WO2008012390A1 - Caldera de energía solar - Google Patents

Abstract

Caldera de energía solar consistente en la ubicación de colectores de absorción de luz solar reflejada concentrada, a lo alto y ancho de una torre central en un campo de helióstatos, de tal manera que dichos colectores ocupen la mayor parte de la fachada activa de dicha torre, con objeto de producir eficientemente y con las menores pérdidas exergéticas la ebullición del fluido termodinámico que circule por el interior de los paneles, obteniéndose vapor sobrecalentado en la salida de la torre, cuyo conjunto de tuberías incluye la recirculación de la fase líquida del fluido.

Description

Caldera de energía solar. Sector de la técnica

La invención se enmarca en el campo del aprovechamiento de la energía solar con el fin de calentar materiales, típicamente fluidos, hasta muy alta temperatura, eventualmente con cambio de fase, particularmente ebullición.

Dentro de este sector, la invención se encuadra en el ámbito de las instalaciones basadas en concentración de la luz solar mediante sistemas de reflexión óptica, para focalizarla en una zona más o menos amplia en la cual se produce el calentamiento buscado.

A su vez, dentro de este tipo de instalaciones, la invención se ubica en los sistemas con una, o varias, torres centrales, en las cuales se ubican las zonas de calentamiento, procediendo la luz solar concentrada de la reflexión de varios espejos convenientemente orientables, que se despliegan en lo que se denomina campo de helióstatos.

Por último, dentro de este tipo de instalaciones, la invención se centra en la disposición geométrica y física de los elementos colectores absorbentes de la luz solar concentrada, y por tanto también afecta, o condiciona, al sistema de orientación de los helióstatos a lo largo de las evoluciones diurna y estacional del sol. Estado de la técnica

Desde hace más de un siglo (véase la patente histórica norteamericana n° 608755, concedida a H.F.Cottle en 1898 sobre un "Apparatus for storing and using solar heat") se han ido proponiendo diversas configuraciones de un receptor central en el cual concentrar una importante irradiación de luz solar con objeto de obtener muy altas temperaturas.

Una patente especialmente significativa en este campo fue concedida en 1975 en Estados Unidos a D.E. Anderson (US Patent 3.924.604) en la cual una torre central alojaba en su parte superior un volumen receptor (muy en la idea original de Cottle) en el cual incidían los rayos reflejados por un conjunto de helióstatos con una inclinación adecuada respecto de la posición del sol en cada momento. Aunque en dicha patente la torre ocupaba una posición central al campo, una generalización obvia de la idea podía desplazar la ubicación de la torre hacia el extremo meridional del campo de helióstatos (en el hemisferio norte) con objeto de obtener ángulos de incidencia y reflexión más fácilmente manejables por los sistemas de seguimiento solar (sun tracking).

De hecho, una simplificación del sistema de seguimiento solar y de la orientación mecánica de los helióstatos puede encontrarse en la US Patent 4.136.674, concendida a A.L.Korr en 1977. En esta patente, la torre ocupaba una posición central al campo de helióstatos, dispuestos circularmente alrededor de la torre, con inclinación fija, de tal modo que sólo se realizaba un giro azimutal (en el plano horizontal) en función de la evolución horaria del sol. Al tener los helióstatos una inclinación fija, la incidencia, sobre la torre, de los rayos reflejados, no se produciría siempre a la misma altura; sino que los rayos incidirían sobre la parte alta de la torre cuando el sol estuviera bajo, y sobre la parte baja cuando el sol estuviera alto. Por tal motivo, toda la torre estaba revestida de tubos absorbentes de la radiación solar concentrada, de tal manera que hubiera en cada momento una parte de la torre que actuara como elemento captador activo, y el resto sería inútil a esos efectos. Obviamente, un gran inconveniente de esa invención era que la superficie de calentamiento era mucho menor que la superficie total de enfriamiento (pérdidas térmicas) por convección y radiación desde todo el revestimiento de la torre.

El control de la inclinación de los helióstatos para obtener altos valores de concentración de la luz solar puede hacerse por diversos métodos, como el de la patente PCTYIL96/00018, de A.Yogrev y V.Krupkin, en la cual se busca maximizar la energía concentrada en un pequeño volumen receptor, que actúa de verdadero horno solar.

