WO2010000892A2 - Tanque de almacenamiento de energía de dos temperaturas - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates generally to the field of thermal energy storage systems, and more particularly to improvements in the design of thermocline storage tanks. Background of the invention
  • Thermal energy storage systems are generally used in applications where it is necessary to separate the energy collection from the energy supply.
  • Solar energy collection systems are a typical example of this, since there may normally be a demand for energy during periods without solar radiation, when no energy can be collected, but it is still necessary to supply energy to meet that demand.
  • the size of solar energy collection systems can vary from small domestic collection systems, used to heat water, to much larger collection systems, such as those of electric solar generating plants.
  • thermal energy is to use the sensitive heat of a fluid. During periods with solar radiation, the thermal energy is stored by heating said fluid, so that after cooling the fluid during periods without solar radiation, thermal energy will be supplied to meet the energy demand during the periods, in which the energy collection is not available.
  • a common design of a sensible heat storage system in solar generating plants comprises two storage tanks, which contain a volume of thermal fluid. Each of the tanks contains said fluid at a different temperature, so that one of the tanks contains a volume of thermal fluid at a given "cold" temperature, and the other tank contains a volume of thermal fluid at a warmer given temperature. .
  • the thermal fluid is extracted from the cold tank and heated using thermal energy from the solar collection system, then pouring it into the hot tank.
  • the thermal fluid is extracted from the hot tank, making it flow through a heat exchanger where it cools, thus providing the thermal energy necessary for the generation of electric power.
  • each of the tanks must be sized to contain the entire volume of the fluid thermal, so that the total storage capacity of the system is really twice the total volume of the thermal storage fluid stock of the plant.
  • thermocline tank in which the entire volume of the thermal fluid is contained in a single tank.
  • the two masses of cold and hot fluid are stored on top of each other, and the natural or thermocline stratification resulting from the difference in fluid density at the two different temperatures keeps them substantially separated. That is, the cold fluid, which is normally denser than the hot fluid is stored below the hot fluid, and the thrust forces that result from this density difference help keep two separate fluid masses, with a fairly change pronounced temperature on the contact surface between them.
  • the cold fluid is extracted from the lower part of the tank and the heated fluid returns to the upper part of the tank, and when thermal energy must be supplied the hot fluid is removed from the upper part of the tank, and the cold fluid returns to the lower part of the tank.
  • the amount of the fluid at one of the temperatures that is being extracted from the tank is always essentially equal to the amount of fluid that is introduced at the other temperature, the total mass of the fluid stored in the tank remains essentially constant throughout the entire storage system operation cycle. In this way, the single thermocline tank is always working at full capacity (that is, it is full, or almost full, of stored fluid), optimizing storage efficiency.
  • thermocline tanqi described is the mixed medium thermocline tank, in which the tank is filled not only with thermal fluid, but also with some kind of solid material.
  • the solid material contributes to the total thermal capacitance of the system, and is usually cheaper than the thermal fluid.
  • thermocline helps to inhibit the transfer by convection mass between hot and cold fluids, making the thermocline more effective than in the case of a single medium storage tank.
  • problems arise related to the use of a mixed fluid-solid storage medium include:
  • thermocline storage concepts similar to these, for example, U.S. Patent Nos. 4,124,061 and 5,197,513.
  • thermocline storage system an improved variant of the thermocline storage system is described.
  • a horizontal physical barrier is used to thermally separate and isolate the two fluid masses.
  • the physical barrier has an intermediate density between the highest density of the cold fluid and the lowest density of the hot fluid, so that it floats on the contact surface between the two fluids and moves along with this contact surface in one direction, vertical inside the tank.
  • the barrier element moves vertically inside the tank following the contact surface between the cold and hot stored fluids, naturally reaching a vertical position coinciding with that of said contact surface.
  • the typical daily work cycle of the storage system of a thermal solar generating plant early in the morning the single storage tank considered in this invention is filled with fluid colder, perhaps only a minimal amount of hotter fluid remaining in the upper part, and the barrier element is close to the upper part of the tank.
  • the coldest fluid is extracted from the tank, while the hottest fluid is introduced into the tank.
  • the contact surface region between the coldest and hottest fluids moves vertically towards the lower part of the tank, with the barrier element following it.
  • the storage tank is filled with warmer fluid, perhaps leaving a minimum amount of colder fluid in the lower part of the tank, and the barrier Physical is close to the bottom of the tank.
  • the displacement of the barrier from its highest position in the tank to its lowest position takes place in the period of loading of the tank.
  • the discharge period which completes the typical global daily cycle of the tank, occurs in a similar manner, with warmer fluid being extracted from the upper part of the tank and colder fluid being introduced to the lower part of the tank, and the barrier moving vertically from The lower part of the tank to the upper part of the tank.
  • thermocline The use of a physical barrier between the two fluid masses prevents the mass from transferring between the two regions and greatly reduces the transmission of heat through conduction between them, thereby significantly improving the performance of the thermocline. At the same time, it avoids the disadvantages related to the use of a mixed media storage solution.
  • the general arrangement of the physical barrier is composed of a fluid-tight outer shell, and in an insulating material, which is placed inside said shell.
  • the concept of the physical barrier that separates the two fluid masses has already been described in US Patent No. 4,523,629.
  • a particular embodiment of the barrier is illustrated, suitable for application in the storage of water between 100 0 F and 175 0 F.
  • the patent also mentions the possible application of the invention in storage systems of solar generating plants, but no specific configuration for this application is disclosed.
  • the particular case considered is the storage of a mixture of molten nitrate salts between 292 0 C and 386 ° C, in cylindrical vertical tanks approximately 15 m high and 40 m in diameter.
  • the barrier element described in US Patent No. 4,523,629 is composed of a fluid-tight IOF housing, made of some plastics such as polycarbonate and Plexiglas®, and some insulating material, such as urethane foam or fiberglass, encapsulated in it. Case.
  • the functions of the housing in the described barrier element are to prevent water absorption and provide structural rigidity to maintain the predetermined configuration of the barrier element.
  • the temperature ranges normally present in the storage systems of solar generating plants are well above the permissible limits for plastics, so that another class of materials for the construction of the barrier has to be considered.
  • a limitation that is required to comply with the physical barrier is relative to its density: Floating on the contact surface of the cold and hot fluids, a suitable combination of materials for the construction of the barrier must be selected, so that an initial density between those of the cold and hot fluids is achieved. Further,
  • the barrier has sufficient structural strength to maintain its almost constant volume below the full range of static load imposed by the stored fluid.
  • the described way of adjusting the weight of the barrier element is to add some external weights, so that the desired density is achieved.
  • this could be an adequate solution for small barriers, in the case of large barriers, it is likely that the necessary weights were excessively large, becoming a solution not very effective at least for gross weight adjustments.
  • Another problem that affects the physical barrier is related to its thermal deformations in service.
  • a global state of deformation is developed by bending in the barrier, to adapt to the thermal expansion differential between the upper and lower parts thereof.
  • a flat disk made of common carbon steel, 30 cm thick, with a diameter of 40m and with a temperature difference across its thickness of 94 0 C, will adopt a spherical deformed shape, and its maximum deflection will be of the order of 0.9 m.
  • the barrier element described in this patent application includes design features that provide solutions for all of these mentioned problems, and that are indicated throughout the text.
  • the present invention relates to thermal energy storage tanks, and more specifically to a thermocline storage tank that includes a barrier element that physically separates the two masses of fluid stored at different temperatures.
  • the barrier element object of the present invention overcomes the aforementioned problems, due to several design features that improve its use and extend its applicability to fields and areas of application for which no specific design solutions or configurations have been provided so far. , for example thermal storage in solar generating plants.
  • the storage tank considered for the invention is preferably of the vertical cylindrical type, although any other type of tank can also be considered within the scope of application of the invention, provided that it has an essentially uniform horizontal or transverse section along its entire height. or longitudinal axis (that is, it is prismatic), so that the floating barrier element can move freely within the tank along its longitudinal axis.
  • the barrier element is essentially composed of a fluid-tight outer shell, and some / some filler material (s) placed inside the shell.
  • the barrier element has an intermediate density between those of the stored fluid at its different nominal temperatures, so that it floats on the contact surface between the two masses of stored fluid.
