the central tower systems are retained over those of parabolic trough collectors (high performance of the collection field, absence of thermal fluid, good thermal storage possibilities) without the problems of deterioration of the collection system performance and the poor use of the land presented by the central tower systems by increasing the total steam generation capacity.
  • Another great advantage of the proposed invention is that it allows to build, test and optimize a steam generation subsystem of limited size and cost and build from it without risk of development of large capacity steam or electricity generation plants, simply by installing the required number of subsystems of optimal capacity.
  • a conventional central receiver system of said capacity at the receiver would only reach approximately 45% of the average annual collection yield for the same conditions, including the receiver, so that it would have a gross annual average yield of 15.4 %. That is, the proposed invention would improve the yields of the existing technology by 5.1 points, therefore requiring 33% less surface heliostats to generate the same electrical energy. Additionally, the reduction in the area of occupied land would be even more favorable, of the order of 40% less, due to the better use of the land of the proposed invention, with a significantly lower average distance between the rows of heliostats.
  • the proposed invention would imply a 12.5% reduction in the total investment of the plant and in the corresponding maintenance costs. Additionally, there would be important advantages in development costs derived from the modular nature of the collection system of the proposed invention, which eliminates the risks of escalation of the receiver and the storage system fundamentally.
  • the proposed invention is compatible with all central tower technologies, including those relating to the working fluid in the receiver, which can be directly water vapor or an intermediate fluid (air, salts or any other), from which it is obtained water vapor
  • an interesting alternative is to incorporate only the salt receiver in each of the subsystems and bring all the flows of hot salts produced to a steam generator central, preferably associated with an equally central storage system, due to the possible advantages of having a single steam generator and a single thermal storage system.
  • the proposed invention is considered particularly appropriate in combination with this technology, both in its version of flat receivers and with cavity receptors, although the latter are more appropriate to achieve high receiver recirculation and overall yields.
  • the proposed invention could also incorporate in each subsystem, in addition to the corresponding steam generator, a thermal storage of static solid elements associated with the air circuit, in order to increase the hours annual operation of the steam generation system and allow a high degree of regulation of the production.
  • a particularly interesting application of the proposed invention is that of generating electricity by expanding the steam produced in a steam turbine.
  • it may be cost effective to carry out a steam reheating process.
  • it will be convenient to adopt solutions that minimize the loss of load from the reheating process.
  • the fluid used in the receiver is a good heat transmitter (for example salts) and a single central steam generator is available, reheating would be carried out in this same equipment with part of the flow of transmitting fluid, in parallel with the vaporization-overheating process.
  • reheating would be carried out in this same equipment with part of the flow of transmitting fluid, in parallel with the vaporization-overheating process.
  • Figures 1, 2 and 3 include, for illustrative purposes, possible plant arrangements and application schemes following the proposed invention.
  • Figure 1 shows a possible arrangement of a plant with 23 subsystems in which the towers (1) have been arranged in a triangular framework, trying to make the optimum shape of a heliostat field (2) compatible with a good use of the land.
  • the power plant (3) for electricity generation or other uses, has been practically located in the center of the subsystems, to minimize the tracing of heat transmission pipes.
  • FIG. 2 shows a possible application scheme with atmospheric pressure air receiver (4) for electric generation, with steam reheating at intermediate pressure, with only 6 subsystems represented.
  • Each subsystem includes the air receiver (4), a thermal storage (5) and a steam generator (6), being in the subsystems closest to the power system a superheater and in the furthest ones a vaporizer-superheater.
  • the air circuit of each subsystem has regulating fans (7) and the water-steam circuit of Each subsystem is provided in this example regulated by an automatic valve (8), with a common supply system for all subsystems.
  • FIG. 3 shows a possible application scheme with molten salt receiver (9) for electric generation, also with steam reheating at intermediate pressure and only 6 subsystems represented.
  • Each subsystem includes the salt receiver (9), but in this case it does not include neither storage nor steam generator, but in this example the salts are taken to the power system, where a storage of hot and cold tanks is located (10 ) and the steam generator with vaporizer-superheater and parallel superheater (11).
  • the salt circuit of each subsystem is provided in this example regulated by an automatic valve (12), with a common salt pumping system (13) for all subsystems.

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Abstract

La invención se refiere a un sistema de generación de vapor a partir de radiación solar en el que el vapor se genera en dos o más subsistemas independientes de torre central y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de vapor generados al punto de utilización. El caudal total de vapor así disponible puede emplearse en procesos industriales, servicios urbanos, plantas de generación eléctrica, plantas de cogeneración, plantas de desalación, etc.

Description

SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR A PARTIR DE RADIACIÓN SOLAR
La invención se refiere a un sistema de generación de vapor a partir de radiación solar en el que el vapor se genera en dos o más subsistemas independientes de torre central y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de vapor generados al punto de utilización. El caudal total de vapor así disponible puede emplearse en procesos industriales, servicios urbanos, plantas de generación eléctrica, plantas de cogeneración, plantas de desalación, etc.