Esta idea de horno solar es la común y dominante en todas las configuraciones de torre de concentración, como las existentes en la Plataforma Solar de Almería (CIEMAT, España) en el National Solar Thermal Test Facility del Sandia National Laboratory de Alburquerque (New México, USA), en el Centro de Barstow (California) perteneciente al US DOE, así como la central termoeléctrica prototipo en construcción en Sevilla (SOLUCAR, de Abengoa). La adopción de un reactor solar de pequeña superficie de focalización de la luz solar concentrada por la reflexión del campo de helióstatos es comprensible desde la finalidad de disponer de un horno solar de alta temperatura, que sirva como foco calorífico de un ciclo termodinámico. Sin embargo, no parece la solución más adecuada para una utilización óptima de la exergía disponible en la luz solar concentrada, cuando ésta se desea emplear para producir electricidad mediante un ciclo termodinámico con ebullición y condensación, que es la vía más usual.

Explicación de la invención

La invención se basa en utilizar toda la altura de una torre de recepción de la luz solar reflejada con concentración, de tal manera que la pared iluminada de la torre, sobre la cual se disponen los captadores apropiados, actúe de manera similar a como hace una caldera convencional de tubos verticales, aunque en el caso convencional tiene un papel muy importante la convección humo- tubos, y en el caso de esta invención la carga térmica se produce por la radiación incidente en el lado activo de la torre.

La torre tiene por tanto una misión estructural elemental que es la de dar consistencia mecánica a la estructura, y soportar los elementos activos de la misma, que se describen más detalladamente en los dibujos subsiguientes. Los elementos activos fundamentales de esta invención son los captadores ubicados a lo ancho y alto de la torre, dentro de los cuales circula el fluido que se desea calentar hasta condiciones de ebullición. En la parte superior de la torre, pero no en su ápice, se ubica el calderín de separación de la fase líquido-vapor, del cual baja la recirculación de la fase líquida, y del cual emerge por arriba el vapor separado.

Al margen de que el calderín pueda incorporar separadores de vapor para evitar el arrastre de gotas líquidas, lo específico de esta invención es que se dispone de un receptor solar de sobrecalentamiento en la zona superior de la torre, hasta su remate, de tal manera que se alcance un vapor totalmente seco y sobrecalentado, con la ventaja que esto reporta desde el punto de vista del ciclo termodinámico en el que se ha de explotar la energía de dicho vapor.

Aunque en las figuras subsiguientes la torre se presenta con una fachada activa plana, ésta podría ser de tipo circular o con cierta curvatura, para acomodarla lo más eficazmente posible a la recepción de la luz solar reflejada.

Cuestión fundamental en esta invención es que los helióstatos de reflexión de la luz solar no se orientan exclusivamente hacia la zona superior de la torre donde se ubica el colector solar (u horno solar) en las instalaciones convencionales, sino que los helióstatos enfocan su luz reflejada hacia distintas alturas de la torre, pudiéndose ajustar el control de seguimiento de cada helióstato, o grupo de helióstatos, para hacer incidir sobre el colector de la torre la radiación térmica con la intensidad necesaria a cada altura.

Habida cuenta las dimensiones transversal y de altura que puede tener la torre, se dispone de superficie suficiente para poder concentrar la luz solar de un campo de helióstatos dado, y conseguir las mejores condiciones de conversión exergética de la radiación solar inicial en vapor sobrecalentado del fluido de trabajo.

Hay que tener en cuenta que el calentamiento debe producirse de manera gradual, y en función del coeficiente de película del fluido de trabajo por el interior de los colectores de la torre. Ello dependerá de las condiciones termodinámicas que tenga el fluido a cada altura.

Las prestaciones óptimas se alcanzarán adecuando la intensidad de radiación a las condiciones de refrigeración, para efectuar la transmisión de energía en condiciones óptimas, con un salto mínimo de temperaturas. Esto evita también problemas de tensiones mecánicas por fuertes gradientes térmicos.

La recirculación de la fase líquida que se produce desde el calderín hasta el pie de la torre por la parte no activa de la misma, o por su interior, permite que el caudal de fluido que sube por la parte activa alcance dichas condiciones idóneas para la transmisión de calor por ebullición, compatibilizando una buena refrigeración del colector solar con la generación del caudal de vapor necesario para la potencia buscada en la instalación.

