WO2010106205A1 - Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor - Google Patents
Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor Download PDFInfo
- Publication number
- WO2010106205A1 WO2010106205A1 PCT/ES2010/000110 ES2010000110W WO2010106205A1 WO 2010106205 A1 WO2010106205 A1 WO 2010106205A1 ES 2010000110 W ES2010000110 W ES 2010000110W WO 2010106205 A1 WO2010106205 A1 WO 2010106205A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- air
- steam
- solar plant
- receivers
- solar
- Prior art date
Links
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 35
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 7
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 claims description 5
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 4
- 238000003303 reheating Methods 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 2
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 abstract 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 2
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004326 stimulated echo acquisition mode for imaging Methods 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
- F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
- F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
- F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
- F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
- F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
- F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
- F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
- F03G6/067—Binary cycle plants where the fluid from the solar collector heats the working fluid via a heat exchanger
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S10/00—Solar heat collectors using working fluids
- F24S10/20—Solar heat collectors using working fluids having circuits for two or more working fluids
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
- F24S20/00—Solar heat collectors specially adapted for particular uses or environments
- F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
- Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines
Definitions
- the present invention relates to a solar plant with application in the fields of the production of electricity, process heat and solar fuels, as well as in thermochemical processes, in which it is intended to combine the technologies of solar air receiver and solar receiver of saturated steam for the production of superheated steam.
- a field of heliostats large mirrors, 40- 125 m2 per unit
- a tracking of the solar position at all times orient the reflected rays towards a focus placed in the upper part of a tower.
- the direct solar energy is concentrated in a receiver located in the upper part of a tower. These receivers have a heat transfer fluid that is heated from concentrated solar energy.
- Saturated generally tubular steam solar receivers heat the water that is passed through the receiver causing phase change and obtaining steam at a certain temperature.
- al- receptors canzan maximum steam temperature of 330 0 C; for which the turbine efficiency can be considered low.
- the walls of the tubes of the solar superheated steam receiver are subjected to thermal cycles continuously between the ambient temperature, the temperature of the steam with which this receiver is fed (250 to 31O 0 C) and the necessary temperature in the wall for the generation of superheated steam at 54O 0 C, close to 600 0 C, this coupled with the lack of controllability of the system especially in transitory conditions (passing clouds etc.) and the poor thermal properties of superheated steam, makes the materials of the receiver they are exposed to important tensions, suffering a greater tension and fatigue and causing the appearance of cracks due to the great differences of temperature in the different parts of the receiver.
- receivers are generally volumetric receivers that are specifically designed to optimize the exchange of heat with air as a thermal fluid, the illuminated absorber constituting the receiver, a porous matrix or medium (metal mesh or ceramic monolith), through which the cooling gas
- This invention is proposed as an alternative to existing technologies that use a single receiver for the generation of superheated steam through the contribution of solar energy.
- Improvements to current technologies are included thanks to the fact that the main objective (to obtain steam superheated to certain conditions to feed a turbine), is achieved by performing a process in stages that take place in physically independent solar components, which is why they can be used the technological advantages provided by each of them.
- the implementation of a system like the one described here, will allow to obtain greater efficiency in the global process of electric power production.
- the invention consists in the production of high efficiency superheated steam by means of the combination of three elements: solar receiver of non-pressurized air, saturated steam solar receiver and a heat exchanger.
- the system also has a boiler where the phase separation of the water-steam mixture from the saturated steam receiver occurs.
- both receivers are physically separated, so each receiver can be located in a single cavity or in cavities other than the tower, which can lead to establishment of independent strategies for targeting the heliostat field.
- the aiming strategy of the heliostats consists of an adaptive dynamic control of the field according to the requirements of heat flux density of each receiver, thus maintaining stable the conditions of the inlet temperature of the fluids to the exchanger. In this way, part of the heliostat field focuses on the saturated steam receiver and another part on the air receiver, allowing greater control of the plant and favoring its stability of operation.
- the overheating of saturated steam takes place in a heat exchanger, which is separated from the solar input, and in which the transfer fluid is unpressurized air at high temperature from of a solar receiver at atmospheric pressure.
- the elevation of the steam temperature is obtained as a result of the transfer of energy between the fluids from the two receivers in the exchanger.
- Another of the advantages of the proposed system is the fact of working with non-pressurized air receivers that have a great simplicity of operation and allows to avoid the problems generated by the use of pressurized air in non-stable incident solar radiation conditions.
- the contribution of steam is made by solar receivers of saturated steam, technology that does not present technological risks.
- the separation of the evaporation and overheating phases allows also have a greater room for maneuver when implementing thermal storage systems in the circuit, either using saturated steam or superheated steam, thus guaranteeing the operation of the plant at those times of the day when transients occur (clouds, etc. .) or do not have solar input.