  • the cross section of the barrier element is preferably in the same way as the cross section of the tank, so that it effectively covers the contact area between the fluids stored in the tank at different temperatures, and can at the same time freely move to The length of the longitudinal axis of the tank.
  • the barrier element would have the shape of a disk, of approximately the same diameter as the tank, and with sufficient thickness to properly separate and isolate the two masses of stored fluid.
  • dt t _ _ some clearances or gaps between the outer edge of the barrier and the casing of the tank, to account for tolerances or different possible deviations Ia theoretically in the manufacturing, or expansions and deformations in service, for example .
  • Figure 1 is a schematic vertical cross-sectional view of the two temperature thermal energy storage tank considered in this invention, showing the general arrangement of the two fluid masses and the barrier element within the tank.
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view of the barrier object of the present invention, showing various details thereof in a first preferred embodiment.
  • Figure 3a shows a horizontal cross-sectional view of the barrier, taken along line 3-3 of Figure 2.
  • Figure 3b is a schematic view from above of the barrier, showing only an exemplary arrangement of several holes in it.
  • Figure 4a represents a vertical view of a half of the barrier element in a second preferred embodiment, with a partial section showing the interior structure and the filling material.
  • Figure 4b is a partial vertical view of the outer shell of the barrier, showing an alternative configuration for the contour line of the outer area of this shell with respect to that represented in Figure 4a.
  • Figure 5 is a top view of the barrier element in a third preferred embodiment, showing an exemplary division thereof.
  • Figure 6 is an enlarged view showing an exemplary connection between the different bodies of the barrier shown in Figure 5.
  • FIG. 1 shows the schematic arrangement of a thermal storage system (1), which may be the storage system of a thermal solar generating plant.
  • the storage system (1) includes a thermocline storage tank (2), which stores two fluid masses at different temperatures.
  • the mass of the coldest fluid (4) is usually denser than the mass of the hottest fluid (3), and is stored below it.
  • the tank can be normally of the vertical cylindrical type, with a diameter of approximately 40 m and a height of approximately 15 m.
  • the cold fluid usually will be the temperature of about 300 0 C
  • the hot fluid will be at a temperature of about 400 0 C
  • the fluid stored at both temperatures will typically be a mixture of molten nitrate salts.
  • the barrier element object of the present invention is located on the contact surface between the hot and cold fluids, physically separating and isolating them, so that minimizes heat conduction between the two fluid masses.
  • the barrier element is essentially composed of an outer fluid-tight shell, this shell being essentially in the same way as the cross section of the tank, and some / some filler material (s) that are placed inside of this housing filling its interior space.
  • the outer shell of the barrier is preferably made of the same material as the tank shell, which could be carbon steel for higher operating temperatures below 400-450 0 C, and stainless steel for higher operating temperatures above this value.
  • the average thickness of the barrier will preferably be of the order of 0.2-0.4 m in all the proposed embodiments, so that adequate isolation between the fluids is achieved, without occupying an excessive space within the tank.
  • Figure 1 also indicates how the thermal energy of the tank is captured or extracted. When the thermal energy is being captured, cold fluid is extracted from the lower part of the tank through the cold fluid outlet line (5), by means of a cold pump (6). The fluid is circulated through a heat input device (7) where it is heated, then returning to the upper part of the tank through the hot fluid inlet line (8).
  • thermocline tank when the thermal energy is being extracted, hot fluid is extracted from the upper part of the tank through the hot fluid outlet line (9), by means of a heat pump (10), which forces it to through a heat extraction device (1 1) where it cools, returning again to the tank through the cold fluid inlet line (12).
  • the necessary measuring devices can be added to both the barrier element and the thermocline tank, to properly monitor and control the operation of the design system.
  • the instruments of the system can include, for example, a series of thermocouples arranged vertically to obtain the vertical temperature distribution of the tank, and level transmitters, to monitor the total height of the stored fluids, the vertical position of the barrier within the tank , and the horizontality of the barrier.
  • heat input device (7) and the heat extraction device (11) are represented as independent components in Figure 1, in commercial solar power plants they will normally be the same single device, probably an oil heat exchanger to molten salt.
  • the outer fluid-tight housing of the barrier (21) essentially comprises a top plate (21a), a bottom plate (21b) and a peripheral vertical closure plate (21c) that connect the top and bottom plates.
  • the plate (21a) of the upper part of the barrier is given a non-planar shape, such as a conical or spherical shape (in this case a conical shape is represented ). Due to this characteristic, the rigidity of the barrier housing increases greatly, and therefore the overall curvature of the entire barrier due to the thermal gradient through it is radically reduced.
  • This problem is solved in two ways; firstly by increasing the vertical distance between both plates in the perimeter, and secondly by minimizing the thickness of the vertical plate (21c), so that the flexibility of this vertical plate is increased.
  • the reduction of the thickness of the vertical plate has the additional advantage of reducing the heat conduction that passes through this plate from the hot side to the cold side of the tank.
  • Figure 2 also represents the different layers of filling material for the barrier, referenced by (22) and (23).
  • the filling material within the barrier is preferably separated into two different horizontal layers.
  • One of the layers (23) serves for isolation purposes, that is, it gives the barrier its insulating capacity, and being normally lighter than the other layer, it is preferably located above the second layer.
  • the second layer (22) is the density adjustment layer, and its purpose is to adjust the total weight of the barrier so that the desired final density is achieved.
  • a metal sheet (24) can be added, so that both layers of filler are kept physically separated and any potential mixing between the materials of both layers is prevented.
  • the materials of both layers have the additional characteristic of being rigid and resistant to compression.
  • the filling material of the barrier is basically responsible for supporting the pressure load of the stored fluid and maintaining an almost constant volume of the barrier. In this way, the heavy and expensive structure that the outer shell of the barrier would need, if filled with "soft" materials, is avoided.
  • the materials of both layers are supplied in granular form or in small individual pieces, such as bricks for example, and in the construction of the barrier, the filling materials They are disposed within the outer shell in a loose manner, without providing any restriction to thermal expansion between the different pieces.
  • the material of the other layer of the barrier As for the material of the other layer of the barrier, its most important physical characteristic, apart from its stiffness and compressive strength, is its density. Sand, cement, and various types of rock can be suitable materials for this layer. Although it would be desirable to have a single insulating material as a filler for the barrier, no suitable material may be available that meets both the requirements of adequate density and low thermal conductivity.
  • the stored fluid is a mixture of molten nitrate salts between temperatures of approximately 300 0 C and 400 ° C, with densities in the hot and cold temperatures close to 1840 and 1900 kg / s respectively
  • ⁇ the density required for the filling material of the barrier can be perfectly in the range of 1000 kg / m3 or higher.
  • the filling within the barrier is divided into two layers, as explained above.
  • One of the layers has the responsibility of providing its ability to 'insulate the barrier, and the other layer provides the necessary gross weight adjustment, so that the desired density for the barrier is achieved.
  • Additional final weight adjustments can be made to the barrier once it has been completed and completely closed, coupling several external ballasts to it.
  • These external ballasts can both be rigidly coupled to the barrier element, or simply arranged thereon, so that weight can be added or removed from the barrier once it is in operation, - to further adjust its weight and density. This can be achieved, for example, by means of several weights, which are placed on the upper part of the barrier and which can be removed at any time from the upper part of the tank, to replace them with heavier or lighter weights.
  • ballasts (33) and (34) are permanently fixed to the outer shell of the barrier, or to its lower part plate or its upper part plate. Welding is the preferred method of coupling these ballasts to the barrier housing.
  • adjustable ballasts (34) are simply arranged on the face of the upper part of the barrier, and can be removed and replaced by other lighter or heavier weights at any time, by means of ropes (35), which go up to The tank cover and outside the tank through some holes made in the tank cover.
  • the adjustable ballasts (34) can also be used to properly balance the barrier, if necessary.
  • some holes (26) through the barrier are preferably added.
  • Some vertical closing collars (28) are added for each of the holes, welded to both the upper and lower plate. These holes can serve to guide the movement of the barrier inside the tank, which can be achieved by means of vertical columns (27) hooked in these holes and fixed to the tank.