El sistema existente más desarrollado de aprovechamiento de energía solar para generación de vapor es de colectores distribuidos cilindroparabólicos, con fluido térmico como transmisor de calor. Con el fluido térmico se produce vapor de agua en un generador de vapor central que normalmente se emplea para generar energía eléctrica en una turbina de vapor. Con este sistema se han construido y están operativas varias plantas de decenas de megavatios y están planificadas o en construcción varias más. Este exitoso sistema presenta sin embargo varios inconvenientes importantes, que dificultan su expansión comercial a gran escala. Entre ellos destacan el bajo rendimiento medio anual del campo de colectores (con su impacto sobre el coste del campo por unidad de energía útil), Ia dificultad de integrar un almacenamiento térmico eficaz y el riesgo ambiental asociado al fluido térmico. En Ia actualidad se están tratando de soslayar los dos últimos aspectos, mediante Ia incorporación de almacenamientos de sales y Ia generación directa de vapor en los colectores o el empleo de sales como vector de transmisión y almacenamiento único. Sin embargo Ia generación directa de vapor, además de las dificultades técnicas que entraña, incrementa Ia variabilidad de Ia producción de vapor y es incompatible con los almacenamientos de sales, requiriendo otras posibles formas de almacenamiento todavía menos desarrolladas, como sistemas de cambio de fase. El empleo único de sales como transmisor de calor y almacenamiento se presenta prometedor pero constituye un reto técnico notable y puede que nunca llegue a constituir una opción comercial viable.
Por otra parte, el aprovechamiento de energía solar para generación de vapor mediante sistemas de torre central está menos desarrollado, estando actualmente previstas las primeras plantas de demostración comercial de Ia tecnología, para producción de energía eléctrica a partir del vapor de agua generado: Solar Tres (17 MWe) con receptor de sales fundidas y PS10 (11 MWe) con receptor de vapor saturado. La primera, diseñada con un gran almacenamiento de sales para 15 horas, dispondrá de un receptor de 120 MWth, mientras que Ia segunda, con un pequeño almacenamiento de vapor para 50 minutos, dispondrá de un receptor de 50 MWth. Las previsiones de futuro de esta tecnología de generación (según el Departamento de Energía de EEUU) son alcanzar en el 2030 potencias eléctricas unitarias de 200 MWe, con un receptor de 1400 MWth y un campo de heliostatos de 2.447.000 m2. Sin embargo, esta filosofía establecida de diseño de plantas de generación eléctrica de gran potencia con una torre central de gran altura y un gran número de heliostatos concentrando Ia radiación solar en el receptor situado sobre Ia torre presenta notables problemas de escalación, que impiden alcanzar un apropiado grado de optimización del diseño y de los resultados técnico-económicos de este tipo de plantas de generación. Los principales problemas son Ia inviabilidad técnico- económica de elevar suficientemente Ia altura de Ia torre para mantener Ia relación entre Ia distancia del heliostato más lejano y Ia altura de Ia torre, los errores de apunte de los heliostatos alejados de Ia torre y las pérdidas por atenuación atmosférica. Estos problemas están además relacionados, ya que al disminuir el ángulo entre el haz de radiación reflejada y el terreno, por ser elevada Ia relación indicada, es preciso separar excesivamente las filas de heliostatos para reducir las pérdidas por bloqueos, Io que incrementa aún más las distancias a Ia torre y, por tanto, los errores de apunte y las pérdidas por atenuación atmosférica. Todo ello perjudica al rendimiento del campo al aumentar su tamaño por encima de cierto punto, empeorando el factor coseno, el factor de transmisión atmosférica y el factor de interceptación, además de implicar un menor aprovechamiento del terreno y dificultar un diseño óptimo del receptor. El recurso al emplazamiento de heliostatos en zonas alrededor de Ia torre poco apropiadas en cuanto a factor coseno, con campos norte de gran ángulo o campos circulares, no hace sino substituir unos factores de pérdida de rendimiento por otros. Por todo Io anterior, al incrementar a partir de cierto punto el tamaño de Ia planta, Ia mejora del rendimiento del ciclo y Ia reducción de los costes específicos de operación no compensan Ia reducción del rendimiento del sistema de captación, impidiendo mejorar los rendimientos globales y reducir los costes de generación.