Dicha recirculación se puede modificar merced a una bomba de recirculación al pié de la columna de recirculación, la cual modificará apropiadamente la aportación del fluido principal que procede del ciclo termodinámico de expansión y condensación del vapor generado. Explicación de los dibujos

En el dibujo 1, se representa la torre, 1, que da consistencia mecánica al conjunto, en el que destacan los colectores absorbentes, 2, de la parte activa de la torre. Estos colectores absorbentes recubren prácticamente la totalidad de la fachada en la cual inciden los rayos reflejados desde el campo de helióstatos, 3.

El fluido es impulsado desde la tubería de alimentación por la bomba, 4, que le impulsa hacia la parte activa de la torre con sus colectores, 2. Dicha impulsión se complementa con la proporcionada con la bomba de recirculación, 5, situada al pié de la columna o columnas de bajada de recirculación 6.

A medida que el fluido asciende por el interior de los colectores de absorción de la luz solar, 7, va cambiando de fase, incrementándose su título en vapor, hasta la llegada al calderín, 8, donde coexisten ambas fases, lo cual es función de la presión de trabajo existente en el calderín, que ha de estar en equilibrio con la admisión de vapor sobrecalentado, 9, en el ciclo termodinámico de explotación de la energía, y asimismo ha de estar en equilibrio con la sobrepresión de impulsión dada por las bombas 4 y 5, más la pérdida de carga manométrica en la ascensión.

El control de las condiciones en el calderín permite efectuar seguimiento de potencia en la demanda del ciclo termodinámico, lo cual sin embargo no es objeto de la invención, que se limita a proporcionar el vapor a ser explotado termodinámicamente. δ

Para mejorar las condiciones de dicho vapor producido, en la parte superior del calderín se dispone de un conjunto de separadores de vapor, 10, que devuelven hacia abajo las gotas de líquido, permitiendo que el vapor continúe su ascensión con título prácticamente unidad, y a partir de ahí se sobrecaliente en el colector superior de la torre, 11, que tendrá su parte activa rematando la misma, y recibiendo la radiación térmica adecuada a sus condiciones de absorción del calor por parte del vapor seco.

Para evitar pérdidas de calor en la recirculación del fluido y en el vapor producido, las columnas y tuberías de dichos sistemas deberán ir convenientemente aisladas o calorifugadas, tal como se muestra en la capa aislante, 12.

La torre podrá tener su cimentación estructural adecuada, 13, al igual que los helióstatos, pero ello no pertenece específicamente a la invención, que se centra en la disposición de los paneles solares a lo ancho y alto de la pared activa de la torre.

Dichos paneles pueden tener diverso tipo de configuración, particularmente en lo referente a la canalización del fluido ascendente, que puede ir por tuberías independientes, o en un conducto amplio que cubra toda la sección recta transversal disponible para el paso del fluido.

En el dibujo 2, se representa un corte transversal de una posible disposición del colector de la parte activa de la torre, en la cual esta correspondería a la parte estructural, 1, sobre la que se asentaría el conjunto del colector, que se descompone en los siguientes elementos: una placa absorbente, 2, de baja emisividad para las temperaturas de funcionamiento previsible de la instalación, y de muy alta absortancia para las longitudes de onda típicas de la radiación solar. Con objeto de evitar la refrigeración por convección del aire circundante el panel absorbente estaría dentro de un ámbito de vacío limitado por una ventana transparente, 14. El vidrio de dicha ventana estaría escogido en sus características de tal manera que fuera de alta transparencia para los fotones típicos de la luz solar, y sin embargo, retrodispersara los fotones propios de la emisión de radiación del panel, 2, con temperaturas características de la aplicación de la que se tratara (típicamente de cientos de K ó incluso 1.000 K). Este efecto invernadero creado dentro de la célula de absorción minimizará las pérdidas térmicas por la cara activa del panel.

Similarmente, para reducir las pérdidas por conducción hacia la torre, se dispondrá de un aislante, 15, que minimizará el paso de calor desde el canal de fluido, 7, hacia la torre y sus componentes.

Una cuestión de particular relevancia en la parte activa del panel, 2, es la acomodación de las dilataciones que pueda sufrir entre la temperatura de montaje o temperatura ambiente y las temperaturas de operación, incluyendo las posibles condiciones de sobrepotencia que se prevean. Para ello, el colector de dicha parte activa tendrá que asentarse sobre la superficie lateral de la torre o sobre el aislante, 15, de manera que se puedan permitir las dilataciones, y para ello se deberá acoplar la parte plana a un fleje semicircunferencial, 16, con punto de inflexión para ser soldado tanto al colector por un extremo como a la superficie de la torre o al aislante, por el otro extremo.