- Unpressurized air receiver in said receiver the air temperature is raised by means of the contribution of solar energy.
- Saturated steam receiver receiver on which solar energy is concentrated in order to produce saturated steam.
- Heat exchanger device for thermal exchange between the supply of hot air and superheated steam. 8. Turbine
- thermoelectric solar plant object of our invention consists of a tower of optimum height (2, 2 ') and a field of heliostats (1) (large mirrors 40- 120 m 2 ) together with the necessary auxiliaries for its operation.
- the tower has two cavities located high in the tower (3 ', 3 "), one destined to house a saturated solar steam receiver (5) and another destined to a solar receiver of non-pressurized air (4).
- the feed water (11) enters the boiler cold (6) and from there it is circulated to the saturated steam solar receiver (5) where part of the liquid water is converted into steam.
- the water-steam mixture rises again to the boiler (6) where the phase separation takes place.
- the saturated steam (12) leaves the boiler at a temperature between 260-350 0 C, said temperature will be given by the pressure of the steam system, the air (13) coming from the non-pressurized solar receiver (4) installed in Ia First cavity of the tower (3 ') and heated by the concentration of solar radiation, is introduced into a heat exchanger (7).
- the thermal exchange takes place between the high temperature air (13) and the saturated steam (12) coming from the boiler (6) of the saturated steam solar receiver installed in a second cavity (3 ") of the tower
- the temperature of the superheated steam will be that required by the steam turbine (8), normally 540 0 C. Therefore, the design of the air receiver will have an area and focus of a number of heliostats proportional to the power required by The turbine (8).
- the heat exchanger (7) is located at the foot of the tower (2 ') to facilitate its maintenance and reduce the costs associated with its installation.
- thermoelectric solar plant can also have a storage system (16) either in steam or in molten salts, which allows us to store the steam generated in the solar receiver in order to use it overnight in the case of there is no solar input or during transients.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor con aplicación en los campos de Ia producción de electricidad, calor de proceso, y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos, producido a partir de Ia combinación de un receptor solar de aire no presurizado, un receptor solar de vapor saturado y un intercambia¬ dor de calor separado del aporte solar y cuya finalidad es Ia producción de vapor sobrecalentado.
Description
PLANTA SOLAR COMBINADA DE TECNOLOGÍA DE AIRE Y VAPOR
SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una planta solar con aplicación en los campos de Ia producción de electricidad, calor de proceso y combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos, en Ia que se pretende combinar las tecnologías de receptor solar de aire y receptor solar de vapor saturado para Ia producción de vapor sobrecalentado. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La tecnología dentro de Ia que se encuadra Ia invención y de Ia que es objeto esta patente es Ia de tecnología de plantas de energía solar termoeléctrica de torre, en las que un campo de helióstatos (espejos de grandes dimensiones, 40-125 m2 por unidad) dotados de un seguimiento de Ia posición solar en todo momento (elevación y acimut), orientan los rayos reflejados hacia un foco colocado en Ia par- te superior de una torre.
La energía solar directa es concentrada en un receptor situado en Ia parte superior de una torre. Estos receptores cuentan con un fluido caloportador que se calienta a partir de Ia energía solar concentrada.
Posteriormente éste u otro fluido calentado a partir del anterior pasa por una turbina, para Ia producción de electricidad.
Existe gran variedad de tipos de receptores que cumplen Ia misión de recoger Ia energía solar concentrada y transmitirla a un fluido caloportador, pero todos ellos cuentan aún con una serie de inconvenientes.
A continuación vamos a hacer referencia a tres tipos de receptores según el tipo de fluido caloportador empleado: receptores solares de vapor saturado, receptores solares de vapor sobrecalentado y receptores solares de aire.
Los receptores solares de vapor saturado generalmente tubulares calientan el agua que se hace pasar por el receptor produciéndose en ellos el cambio de fase y obteniendo vapor a determinada temperatura. Estos receptores sin embargo al- canzan como máximo temperaturas de vapor de 330 0C; para las cuales el rendimiento de Ia turbina puede considerarse bajo.
Como solución a esto, se planteó Ia utilización de receptores solares de vapor sobrecalentado cuyo uso permite Ia implementación de ciclos termodinámicos de mayor eficiencia en las plantas. Sin embargo, estos receptores cuentan con una
gran dificultad tecnológica debido a las exigentes condiciones de temperatura a las que se hace trabajar el receptor.