  • the collars (28) of vertical closure of the barrier holes (26) it should be taken into account that they have to adapt to a differential in radial thermal expansion between the plates above (21a) and below (21 b) of Ia outer barrier housing (21).
  • they are preferably provided in the form of expansion joints or flexible metal hoses, with a wavy contour line (not shown in the figure) that provide them with sufficient flexibility to adapt to said differential in thermal expansion between the upper plates (21a) and from below (21 b) of the outer barrier housing (21).
  • the columns (27) are preferably of tubular section, to minimize the heat flux that flows through these columns from the hot side to the cold side of the tank.
  • the holes (26) can be used for additional functions, such as for the passage of instruments, pipe lines, etc.
  • Figure 3b is a view 'from above of the barrier housing, showing only an exemplary arrangement of some holes in the housing. As can be seen in this figure, the holes that are displaced with respect to the central axis of the barrier are elongated in the radial direction of the barrier, to adapt to its radial expansions.
  • Some rib structures (29), made with standard exempted profiles, are added to both the upper and lower plates of the barrier housing (21).
  • the ribs for the bottom plate provide this plate with sufficient structural strength to support the weight of the barrier itself before it enters service.
  • This structure is preferably located above the plate (21 b) below, therefore within the barrier housing, having the additional function of dividing the interior space of the housing into separate compartments in order to have a better guidance for The placement of the filling materials inside the housing.
  • the ribs for the plate (21a) above increase the rigidity of this plate so that the plate is warped.
  • the rib structures of the upper and lower plates have the function of maintaining the filling material in the peripheral region of the barrier
  • the barrier 3a shows an example of a possible arrangement of the ribs (29) and legs (25) fixed in the plate (21 b) • Bottom.
  • FIG. 4b Another additional way to improve the behavior of the outer shell with respect to thermal deformations is presented in Figure 4b, in which a second preferred embodiment of the invention is represented.
  • some circumferential corrugated lobes (32b) are implemented in the peripheral region of the barrier.
  • This feature adds flexibility to the coupling between plates above and below the housing, so that they are partially decoupled from each other.
  • the connection between the plates (21a, 21b) above and below behaves as a flexible joint, thus allowing each of the plates to freely achieve their corresponding expanded dimensions.
  • these can be made from straight sections, such as those shown in Figure 4a, referenced as (32a).
  • This figure also includes a partial section ' showing an exemplary arrangement of the filling material within the barrier as a series of bricks (36) (no distinction is made between the different layers of the filling material in this figure).
  • the barrier is divided into several separate and independent bodies (51), each of the bodies having their own fluid-tight metal outer shell with their corresponding layers of material of filling inside.
  • one way to divide the barrier could be to divide it into a circular centerpiece and several outer annular sectors.
  • each body behaves as an independent piece. This can be achieved by providing several projections (52) to the outer edges of each body, so that adjacent edges of adjacent bodies can be tied together by ropes or chains (53), or other similar means.
  • a high heat flow is conducted through the vertical closing metal plate (21c), which has a high thermal conductivity and thermally connects both areas of the tank at different temperatures.
  • An additional feature can be introduced in the barrier, which attempts to reduce the heat flow through the vertical plate (21c).
  • This characteristic consists in giving a curved shape to the vertical contour line of the plate, similar to Ia shown in Figure 3c, instead of a straight form. As shown schematically in this figure, this plate is given a corrugated shape, making several vertical lobes (31) and ... ... same. By doing this, it is restricted. The conduction path through the metal, and the heat flux that crosses this path is significantly reduced.
  • the undulating shape of the outer barrier housing near its outer perimeter as well as the non-flat geometry for either or both of the plates (21a, 21b) above and below the barrier housing, can be added thereto time to the barrier.

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Abstract

Se presenta un tanque de almacenamiento de termoclina, que incluye un elemento de barrera que flota entre los dos fluidos almacenados a diferentes temperaturas, separándolos físicamente y aislándolos. La barrera flotante incluye varias características de diseño que amplían el alcance de su aplicación, permitiendo su uso en campos como los sistemas de almacenamiento térmico de plantas generadoras solares.

Description

TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA DE DOS TEMPERATURAS
Campo técnico de Ia invención
La presente invención se refiere en general al campo de los sistemas de almacenamiento de energía térmica, y más en particular a las mejoras en el diseño de tanques de almacenamiento de termoclina. Antecedentes de Ia invención
Los sistemas de almacenamiento de energía térmica se utilizan en general en aplicaciones en las que es necesario separar Ia captación de energía del suministro de energía. Los sistemas de captación de energía solar son un ejemplo típico de esto, puesto que puede existir normalmente una demanda de energía durante periodos sin radiación solar, cuando no puede captarse energía, pero es necesario todavía suministrar energía para satisfacer dicha demanda.
El tamaño de los sistemas de captación de energía solar puede variar desde sistemas de captación domésticos pequeños, utilizados para calentar agua, a sistemas de captación mucho más grandes, como los de plantas generadoras solares eléctricas.
Un modo de almacenar energía térmica consiste en emplear el calor sensible de un fluido. Durante periodos con radiación solar, Ia energía térmica se almacena calentando dicho fluido, de modo que tras enfriar el fluido durante periodos sin radiación solar se suministrará energía térmica para satisfacer Ia demanda de energía durante los periodos, en los que Ia captación de energía no está disponible.
Un diseño común de un sistema de almacenamiento de calor sensible en plantas generadoras solares comprende dos tanques de almacenamiento, que contienen un volumen de fluido térmico. Cada uno de los tanques contiene dicho fluido a una temperatura diferente, de modo que uno de los tanques contiene un volumen de fluido térmico a una temperatura dada "fría", y el otro tanque contiene un volumen de fluido térmico a una temperatura dada más caliente.
Durante el funcionamiento de Ia planta, en periodos con radiación solar, el fluido térmico se extrae del tanque frío y se calienta utilizando energía térmica procedente del sistema de captación solar, vertiéndolo a continuación al tanque caliente. En periodos sin radiación solar, el fluido térmico se extrae del tanque caliente, haciéndolo fluir a través de un intercambiador de calor donde se enfría, proporcionando así Ia energía térmica necesaria para Ia generación de potencia eléctrica.
Debe observarse que con el sistema de almacenamiento descrito, cada uno de los tanques tiene que dimensionarse para contener Ia totalidad del volumen del fluido térmico, de modo que Ia capacidad total de almacenamiento del sistema es realmente el doble del volumen total de las existencias de fluido de almacenamiento térmico de Ia planta.
En Ia práctica, los tanques del sistema de almacenamiento de una planta generadora solar pueden alcanzar tamaños considerables, y Ia necesidad del volumen de almacenamiento "redundante" antes mencionado conduce a varios inconvenientes en términos de costes de fabricación del tanque adicional, aumento de pérdidas térmicas del sistema de almacenamiento o los costes del equipo auxiliar, el sistema de tuberías, etc., asociados con el tanque adicional. Por tanto, se hace deseable eliminar el volumen redundante del sistema de almacenamiento, y existen actualmente varios enfoques que ofrecen soluciones a este problema. La solución más común es el tanque de termoclina, en el que Ia totalidad del volumen del fluido térmico está contenido en un único tanque. En este único tanque, las dos masas de fluido frío y caliente se almacenan una encima de otra, y Ia estratificación natural o termoclina que resulta de Ia diferencia de densidad del fluido a las dos temperaturas diferentes las mantiene sustancialmente separadas. Es decir, el fluido frío, que normalmente es más denso que el fluido caliente se almacena por debajo del fluido caliente, y las fuerzas de empuje que resultan de esta diferencia de densidad ayudan a mantener Jas dos masas de fluido separadas, con un cambio bastante pronunciado de temperatura en Ia superficie de contacto entre las mismas.
Cuando se capta Ia energía térmica, el fluido frío se extrae de Ia parte inferior del tanque y el fluido calentado vuelve a Ia parte superior del tanque, y cuando debe suministrarse energía térmica el fluido caliente se retira de Ia parte superior del tanque, y el fluido frío vuelve a Ia parte inferior del tanque. Como Ia cantidad del fluido a una de las temperaturas que está extrayéndose del tanque es siempre esencialmente igual a Ia cantidad de fluido que se introduce a Ia otra temperatura, Ia masa total del fluido almacenado en el tanque permanece esencialmente constante a Io largo de todo el ciclo de funcionamiento del sistema de almacenamiento. De este modo, el tanque de termoclina único siempre está trabajando en toda su capacidad (es decir, está lleno, o casi lleno, de fluido almacenado), optimizando Ia eficacia de almacenamiento.