La invención propuesta permite soslayar los inconvenientes expuestos de los sistemas existentes, generando el vapor en varios subsistemas independientes optimizados de torre central y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de vapor generados al punto de utilización. Con esta solución se conservan las principales ventajas de los sistemas de torre central frente a los de colectores cilindroparabólicos (alto rendimiento del campo de captación, ausencia de fluido térmico, buenas posibilidades de almacenamiento térmico) sin los problemas de deterioro del rendimiento del sistema de captación y del pobre aprovechamiento del terreno que presentan los sistemas de torre central al incrementar Ia capacidad total de generación de vapor. Otra gran ventaja de Ia invención propuesta es que permite construir, probar y optimizar un subsistema de generación de vapor de limitado tamaño y coste y construir a partir de él sin riesgo de desarrollo plantas de generación de vapor o electricidad de gran capacidad, simplemente instalando el requerido número de subsistemas de capacidad óptima.
Una planta de generación eléctrica de media-alta capacidad, de unos 30 MWe brutos, con múltiplo solar igual a 3 y elevada capacidad de almacenamiento, requeriría para un rendimiento del ciclo del 37% una potencia térmica absorbida en el receptor de unos 250 MWth. Para esta capacidad total, un subsistema optimizado siguiendo Ia invención propuesta, con una capacidad unitaria de cada receptor varias veces inferior, podría ofrecer un rendimiento de captación medio anual, incluyendo pérdidas de almacenamiento y de transporte en las tuberías de agua-vapor y del receptor, de hasta el 60% aproximadamente (dependiendo de Ia tecnología empleada), Io que conduciría a un rendimiento medio anual bruto de Ia planta (con un rendimiento medio anual del ciclo del 36% y una disponibilidad del 95%) del 20,5%. Por contra, un sistema convencional de receptor central de dicha capacidad en el receptor, sólo alcanzaría para las mismas condiciones aproximadamente un 45% de rendimiento medio anual de captación, incluyendo el receptor, con Io que tendría un rendimiento medio anual bruto del 15,4%. Es decir, que Ia invención propuesta permitiría mejorar los rendimientos de Ia tecnología existente unos 5,1 puntos, requiriendo por tanto un 33% menos de superficie de heliostatos para generar Ia misma energía eléctrica. Adicionalmente, Ia reducción en el área de terreno ocupada sería aún más favorable, del orden de un 40% menos, por el mejor aprovechamiento del terreno de Ia invención propuesta, con una distancia media notablemente inferior entre las filas de heliostatos.
Esta notable mejora del rendimiento y Ia consiguiente reducción del coste total de los heliostatos permite compensar sobradamente los posibles incrementos de coste derivados de Ia multiplicidad de torres, almacenamientos térmicos, generadores de vapor y tuberías que Ia invención propuesta requiere. Debe tenerse en cuenta que el coste de los heliostatos supone del orden del 50% del coste total de Ia planta, mientras que todos los equipos reseñados que se multiplican sólo suponen del orden del 20%. Por tanto, una reducción del 33% del número de heliostatos implicaría una reducción del 16,5% de Ia inversión total de Ia planta, mientras que Ia multiplicidad de dichos equipos sólo supondría entre el 10% y el 20% de incremento de su coste total (teniendo en cuenta también las ventajas del diseño y fabricación repetitivos y las mayores posibilidades de fabricación en taller), Io que implicaría como máximo un 4% de incremento de Ia inversión total de Ia planta. Como balance, Ia invención propuesta implicaría una reducción del 12,5% en Ia inversión total de Ia planta y en los correspondientes costes de mantenimiento. Adicionalmente se tendrían las importantes ventajas en los costes de desarrollo derivadas del carácter modular del sistema de captación de Ia invención propuesta, que elimina los riesgos de escalación del receptor y del sistema de almacenamiento fundamentalmente.
La invención propuesta es compatible con todas las tecnologías de torre central, incluyendo las referentes al fluido de trabajo en el receptor, que puede ser directamente vapor de agua o un fluido intermedio (aire, sales o cualquier otro), a partir del cual se obtiene el vapor de agua. En el caso de las sales u otros fluidos intermedios con buenas características de transmisión de calor, una alternativa interesante es Ia de incorporar sólo el receptor de sales en cada uno de los subsistemas y llevar todos los caudales de sales calientes producidos a un generador de vapor central, asociado preferentemente a un sistema de almacenamiento asimismo central, por las posibles ventajas de tener un sólo generador de vapor y un sólo sistema de almacenamiento térmico.
Por el elevado caudal volumétrico de los receptores de aire a presión atmosférica, Ia invención propuesta se considera particularmente apropiada en combinación con esta tecnología, tanto en su versión de receptores planos como con receptores de cavidad, si bien estos últimos son más apropiados para conseguir altos rendimientos de recirculación y globales del receptor. En combinación con esta tecnología Ia invención propuesta podría incorporar asimismo en cada subsistema, además del correspondiente generador de vapor, un almacenamiento térmico de elementos sólidos estáticos asociado al circuito de aire, con objeto de incrementar las horas anuales de operación del sistema de generación de vapor y permitir un alto grado de regulación de Ia producción.