Las paredes de los tubos del receptor solar de vapor sobrecalentado se someten a ciclos térmicos de forma continuada entre Ia temperatura ambiente, Ia tem- peratura del vapor con que se alimenta este receptor (250 a 31O0C) y Ia temperatura necesaria en Ia pared para Ia generación de vapor sobrecalentado a 54O0C, próxima a 6000C, esto unido a Ia falta de controlabilidad del sistema especialmente ante transitorios, (paso de nubes etc.) y a las malas propiedades térmicas del vapor sobrecalentado, hace que los materiales del receptor estén expuestos a importan- tes tensiones, sufriendo una mayor tensión y fatiga y provocando Ia aparición de grietas debido a las grandes diferencias de temperatura en las distintas partes del receptor.
Por otra parte existe el problema de trabajar a altas presiones, Io que exige espesores de pared de tubo mayores, que a Ia hora de transferir altas densidades de potencia al fluido caloportador implican necesariamente altos gradientes térmicos.
Por tanto las dificultades que se encuentran actualmente en los sistemas de vapor sobrecalentado están principalmente ligadas a Ia resistencia de los materiales debido a las condiciones de aporte solar. Otro tipo de receptores que encontramos son los receptores de aire con o sin presurización.
Estos receptores son generalmente receptores volumétricos que están específicamente concebidos para optimizar el intercambio de calor con aire como fluido térmico, siendo el absorbedor iluminado que constituye el receptor, una matriz o medio poroso (malla metálica o monolito cerámico), a través del cual fluye el gas de refrigeración.
Estos receptores consiguen trabajar entre 7000C y 85O0C de temperatura de salida para absorbedores metálicos y más de 1.0000C con absorbedores cerámicos pero con eficiencias térmicas inferiores a las de los receptores tubulares (70-80%). Los receptores de aire presurizados utilizan aire calentado por Ia radiación solar e inyectado a continuación en una turbina de gas a una determinada presión.
En estos receptores nos encontramos de nuevo con Ia condición de trabajar a presiones muy altas, con las dificultades de control que esto supone en una planta de energía solar, en Ia que no se cuenta además con un aporte de calor constan- te.
Es importante considerar además que en un receptor solar, Ia distribución del flujo incidente, incluso en estado cuasi-estacionario, no es uniforme sobre Ia superficie del receptor. Además, el flujo incidente presenta discontinuidades debido a Ia variación del paso de nubles, denominadas transitorios. Estos dos factores nos proporcionan una idea más real de las tensiones térmico-estructurales a las que ha de someterse un receptor solar.
Hasta ahora los receptores anteriormente descritos han sido considerados de manera independiente en plantas solares de producción eléctrica o constituyendo un único receptor. La combinación de ambos receptores ubicados de manera independiente en torres albergados en una o varias cavidades supondría una enorme ventaja de cara a solucionar los distintos problemas técnicos anteriormente planteados.
La invención que a continuación se presenta trata de aglutinar las ventajas de Ia utilización de vapor sobrecalentado en plantas de energía solar, solventando los riesgos actualmente existentes, consiguiendo un mayor control de Ia planta y favoreciendo de esta manera Ia estabilidad y durabilidad de ésta. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Esta invención se propone como alternativa a las tecnologías existentes que usan un único receptor para Ia generación de vapor sobrecalentado mediante el aporte de energía solar.
Se incluyen mejoras a las tecnologías actuales gracias a que el objetivo principal (obtener vapor sobrecalentado a determinadas condiciones para alimentar una turbina), es alcanzado realizando un proceso por etapas que tienen lugar en componentes solares independientes físicamente, razón por Ia cual pueden aprove- charse las ventajas tecnológicas proporcionadas por cada uno de ellos. La imple- mentación de un sistema como el aquí descrito, permitirá obtener una mayor eficiencia en el proceso global de producción de energía eléctrica.
La invención consiste en Ia producción de vapor sobrecalentado de alta eficiencia mediante Ia combinación de tres elementos: receptor solar de aire no pre- surizado, receptor solar de vapor saturado y un intercambiador de calor. El sistema cuenta también con un calderín donde se produce Ia separación de fases de Ia mezcla agua-vapor proveniente del receptor de vapor saturado.