Sin embargo, varios fenómenos como Ia transmisión de calor por conducción entre las dos masas de fluido, o las corrientes de convección que resultan del efecto combinado de estratificación natural y pérdidas de energía de borde del tanque pueden degradar significativamente el perfil térmico vertical del fluido contenido en el tanque, particularmente cuando Ia zona de superficie de contacto está próxima a Ia parte inferior o a Ia parte superior del tanque.
Una variante del tanqi termoclina descrito es el tanque de termoclina de medio mezclado, en Ia que el tanque se llena no sólo de fluido térmico, sino también con alguna clase de material sólido. El material sólido contribuye a Ia capacitancia térmica total del sistema, y normalmente es más económico que el fluido térmico.
Además ayuda a inhibir Ia transferencia por masa de convección entre los fluidos frío y caliente, haciendo Ia termoclina más eficaz que en el caso de un tanque de almacenamiento de un único medio. Sin embargo, surgen algunos problemas relacionados con el uso de un medio de almacenamiento mezclado fluido-sólido, y estos incluyen:
(a) Ia compatibilidad y estabilidad física/química a largo plazo del medio sólido en contacto con el fluido térmico y sometido a ciclo térmico.
(b) Ia decantación del medio sólido en Ia parte inferior del tanque como resultado de los ciclos repetidos de funcionamiento, que resulta en aumento de tensiones en las paredes del tanque próximas a Ia parte inferior, y que conduce a Ia necesidad de paredes de tanque más gruesas.
Diversas patentes han descrito ya conceptos de almacenamiento de termoclina similares a estos, por ejemplo, las patentes estadounidenses números 4.124.061 y 5.197.513.
En Ia presente solicitud de patente se describe una variante mejorada del sistema de almacenamiento de termoclina. En Ia solución descrita, se emplea una barrera física horizontal para separar y aislar térmicamente las dos masas de fluido. La barrera física tiene una densidad intermedia entre Ia densidad más alta del fluido frío y Ia densidad más baja del fluido caliente, de modo que flota en Ia superficie de contacto entre los dos fluidos y se desplaza junto con esta superficie de contacto en una dirección, vertical dentro del tanque.
Debido a esta característica, el elemento de barrera se desplaza verticalmente en el interior del tanque siguiendo Ia superficie de contacto entre los fluidos almacenados frío y caliente, alcanzando de manera natural una posición vertical coincidente con Ia de dicha superficie de contacto. .
Considerando como ejemplo el ciclo de trabajo diario típico del sistema de almacenamiento de una planta generadora solar térmica, a primera hora de Ia mañana el tanque único de almacenamiento considerado en esta invención está lleno de fluido más frío, quedando quizá sólo una mínima cantidad de fluido más caliente en Ia parte superior, y el elemento de barrera está próximo a Ia parte superior del tanque.
Durante el día, como ε _ - _.,Jta energía térmica del campo solar, el fluido más frío se extrae del tanque, al mismo tiempo que el fluido más caliente se introduce en el tanque. A medida que Ia cantidad de fluido más caliente aumenta y Ia cantidad de fluido más frío disminuye, Ia región de superficie de contacto entre los fluidos más frío y más caliente se mueve verticalmente hacia Ia parte inferior del tanque, con el elemento de barrera siguiéndola. De este modo, en algún momento durante el periodo de captación de energía térmica desde el campo solar, el tanque de almacenamiento está lleno de fluido más caliente, quedando quizá una cantidad mínima de fluido más frío en Ia parte inferior del tanque, y Ia barrera física está próxima a Ia parte inferior del tanque.
El desplazamiento de Ia barrera desde su posición más alta en el tanque a su posición más baja tiene lugar en el periodo de carga del tanque. El periodo de descarga, que completa el ciclo diario típico global del tanque, se produce de una manera similar, extrayéndose fluido más caliente de Ia parte superior del tanque e introduciéndose fluido más frío a Ia parte inferior del tanque, y moviéndose Ia barrera verticalmente desde Ia parte inferior del tanque hasta Ia parte de arriba del tanque.
El uso de una barrera física entre las dos masas de fluido impide que Ia masa se transfiera entre las dos regiones y reduce ampliamente Ia transmisión de calor pot conducción entre ellas, mejorando por tanto significativamente el rendimiento de Ia termoclina. Al mismo tiempo, evita las desventajas relacionadas con el uso de una solución de almacenamiento de medio mezclado.
La disposición general de Ia barrera física está compuesta por una carcasa exterior estanca a los fluidos, y en un material aislante, que se coloca en el interior de Ia mencionada carcasa. El concepto de Ia barrera física que separa las dos masas de fluido ya se describió en Ia patente estadounidense número 4.523.629. En dicha patente se ilustra, una realización particular de Ia barrera, adecuada para su aplicación en el almacenamiento de agua entre 1000F y 1750F. La patente también menciona Ia posible aplicación de Ia invención en sistemas de almacenamiento de plantas generadoras solares, pero no se da a conocer ninguna configuración específica para esta aplicación.
Sin embargo, debe observarse que hay diversos problemas que afectan a Ia barrera física, y que deben abordarse para producir un diseño de Ia misma factible y fiable. Estos problemas no son críticos en las condiciones de Ia aplicación de almacenamiento de agua descrita en Ia patente antes mencionada, pero que se hacen más graves en las condiciones de mayor exigencia vistas en sistemas de almacenamiento de energía c~ r.untas generadoras solares, con temperaturas más altas y diferencias de temperatura entre los fluidos almacenados. A partir de Ia explicación de estos problemas, debe entenderse que existe una necesidad de soluciones específicas para resolver o al menos aliviar estos problemas. Lo que esta patente pretende precisamente es facilitar estas soluciones, Io que mejorará ampliamente las características de Ia invención y extenderá el alcance de aplicación de Ia misma. Para hacer más evidente los problemas que tiene que afrontar Ia barrera física, algunas condiciones de funcionamiento para el tanque de almacenamiento, vistas normalmente en sistemas de almacenamiento de plantas generadoras solares reales, se considerarán como ejemplo.
El caso particular considerado es el almacenamiento de una mezcla de sales de nitrato fundidas entre 2920C y 386°C, en tanques verticales cilindricos de aproximadamente 15 m de altura y 40 m de diámetro.
Uno de los problemas que afectan a Ia barrera física se refiere a sus posibles materiales de construcción. El elemento de barrera descrito en Ia patente estadounidense número 4.523.629 está compuesto por una carcasa estanca a IOF fluidos, hecha de algunos plásticos como policarbonato y Plexiglás®, y algún materia aislante, como espuma de uretano o fibra de vidrio, encapsulados en esta carcasa. Tal como se expone en esa patente, las funciones de Ia carcasa en el elemento de barrera descrito son impedir Ia absorción de agua y proporcionar rigidez estructural para mantener Ia configuración predeterminada del elemento de barrera. Sin embargo, los intervalos de temperatura normalmente presentes en los sistemas de almacenamiento de plantas generadoras solares, están muy por encima de los límites admisibles para los plásticos, por Io que tiene que considerarse otra clase de materiales para Ia construcción de Ia barrera.
Además, para los valores de presión estática de los tanques de almacenamiento de plantas generadoras solares habituales, y considerando el enorme tamaño del elemento de barrera necesario para estos tanques, es virtualmente imposible que Ia carcasa exterior sola pueda aguantar esta carga de presión, manteniendo un volumen casi constante.
Tal como se mencionó en Ia patente estadounidense número 4.523.629 una limitación que es necesario que cumpla Ia barrera física es relativa a su densidad: para flotar en Ia superficie de contacto de los fluidos frío y caliente, debe seleccionarse una combinación adecuada de materiales para Ia construcción de Ia barrera, de modo que se consigue una densidad inti Jia entre los de los fluidos frío y caliente. Además,
• es necesario que Ia barrera tenga suficiente resistencia estructural para mantener su volumen casi constante por debajo del intervalo completo de carga estática impuesta por el fluido almacenado..