Una aplicación particularmente interesante de Ia invención propuesta es Ia de generación de electricidad mediante Ia expansión del vapor producido en una turbina de vapor. En esta aplicación, con objeto de incrementar el rendimiento del ciclo, puede ser rentable llevar a cabo un proceso de recalentamiento del vapor. En el caso básico de disponerse de un generador de vapor por subsistema será conveniente adoptar soluciones que minimicen Ia pérdida de carga del proceso de recalentamiento. Entre ellas pueden citarse Ia de realizar los recalentamientos en los subsistemas más próximos al turbogrupo, Ia de instalar un subsistema especial único de mayor tamaño para el recalentamiento o Ia de emplear un circuito intermedio transmisor de calor sólo en los subsistemas dedicados al recalentamiento. En el caso alternativo de que el fluido empleado en el receptor sea buen transmisor de calor (por ejemplo sales) y se disponga de un único generador de vapor central, el recalentamiento se realizaría en este mismo equipo con parte del flujo de fluido transmisor, en paralelo con el proceso de vaporización-sobrecalentamiento.
Las figuras 1 , 2 y 3 incluyen a efectos ilustrativos posibles disposiciones de planta y esquemas de aplicación siguiendo Ia invención propuesta.
La figura 1 muestra una posible disposición de una planta con 23 subsistemas en Ia que las torres (1 ) se han dispuesto en un entramado triangular, tratando de compatibilizar Ia forma óptima de un campo de heliostatos (2) con un buen aprovechamiento del terreno. La central de aprovechamiento de Ia energía (3), para generación eléctrica u otros usos se ha situado prácticamente en el centro de los subsistemas, para minimizar el trazado de tuberías de transmisión de calor.
La figura 2 muestra un posible esquema de aplicación con receptor de aire a presión atmosférica (4) para generación eléctrica, con recalentamiento del vapor a presión intermedia, con sólo 6 susbsistemas representados. Cada subsistema incluye el receptor de aire (4), un almacenamiento térmico (5) y un generador de vapor (6), siendo éste en los subsistemas más cercanos al sistema de potencia un recalentador y en los más alejados un vaporizador-sobrecalentador. El circuito de aire de cada subsistema dispone de ventiladores de regulación (7) y el circuito de agua-vapor de cada subsistema se ha previsto en este ejemplo regulado mediante una válvula automática (8), con un sistema de alimentación común para todos los subsistemas.
La figura 3 muestra un posible esquema de aplicación con receptor de sales fundidas (9) para generación eléctrica, también con recalentamiento del vapor a presión intermedia y sólo 6 subsistemas representados. Cada subsistema incluye el receptor de sales (9), pero en este caso no incluye ni almacenamiento ni generador de vapor, sino que las sales se conducen en este ejemplo al sistema de potencia, donde se encuentra un almacenamiento de tanques caliente y frío (10) y el generador de vapor con vaporizador-sobrecalentador y recalentador en paralelo (11 ). El circuito de sales de cada subsistema se ha previsto en este ejemplo regulado mediante una válvula automática (12), con un sistema de bombeo de sales (13) común para todos los subsistemas.

Claims

REIVINDICACIONES
1a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar caracterizado porque el vapor se genera en dos o más subsistemas independientes de torre central y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de vapor generados al punto de utilización.
2a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar de acuerdo con Ia reivindicación 1a caracterizado porque en el receptor situado en Ia torre central de cada subsistema se genera directamente vapor de agua.
3a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar de acuerdo con Ia reivindicación 1a caracterizado porque en el receptor situado en Ia torre central de cada subsistema se calienta un flujo de aire a presión prácticamente atmosférica, empleándose el flujo de aire caliente obtenido para generar vapor de agua en una caldera de recuperación.
4a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar de acuerdo con Ia reivindicación 1a caracterizado porque en el receptor situado en Ia torre central de cada subsistema se calienta un flujo de sal fundida, empleándose el flujo de sal caliente obtenido para generar vapor de agua en una caldera de recuperación.
5a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar caracterizado porque se calientan sales fundidas en dos o más subsistemas independientes de torre central y heliostatos, conduciéndose mediante tuberías los caudales de sales fundidas generados a un generador de vapor central.
6a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar de acuerdo con Ia reivindicación 3a caracterizado porque el receptor de aire es de cavidad
7a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar de acuerdo con Ia reivindicación 3a caracterizado porque cada subsistema incorpora un almacenamiento de energía térmica de elementos sólidos estáticos en el circuito de aire a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar de acuerdo con Ia reivindicación 1a o 5a caracterizado porque el vapor generado se emplea para producción de energía eléctrica en una turbina de vapor. a. Sistema de generación de vapor a partir de radiación solar de acuerdo con Ia reivindicación 8a caracterizado porque parte de Ia energía solar captada se emplea para efectuar un recalentamiento de vapor.
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