Podría haber otras configuraciones similares, pero basadas en canalización del fluido por tubos, como se representa en el dibujo 3. En tal caso, el colector activo, 2, está compuesto de un conjunto de tubos unidos entre sí por una placa absorbente, de características similares a las de los tubos, embebido todo ello en el interior de la célula del absorbente, confinada entre la ventana transparente, 14, y la pared aislante posterior, 15. En esta configuración habría que disponer de una lira de acomodación de la expansión, 17, para permitir las dilataciones transversales del conjunto de los tubos. Lógicamente, estos tendrían que tener su acomodación de dilatación en altura, antes de la entrada en el calderín.

Modo de realización de la invención

La invención puede materializarse sobre diversos tipos de torre, y para una amplísima variedad de campos de helióstatos, pues los requisitos impuestos al control de éstos para el seguimiento solar serían absolutamente ordinarios. Lo específico de la invención sería la disposición de los paneles a lo ancho y alto de la torre de concentración, de tal manera que durante la ascensión del fluido de trabajo por el interior de los colectores solares se produjera la ebullición parcial del mismo. Para ello se pueden utilizar materiales convencionales como cobre, aluminio o acero, aunque hay que tener en cuenta la conductividad térmica decreciente en los materiales indicados. En este sentido es fundamental contar con un recubrimiento específico, que también puede ser ordinario en la industria solar actual, con alta absortancia para la luz solar, y baja emísividad para la radiación térmica de los paneles (correspondiente a la temperatura de operación, de varios cientos de K, e incluso 1.000 K).

El montaje sería sobre la pared activa de la torre, inyectando el fluido ascendente en el calderín, que se montaría como un cabezal flotante sobre el conducto ascendente del fluido de trabajo.

La invención por tanto podría materializarse en cualquiera de las torres existentes con campos de helióstatos, requiriendo no obstante la refocalización de éstos para apuntar con los rayos reflejados a la altura apropiada de la torre en cada caso, adecuándose la densidad de potencia incidente en cada sector de la torre colectora, para conseguir maximizar el rendimiento exergético en la producción de vapor y en su recalentamiento, para lo cual se habría de realizar un adecuado direccionamiento sectorial del campo de helióstatos.

Claims

Reivindicaciones

1. Caldera de energía solar, caracterizada por disponer verticalmente los colectores de absorción de la luz solar (2) a lo ancho y alto de la pared, plana o curva, de una torre (1) de altura suficiente para posibilitar la ebullición de un fluido de trabajo que ascienda por el interior de dichos colectores, hasta un calderín (8) en el cual se verifique la separación de las fases del fluido, descendiendo por una canalización adecuada (6) la fase líquida para su recirculación, y ascendiendo la fase de vapor para su ulterior sobrecalentamiento en los colectores ubicados en la parte más alta de la torre (11), desde los cuales emergerán como vapor apropiado para la alimentación de un ciclo termodinámico.

2. Caldera de energía solar, según reivindicación 1, caracterizada por que la luz incidente sobre los colectores situados en la torre proviene de un campo de helióstatos con seguimiento solar, para reflejar la luz directa del sol sobre la pared activa de la torre con sus colectores, de tal manera que la densidad superficial de potencia incidente sobre éstos a las diversas alturas provoca el consiguiente aumento de entalpia y la correspondiente ebullición en la primera etapa de paso del fluido a través de los colectores verticales (2), hasta llegar al calderín (8) con cierto título de vapor, que será función de la potencia solar recibida y de las condiciones del flujo de fluido, en caudal y temperatura de entrada.

3. Caldera de energía solar, según reivindicación 1, caracterizada por que en el calderín (8) se produce la separación de fases, recirculándose la fase líquida merced a la bomba (5) que actúa en la tubería de recirculación (6), teniéndose así un grado de libertad para variar el caudal de fluido ascendiente en la primera etapa de colectores (2), pudiendo por tanto tener un título óptimo de cara a favorecer la ebullición, independientemente del caudal de vapor a producir, que se restituye al circuito a través de la bomba de condensado (4) proveniente del ciclo termodinámico que se alimenta por la salida de vapor seco (12).