En dicha patente, el modo descrito de ajustar el peso del elemento de barrera consiste en añadir algunos pesos exteriores, de modo que se consiga Ia densidad deseada. Aunque esta podría ser una solución adecuada para barreras pequeñas, en el caso de barreras grandes, es probable que los pesos necesarios fueran excesivamente grandes, convirtiéndose en una solución no muy eficaz al menos para ajustes de peso brutos.
Otro problema que afecta a Ia barrera física está relacionado con sus deformaciones térmicas en servicio. Como resultado de tener Ia superficie de arriba de Ia barrera a Ia temperatura caliente y Ia superficie de abajo a Ia temperatura fría del fluido almacenado, se desarrolla un estado global de deformación por curvado en Ia barrera, para adaptarse al diferencial de expansión térmica entre las partes de arriba y de abajo de Ia misma. Por ejemplo, un disco plano, fabricado con acero al carbono común, de 30 cm de espesor, con un diámetro de 40m y con una diferencia de temperatura a través de su espesor de 94 0C, adoptará una forma deformada esférica, y su máxima deflexión será del orden de 0,9 m.
Estas grandes deformaciones disminuyen Ia altura útil del tanque de almacenamiento, y además, podrían conducir a problemas estructurales en Ia barrera. Aparte de esto, un elemento de barrera curvado altera Ia superficie de contacto naturalmente plana entre los dos fluidos almacenados, y por tanto, es probable que el fluido pase desde un lado al otro de Ia barrera, de modo que Ia forma plana natural de Ia superficie de contacto se restablece. De este modo, gran parte de Ia capacidad de aislamiento del elemento de barrera se pierde.
Deben tenerse en cuenta también factores económicos en el diseño del elemento de barrera, para producir un diseño económico. Debe tenerse en cuenta que si un único tanque con una barrera es más caro que dos tanques, Ia opción de dos tanques tradicional siempre sería preferible. Esto significa que Ia elección de materiales para Ia barrera, así como el método de fabricación, es muy importante en el diseño de Ia barrera. Por tanto, es muy importante que los materiales considerados para Ia barrera sean baratos y ampliamente disponibles. El elemento de barrera descrito en esta solicitud de patente incluye características de diseño que proporcionan soluciones para todos estos problemas mencionados, y que se señalε i largo del texto.
La descripción de Ia invención es meramente a modo de ejemplo en su naturaleza y, por tanto, variaciones que no se alejen de Io esencial de Ia invención se pretende que estén dentro del alcance de Ia invención. Tales variaciones no deben •considerarse como un alejamiento del espíritu y el alcance de Ia invención.
Sumario de Ia invención
La presente invención se refiere a tanques de almacenamiento de energía térmica, y más específicamente a un tanque de almacenamiento de termoclina que incluye un elemento de barrera que separa físicamente las dos masas de fluido almacenadas a diferentes temperaturas.
El elemento de barrera objeto de Ia presente invención supera los problemas mencionados anteriormente, debido a varias características de diseño que mejoran su uso y extienden su aplicabilidad a campos y áreas de aplicación para los que no se han proporcionado soluciones o configuraciones de diseño específicas hasta ahora, por ejemplo almacenamiento térmico en plantas generadoras solares.
El tanque de almacenamiento considerado para Ia invención es preferiblemente del tipo cilindrico vertical, aunque puede considerarse también cualquier otro tipo de tanque dentro del alcance de aplicación de Ia invención, siempre que tenga unε sección horizontal o transversal esencialmente uniforme a Io largo de toda su altura o eje longitudinal (es decir, es de forma prismática), de modo que el elemento de barrera flotante pueda desplazarse libremente dentro del tanque a Io largo de su eje longitudinal. El elemento de barrera está compuesto esencialmente por una carcasa exterior estanca a los fluidos, y algún/algunos material(es) de relleno colocados dentro de Ia carcasa. El elemento de barrera tiene una densidad intermedia entre las del fluido almacenado a sus diferentes temperaturas nominales, de modo que flota en Ia superficie de contacto entre las dos masas de fluido almacenado. La sección transversal del elemento de barrera es preferiblemente de Ia misma forma que Ia sección transversal del tanque, de modo que cubre de manera eficaz el área de contacto entre los fluidos almacenados en el tanque a diferentes temperaturas, y puede al mismo tiempo desplazarse libremente a Io largo del eje longitudinal del tanque. Así, en el caso de un tanque vertical cilindrico, el elemento de barrera tendría Ia forma de un disco, de aproximadamente el mismo diámetro que el tanque, y con suficiente espesor para separar adecuadamente y aislar las dos masas de fluido almacenado.
No obstante pueden dt t _ _ algunas holguras o huecos entre el límite exterior de Ia barrera y Ia carcasa del tanque, para tener en cuenta tolerancias o posibles desviaciones diferentes de Ia forma teórica en Ia fabricación, o expansiones y deformaciones en servicio, por ejemplo.
Adicionalmente, varios orificios pasantes longitudinales pueden realizarse en Ia barrera, con el fin de servir para el paso, guiado, del sistema de tuberías o de instrumentos, etc. Las características novedosas de Ia invención, que Ia hacen adecuada para su uso en aplicaciones tales como almacenamiento de energía térmica en plantas generadoras solares, incluyen:
(a) Proporcionar materiales sueltos y resistentes a Ia compresión como materiales de relleno para Ia barrera, Io que elimina cualquier problema relacionado con deformaciones térmicas en el material de relleno y permite que Ia barrera soporte fácilmente Ia carga de presión del fluido almacenado y mantenga un volumen casi constante sin tener que añadir una estructura compleja y cara a su carcasa exterior.
(b) Dividir el material de relleno interior de Ia barrera en dos capas, siendo una una capa de aislamiento y Ia otra una capa de ajuste de peso, consiguiendo de este modo una manera eficaz de ajusfar fácilmente Ia densidad de Ia barrera al valor deseado.
(c) Dotar a Ia carcasa exterior de Ia barrera de una geometría no plana en una o ambas de sus caras de arriba y de abajo, Io que aumenta en gran medida su rigidez y reduce sus deformaciones térmicas. (d) Añadir lóbulos circunferenciales ondulados o rectos en Ia zona exterior de Ia carcasa de barrera, de modo que Ia conexión entre las caras de arriba y de abajo de Ia carcasa se hace mucho más flexible y las deformaciones térmicas y tensiones se reducen sustancialmente.
(e) Dividir el elemento de barrera en una pluralidad de cuerpos más pequeños e independientes, dispuestos uno al lado del otro para completar una barrera modular, Io que reduce en gran medida los problemas relacionados con las deformaciones térmicas, así como los problemas de fabricación, presentes en un único componente más grande. El uso y aplicabilidad de Ia presente invención, incluyendo éstas y otras características novedosas, se entenderán mejor a partir de Ia descripción detallada que se proporciona a continua
Breve descripción de los dibujos A continuación se describen brevemente algunas figuras que ayudan a entender mejor Ia invención. Las figuras describen también una realización de Ia presente invención, como ejemplo no limitativo:
La figura 1 es una vista en sección transversal vertical esquemática del tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas considerado en esta invención, que muestra Ia disposición general de las dos masas de fluido y el elemento de barrera dentro del tanque.
La figura 2 es una vista en sección transversal vertical de Ia barrera objeto de Ia presente invención, que muestra diversos detalles de Ia misma en una primera realización preferida. La figura 3a muestra una vista en sección transversal horizontal de Ia barrera, tomada a Io largo de Ia línea 3-3 de Ia figura 2.
La figura 3b es una vista esquemática desde arriba de Ia barrera, que muestra sólo una disposición a modo de ejemplo de varios orificios en Ia misma.
La figura 4a representa una vista vertical de una mitad del elemento de barrera en una segunda realización preferida, con una sección parcial que muestra Ia estructura interior y el material de relleno.
La figura 4b es una vista vertical parcial de Ia carcasa exterior de Ia barrera, que muestra una configuración alternativa para Ia línea de contorno de Ia zona exterior de esta carcasa respecto a Ia representada en Ia figura 4a. La figura 5 es una vista desde arriba del elemento de barrera en una tercera realización preferida, que muestra una división a modo de ejemplo del mismo.
La figura 6 es una vista ampliada que representa una conexión a modo de ejemplo entre los diferentes cuerpos de Ia barrera mostrada en Ia figura 5.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas La figura 1 muestra Ia disposición esquemática de un sistema (1 ) de almacenamiento térmico, que puede ser el sistema de almacenamiento de una planta generadora solar térmica. El sistema (1) de almacenamiento incluye un tanque (2) de almacenamiento de termoclina, que almacena dos masas de fluido a diferentes temperaturas. La masa del fluido (4) más frío normalmente es más densa que Ia masa del fluido (3) más caliente, y se almacena por debajo de Ia misma. El tanque puede ser normalmente del tipo cilindrico vertical, con un diámetro de aproximadamente 40 m y una altura de aproximadamente 15 m. En muchas aplicaciones solares comunes, el fluido frío normalmente estaré ia temperatura de aproximadamente 300 0C, y el fluido caliente estará a una temperatura de aproximadamente 400 0C, y el fluido almacenado a ambas temperaturas normalmente será una mezcla de sales de nitrato fundidas.
El elemento de barrera objeto de Ia presente invención, representado esquemáticamente en Ia figura 1 y designado por el número de referencia (13), está ubicado en Ia superficie de contacto entre los fluidos frío y caliente, físicamente separándolos y aislándolos, de modo que se minimiza Ia conducción de calor entre las dos masas de fluido.
Como se mencionó anteriormente, el elemento de barrera está compuesto esencialmente por una carcasa estanca a los fluidos exterior, siendo esta carcasa esencialmente de Ia misma forma que Ia sección transversal del tanque, y algún/algunos material(es) de relleno que se colocan dentro de esta carcasa rellenando su espacio interior.
La carcasa exterior de Ia barrera se fabrica preferiblemente del mismo material que Ia carcasa de tanque, que podría ser acero al carbono para temperaturas de funcionamiento superiores por debajo de 400-4500C, y acero inoxidable para temperaturas de funcionamiento superiores por encima de este valor.
Para el caso particular considerado, el espesor medio de Ia barrera será preferiblemente del orden de 0,2-0,4 m en todas las realizaciones propuestas, de modo que se consigue un aislamiento adecuado entre los fluidos, sin ocupar un espacio excesivo dentro del tanque. La figura 1 también señala cómo se capta o se extrae Ia energía térmica del tanque. Cuando Ia energía térmica está captándose, se extrae fluido frío de Ia parte inferior del tanque a través de Ia línea (5) de salida de fluido frío, por medio de una bomba (6) de frío. El fluido se hace circular a través de un dispositivo (7) de entrada de, calor donde se calienta, volviendo entonces a Ia parte superior del tanque a través de Ia línea (8) de entrada de fluido caliente. Por otro lado, cuando está extrayéndose Ia energía térmica, se extrae fluido caliente de Ia parte superior del tanque a través de Ia línea (9) de salida de fluido caliente, por medio de una bomba (10) de calor, que Io fuerza a través de un dispositivo (1 1 ) de extracción de calor donde se enfría, volviendo de nuevo al tanque a través de Ia línea (12) de entrada de fluido frío. Los dispositivos de medición necesarios pueden añadirse tanto al elemento de barrera como al tanque de termoclina, para monitorizar y controlar apropiadamente el funcionamiento del sistema di icenamiento. Los instrumentos del sistema pueden incluir, por ejemplo, una serie de termopares dispuestos verticalmente para obtener Ia distribución de temperaturas vertical del tanque, y transmisores de nivel, para monitorizar Ia altura total de los fluidos almacenados, Ia posición vertical de Ia barrera dentro del tanque, y Ia horizontalidad de Ia barrera.
Aunque el dispositivo (7) de entrada de calor y el dispositivo (11) de extracción de calor están representados como componentes independientes en Ia figura 1 , en las plantas generadoras solares comerciales normalmente serán el mismo dispositivo único, probablemente un intercambiador de calor de aceite a sal fundida.
Con referencia a Ia figura 2, Ia carcasa estanca a los fluidos exterior de Ia barrera (21) esencialmente comprende una placa (21a) de parte superior, una placa (21b) de parte inferior y una placa (21c) de cierre vertical periférico que conecta las placas de parte superior y de parte inferior.
En operación normal, se desarrollará un gradiente de temperatura vertical a través del espesor de Ia barrera, y las temperaturas de las placas de parte superior y de parte inferior de Ia carcasa de barrera serán esencialmente las de los fluidos almacenados frío y caliente respectivamente. Como resultado de esta distribución de temperaturas, habrá un diferencial entre las expansiones térmicas de las partes de arriba y de abajo de Ia barrera, y se desarrollará un estado de tensiones y deformaciones térmicas en Ia carcasa de barrera.
Aunque el problema de expansión térmica diferencial en el material de relleno se resuelve debido a su forma granular o de pequeños ladrillos como se explicará posteriormente, este problema permanece para Ia carcasa exterior de Ia barrera.
Algunas características de diseño se prevén para Ia barrera para solucionar este problema, que se introducen en diferentes realizaciones propuestas para Ia barrera.
En una primera realización, tal como puede verse en Ia figura 2, se da a Ia placa (21a) de parte superior de Ia barrera una forma no plana, como por ejemplo una forma cónica o esférica (en este caso se representa una forma cónica). Debido a esta característica, Ia rigidez de Ia carcasa de barrera aumenta en gran medida, y por consiguiente el curvado global de toda Ia barrera debido al gradiente térmico a través de Ia misma se reduce radicalmente.
Aunque Ia conicidad de Ia placa (21a) de arriba se representa de una manera pronunciada en Ia figura 2, en Ia práctica Ia conicidad necesaria será mucho menos pronunciada, y Ia separación máxima entre las placas de arriba y de abajo, conseguida en el límite exterior de Ia barrera, será preferiblemente del orden de 0,5 m.
Otro problema en Ia i sa exterior de Ia barrera son las altas tensiones presentes en Ia placa de cierre vertical de Ia carcasa, como resultado de Ia diferencia entre las expansiones radiales de Ia placa de arriba y de abajo a las que tiene que adaptarse.
Este problema se resuelve de dos maneras; en primer lugar aumentando Ia distancia vertical entre ambas placas en el perímetro, y en segundo lugar reduciendo al máximo el espesor de Ia placa (21c) vertical, de modo que se aumenta Ia flexibilidad de esta placa vertical. La reducción del espesor de Ia placa vertical tiene Ia ventaja adicional de reducir Ia conducción de calor que atraviesa esta placa desde el lado caliente al lado frío del tanque.
La figura 2 también representa las diferentes capas de material de relleno para Ia barrera, referenciados por (22) y (23). Tal como se ve en Ia figura, el material de relleno dentro de Ia barrera está preferiblemente separado en dos capas horizontales diferentes. Una de las capas (23) sirve para fines de aislamiento, es decir, da a Ia barrera su capacidad de aislamiento, y siendo normalmente más ligera que Ia otra capa, está preferiblemente ubicada por encima de Ia segunda capa. La segunda capa (22) es Ia capa de ajusté de densidad, y su fin es ajustar el peso total de Ia barrera de modo que se consiga Ia densidad final deseada. Entre ambas capas, puede añadirse una lámina (24) metálica, de modo que ambas capas de relleno se mantengan físicamente separadas y se impida cualquier mezcla potencial entre los materiales de ambas capas.
Los materiales de ambas capas tienen Ia característica adicional de ser rígidos y resistentes a Ia compresión. De este modo, el material de relleno de Ia barrera es básicamente el responsable de soportar Ia carga de presión del fluido almacenado y mantener ún volumen casi constante de Ia barrera. De este modo, Ia estructura pesada y cara que necesitaría Ia carcasa exterior de Ia barrera, si- se llena con materiales "blandos", se evita. Además, para eliminar los problemas relacionados con las deformaciones térmicas en los materiales de relleno, los materiales de ambas capas se suministran en forma granular o en piezas individuales pequeñas, como ladrillos por ejemplo, y en Ia construcción de Ia barrera, los materiales de relleno se disponen dentro de Ia carcasa exterior de manera suelta, sin proporcionar cualquier restricción a Ia dilatación térmica entre las diferentes piezas. De este modo, se evitan los problemas relacionados con Ia expansión térmica diferencial que un único componente grande monolítico tendría, y, adicionalmente, los materiales de relleno pueden fluir en el espacio dentro de Ia barrera, modo que todos los espacios y huecos interiores están convenientemente rellenados. Diversos tipos de ladrillos refractarios, así como diferentes tipos de arcilla expandida en forma granular tales como perlita, vermiculita o arlita; siempre que se garantice un adecuado macizado y compactado del material de relleno en masa de modo que no se produzca asentamiento y por tanto cambios de volumen significativos durante el funcionamiento de Ia barrera, se creen materiales adecuados para Ia capa de aislamiento de Ia barrera. Estos materiales tienen una conductividad térmica baja, rigidez y resistencia a compresión adecuadas y pueden funcionar a temperaturas más altas que las normalmente presentes en tanques de almacenamiento de planta generador solar. Además, son materiales bastante comunes utilizados en Ia construcción, y tienen un precio razonablemente bajo. En cuanto al material de Ia otra capa de Ia barrera, su característica física más importante, aparte de su rigidez y resistencia a compresión, es su densidad. Arena, cemento, y diversos tipos de roca pueden ser materiales adecuados para esta capa. Aunque sería deseable tener un material aislante único como relleno para Ia barrera, puede que no se disponga de ningún material adecuado que cumpla tanto loε requisitos de densidad adecuada como de conductividad térmica baja.
Considerando, por ejemplo, un caso típico en el que el fluido almacenado es una mezcla de sales de nitrato fundidas entre las temperaturas de aproximadamente 300 0C y 400 °C, con densidades en las temperatura fría y caliente cercanas a 1840 y 1900 kg/s respectivamente, < la densidad requerida para el material de relleno de Ia barrera puede estar perfectamente en el intervalo de 1000 kg/m3 o superior.
Los materiales aislantes adecuados propuestos anteriormente, sin embargo, tienen valores de densidad bastante por debajo de este intervalo, y se prevé que un diseño adecuado de Ia barrera para un tanque de almacenamiento de sales fundidas común en una planta generadora solar tendrá un peso demasiado pequeño, si sólo se rellena con cualquiera de dichos materiales aislantes.
Para solucionar esta situación el relleno dentro de Ia barrera está dividido en dos capas, tal como se explicó anteriormente. Una de las capas tiene Ia responsabilidad de proporcionar su capacidad de' aislamiento a Ia barrera, y Ia otra capa proporciona el ajuste de peso bruto necesario, de modo que se consigue Ia densidad deseada para Ia barrera. Pueden realizarse ajustes de peso finales adicionales a Ia barrera una vez que se ha terminado y se ha cerrado completamente, acoplando varios lastres exteriores a Ia misma. Estos lastres exteri , pueden estar ambos acoplados de manera rígida al elemento de barrera, o simplemente dispuestos sobre el mismo, de modo que puede añadirse o retirarse peso de Ia barrera una vez que está en funcionamiento,- para ajustar adicionalmente su peso y densidad. Esto puede lograrse, por ejemplo, por medio de varios pesos, que se colocan sobre Ia parte superior de Ia barrera y que pueden retirarse en cualquier momento de Ia parte superior del tanque, para sustituirlos por pesos más pesados o más ligeros. Estos lastres exteriores se representan en Ia figura 4a, referenciados por los números de referencia (33) y (34). Tal como puede verse en esta figura, los lastres (33) están fijados permanentemente a Ia carcasa exterior de Ia barrera, o bien a su placa de parte inferior o a su placa de parte superior. La soldadura es el método preferido de acoplar estos lastres a Ia carcasa de barrera. Por otro lado, lastres (34) ajustables simplemente se disponen sobre Ia cara de parte superior de Ia barrera, y pueden retirarse y sustituirse por otros pesos más ligeros o más pesados en cualquier momento, por medio de cuerdas (35), que suben hasta Ia cubierta del tanque y fuera del tanque a través de algunos orificios realizados en Ia cubierta del tanque. Los lastres (34) ajustables pueden utilizarse también para equilibrar apropiadamente Ia barrera, si fuera necesario.
Con referencia de nuevo a Ia figura 2, se añaden preferiblemente algunos orificios (26) pasantes a Ia barrera. Se añaden algunos collarines (28) de cierre vertical para cada uno de los orificios, soldados tanto a Ia placa de parte superior como a Ia de parte inferior. Estos orificios pueden servir para guiar el movimiento de Ia barrera dentro del tanque, que puede lograrse por medio de columnas (27) verticales enganchadas en estos orificios y fijadas al tanque.
Para los collarines (28) de cierre vertical de los orificios (26) de barrera, debe tenerse en cuenta que tienen que adaptarse a un diferencial en expansión térmica radial entre las placas de arriba (21a) y de abajo (21 b) de Ia carcasa (21) de barrera exterior. Por este motivo, preferiblemente se proporcionan en forma de juntas de expansión o mangueras metálicas flexibles, con una línea de contorno ondulada (no mostrada en Ia figura) que las dotan de flexibilidad suficiente para adaptarse a dicho diferencial en expansión térmica entre las placas de arriba (21a) y de abajo (21 b) de Ia carcasa (21) de barrera exterior. Las columnas (27) son preferiblemente de sección tubular, para minimizar el flujo de calor que atraviesa estas columnas desde el lado caliente al lado frío del tanque. Los orificios (26) pue< iner otras funciones adicionales, tales como servir para el paso de instrumentos, líneas de tuberías, etc. La figura 3b es una vista' desde arriba de Ia carcasa de barrera, que muestra sólo una disposición a modo de ejemplo de algunos orificios en Ia carcasa. Tal como puede verse en esta figura, los orificios que están desplazados respecto al eje central de Ia barrera son alargados en Ia dirección radial de Ia barrera, para adaptarse a sus expansiones radiales.
Algunas estructuras de nervaduras (29), realizadas con perfiles eximidos estándar, se añaden tanto a las placas de arriba como de abajo de Ia carcasa (21 ) de barrera. Las nervaduras para Ia placa de abajo dotan a esta placa de suficiente resistencia estructural para soportar el propio peso de Ia barrera antes de que entre en servicio. Esta estructura está preferiblemente ubicada por encima de Ia placa (21 b) de abajo, por tanto dentro de Ia carcasa de barrera, teniendo Ia función adicional de dividir el espacio interior de Ia carcasa en compartimentos separados con el fin de tener un mejor guiado para Ia colocación de los materiales de relleno dentro de Ia carcasa. Por otro lado las nervaduras para Ia placa (21a) de arriba aumentan Ia rigidez de esta placa de modo que se evita alabear Ia placa.
Adicionalmente, las estructuras de nervadura de las placas de arriba y de abajo tienen Ia función de mantener el material de relleno en Ia región periférica de Ia barrera
, en contacto íntimo con Ia placa de cierre vertical, impidiendo cualquier separación entre el material de relleno y Ia placa de cierre vertical que podría producirse como resultado de diferencias entre las expansiones térmicas radiales de Ia carcasa exterior de Ia barrera y el material de relleno interno. Para soportar adecuadamente Ia barrera antes de que entre en servicio, y también para limitar su movimiento descendente dentro del tanque una vez en servicio, varias patas, representadas esquemáticamente por (25), se fijan por debajo de Ia placa (21b) de abajo de Ia barrera. La figura 3a muestra un ejemplo de una posible disposición de las nervaduras (29) y de las patas (25) fijadas en Ia placa (21 b) • de parte inferior.
Otra manera adicional de mejorar el comportamiento de Ia carcasa exterior con respecto a las deformaciones térmicas se presenta en Ia figura 4b, en Ia que se representa una segunda realización preferida de Ia invención. Tal como se ve en esta figura, algunos lóbulos (32b) ondulados circunferenciales se implementan en Ia región periférica de Ia barrera. Esta característica añade flexibilidad al acoplamiento entre las placas de arriba y de abajo de Ia carcasa, de modo que están parcialmente desacopladas entre sí. De este modo, Ia conexión entre las placas (21a, 21b) de arriba y de abajo se comporta come junta flexible, permitiendo de este modo que cada una de las placas consiga libremente sus dimensiones expandidas correspondientes. Para hacer Ia fabricación más sencilla dichos lóbulos circunferenciales pueden realizarse a partir de secciones rectas, como los mostrados en Ia figura 4a, referenciados como (32a). Ésta figura incluye también una sección parcial' que muestra una disposición a modo de ejemplo del material de relleno dentro de Ia barrera como una serie de ladrillos (36) (no se hace distinción entre las diferentes capas del material de relleno en esta figura).
En otra configuración de Ia invención, señalada esquemáticamente en Ia figura 5, Ia barrera está dividida en varios cuerpos (51 ) separados y independientes, teniendo cada uno de los cuerpos su propia carcasa exterior metálica estanca a los fluidos con sus correspondientes capas de material de relleno en su interior. A modo de ejemplo, una manera de dividir Ia barrera podría ser dividirla en una pieza central circular y varios sectores anulares exteriores.
Las ventajas de esta configuración proceden del hecho de que el tamaño de cada uno de los cuerpos independientes se reduce, reduciendo así considerablemente los problemas relacionados con expansiones térmicas diferenciales en Ia barrera Además, Ia construcción de Ia barrera se mejora debido a Ia modularidad de este configuración.
Para evitar cualquier separación vertical de los diferentes cuerpos, se ensamblan entre sí de modo tal que se asegura su cohesión, aunque se permite cierta libertad relativa entre los mismos, de modo que cada cuerpo se comporta como una pieza independiente. Esto puede lograrse proporcionando varios salientes (52) a los bordes exteriores de cada cuerpo, de modo que bordes adyacentes de cuerpos adyacentes pueden atarse entre sí por medio de cuerdas o cadenas (53), u otros medios similares.
En las configuraciones propuestas para Ia carcasa de barrera, un alto flujo de calor se conduce a través de Ia placa (21c) metálica de cierre vertical, que tiene una alta conductividad térmica y conecta térmicamente ambas zonas del tanque a diferentes temperaturas.
Una característica adicional puede introducirse en Ia barrera, que intenta reducir el flujo de calor que atraviesa Ia placa (21c) vertical. Esta característica consiste en dar una forma curvada a Ia línea de contorno vertical de Ia placa, similar a Ia mostrada en Ia figura 3c, en lugar de una forma recta. Tal como se muestra esquemáticamente en esta figura, se da una forma corrugada a esta placa, realizando varios lóbulos (31) verticales e.. ... nisma. Haciendo esto, se restringe. Ia trayectoria de conducción a través del metal, y el flujo de calor que cruza esta trayectoria se reduce significativamente.
Muchas de las características descritas en el presente documento se implementan para diferentes realizaciones de Ia barrera. No obstante, muchas combinaciones de las mismas pueden ¡mplementarse para una única barrera. Por ejemplo, Ia forma ondulada de Ia carcasa exterior de barrera cerca de su perímetro exterior así como Ia geometría no plana para cualquiera o ambas de las placas (21a, 21b) de arriba y de abajo de Ia carcasa de barrera, pueden añadirse al mismo tiempo a Ia barrera.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Tanque de almacenamiento de energía térmica . de dos temperaturas que comprende una barrera Mv.~ flota en Ia superficie de contacto de dos masas de fluido almacenado . a diferentes temperaturas, debido a Ia diferencia de densidad entre dichas masas de fluido, y en el que dicha barrera tiene una densidad intermedia entre los fluidos almacenados a sus diferentes temperaturas nominales, caracterizado porque dicha barrera comprende, al menos, una carcasa exterior estanca a los fluidos y un material de relleno dentro de Ia carcasa exterior estanca a los fluidos; y porque dicho material de relleno está fabricado de un material .rígido y resistente a Ia compresión, y dispuesto dentro de Ia carcasa exterior en forma suelta, sin proporcionar ninguna restricción a Ia dilatación térmica entre los diferentes elementos.
2. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el segundo material de relleno comprende además, al menos: una primera capa de aislamiento horizontal; una segunda capa de ajuste de densidad horizontal.
3. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el segundo material de relleno comprende además una capa de separación entre las capas horizontales primera y segunda; dichos medios de modo que dichas capas primera y segunda se mantienen separadas para impedir cualquier mezclado potencial entre las capas.
4. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 , 2 y 3, caracterizado porque Ia carcasa exterior estanca a los fluidos está fabricada del mismo material de construcción de Ia carcasa de tanque y porque dicho material es acero al carbono para las temperaturas superiores de funcionamiento por debajo de 4000C - 45O0C y acero inoxidable para los valores de funcionamiento superiores por encima de 4000C - 4500C.
5. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porqué los materiales de las capas horizontales primera y segunda se suministran en forma granular o en piezas individuales pequeñas.
6. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque Ia barrera comprende además una pluralidad de lastres e >s para proporcionar ajustes adicionales de peso o para equilibrar Ia barrera una vez que Ia barrera está terminada y completamente cerrada.
7. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 6, caracterizado porque los lastres externos son al menos uno, seleccionado de: lastres ajustables externos; lastres no ajustables externos.
8. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque Ia carcasa exterior estanca a los fluidos de Ia barrera está compuesta por un único cuerpo que comprende: una primera placa de arriba; una segunda placa de parte inferior; una tercera placa vertical que cierra el espacio periférico entre las placas primera y segunda
9. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 8, caracterizado porque al menos una de dichas, primera placa de arriba y segunda placa de parte inferior tienen una geometría no plana.
10. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 9, caracterizado porque dicha geometría no plana es, al menos una, seleccionada de: geometría cónica; geometría poligonal; geometría esférica.
11. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 8, caracterizado porque Ia tercera placa vertical tiene una forma ondulada o corrugada para Ia línea de contorno de, sección transversal circunferencial de Ia placa.
12. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según l,as reivindicaciones 1 a 11 , caracterizado porque Ia línea de contorno de sección transversal circunferencial de Ia' carcasa de barrera exterior tiene varios lóbulos ondulados o rectos cerca de su perímetro exterior, para aumentar Ia flexibilidad en Ia conexión entre las placas de arriba y de abajo de Ia carcasa de barrera y por consiguiente reducir Ia deformación térmica de Ia carcasa de barrera.
13. Tanque de almacenan de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque dicha barrera está dividida en una pluralidad de cuerpos separados e independientes, comprendiendo cada uno de los cuerpos: una carcasa exterior estanca a los fluidos; y un material de relleno dentro de Ia carcasa exterior estanca a los fluidos; - y porque dicho material de relleno está fabricado de materiales rígidos y resistentes a Ia compresión, y dispuestos dentro de Ia carcasa exterior en forma suelta, sin proporcionar ninguna restricción a Ia dilatación térmica entre los diferentes elementos.
14. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 13, caracterizado porque los diferentes cuerpos de Ia barrera están ensamblados entre sí, de modo que se garantiza su cohesión mientras que se permite libertad relativa entre los mismos, debido a las cuerdas o cadenas que ensamblan cuerpos adyacentes.
15. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque Ia barrera comprende además a1 menos un orificio pasante horizontal.
16. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 15, caracterizado porque se proporciona al menos un collarín de cierre para los orificios pasantes de barrera en forma de juntas de expansión o mangueras metálicas flexibles, para tener suficiente flexibilidad para adaptarse adecuadamente a Ia diferencia de expansiones térmicas entre las placas de arriba y de abajo de Ia carcasa de barrera.
17. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 15, caracterizado porque al menos un orificio se engancha a una columna fijada al tanque, '
18. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 17, caracterizado porque dicha columna tiene una sección tubular para minimizar Ia conducción de calor á través de Ia misma y para permitir su uso para otros fines, tal como paso de instrumentos o conducción de fluido.
19. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque Ia barrera también comprende una. pluralidad de ner. ~,as acopladas tanto a las placas de arriba como de abajo de Ia carcasa exterior estanca ajos fluidos, para proporcionar resistencia estructural.
20. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según Ia reivindicación 19, caracterizado porque dichas nervaduras tienen el fin adicional de impedir cualquier separación radial entre el material de relleno y Ia carcasa exterior estanca a los fluidos.
21. Tanque de almacenamiento de energía térmica de dos temperaturas según las reivindicaciones 1 a 20, caracterizado porque se añaden varias patas a Ia barrera, para soportar su peso y para limitar su movimiento descendente dentro del tanque.
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