En este sistema combinado de receptor de aire y vapor saturado, ambos receptores se encuentran separados físicamente, así cada receptor puede ubicarse en una sola cavidad o en cavidades distintas de Ia torre, Io que puede dar lugar al
establecimiento de estrategias independientes de apunte del campo de helióstatos. La estrategia de apunte de los helióstatos consiste en un control dinámico adaptati- vo del campo según los requerimientos de densidad de flujo de calor de cada receptor, manteniendo así estables las condiciones de temperatura de entrada de los fluidos al intercambiador. De esta manera, parte del campo de helióstatos se enfoca al receptor de vapor saturado y otra parte al receptor de aire, permitiendo ejercer un mayor control de Ia planta y favoreciendo Ia estabilidad de operación de Ia misma. En el sistema propuesto, el sobrecalentamiento del vapor saturado (proveniente del calderín) tiene lugar en un intercambiador de calor, que se encuentra separado del aporte solar, y en el que el fluido de transferencia es el aire no presu- rizado a alta temperatura proveniente de un receptor solar a presión atmosférica. De esta forma, Ia elevación de Ia temperatura del vapor se obtiene como resultado de Ia transferencia de energía entre los fluidos provenientes de los dos receptores en el intercambiador. Lo anterior, supone una enorme ventaja para el sistema propuesto frente a los receptores de vapor sobrecalentado, puesto que ahora en el intercambiador, se puede contar con condiciones de entrada y de salida fácilmente controlables, con Io que puede estabilizarse Ia etapa de sobrecalentamiento.
De igual forma, al realizar el sobrecalentamiento del vapor de los receptores en un intercambiador separado del aporte solar, se logra reducir Ia inestabilidad que supone hacerlo en un receptor de vapor sobrecalentado. Con ello, se evitan los problemas causados por las exigentes condiciones de temperatura a las que se somete el receptor, y que generan problemas de resistencia de materiales (altas tensiones, condiciones extremas de fatiga mecánica y térmica) causantes de Ia aparición de grietas en su estructura.
Existe Ia posibilidad de que el aire que sale del intercambiador a una temperatura por encima de 8O0C se utilice en el precalentamiento del agua recirculada al calderín y que se distribuirá posteriormente al receptor de vapor saturado.
Otra de las ventajas del sistema propuesto es el hecho de trabajar con re- ceptores de aire no presurizados que cuentan con una gran simplicidad de operación y permite evitar los problemas generados por el uso de aire a presión en condiciones de radiación solar incidente no estables. Por otro lado, el aporte de vapor se realiza mediante receptores solares de vapor saturado, tecnología que no presenta riesgos tecnológicos. La separación de las fases de evaporación y de sobrecalentamiento permite
además tener un mayor margen de maniobra a Ia hora de implementar sistemas de almacenamiento térmico en el circuito, bien utilizando vapor saturado o vapor sobrecalentado, garantizándose así Ia operación de Ia planta en aquellos momentos del día en los que se presenten transitorios (nubes, etc.) o no se cuente con aporte solar.
Por Io tanto, Ia utilización combinada de estos dos tipos de receptores (receptor de aire no presurizado y receptor de vapor saturado) en una planta solar de producción de vapor sobrecalentado a partir de un intercambiador de calor, supone una enorme ventaja de cara a mejorar Ia eficiencia del sistema global, Ia estabilidad de las diferentes etapas del proceso y Ia durabilidad de los elementos que Io componen.
En resumen, las mejoras y ventajas que presenta esta invención frente a las tecnologías existentes de receptores solares de torre central son:
• Uso combinado de tecnología de receptor de vapor saturado y receptor de aire, para obtener los fluidos a condiciones óptimas que permitan el sobrecalentamiento del vapor en un intercambiador de calor independiente, que facilita el control de Ia planta solar y favorece su operación normal continuada y su estabilidad. Estos componentes están separados físicamente para obtener una mayor eficiencia en las diferentes etapas del proceso y permitir un mayor control del mismo. • El sobrecalentamiento se hace en un intercambiador independiente de los receptores solares, con Io que se atenúan las dificultades acarreadas por los receptores solares de vapor sobrecalentado, haciendo que el proceso se realice de manera más eficiente y controlada.
• Gracias a Ia independencia física de ambos receptores, éstos pueden ubi- carse en Ia misma cavidad (sin constituir un único receptor) o en cavidades diferentes de Ia torre, pudiéndose en este caso llevar a cabo una estrategia de apunte determinada del campo según los requerimientos de cada receptor.
• El proceso permite plantear Ia posibilidad de desarrollar e implementar sistemas de almacenamiento térmico con un mayor margen de maniobra bien utilizan- do vapor saturado o vapor sobrecalentado.
• Disminución de las tensiones térmicas a las que se someten los materiales de los receptores al utilizar un intercambiador externo para el sobrecalentamiento, favoreciendo Ia durabilidad de Ia planta.
Descripción de los dibujos Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de
ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente (de acuerdo con una realización preferente de Ia misma): Figura 1. Planta solar de tecnología central de torre de una cavidad, con combinación de receptor de vapor saturado y receptor de aire, donde las referencias corresponden a los siguientes elementos:
I . Campo de helióstatos: conjunto de espejos de grandes dimensiones (40- 120 m2) que concentran Ia radiación solar directa en Io alto del receptor. 2. Torre de una cavidad.
3. Cavidad, cuya finalidad es Ia de albergar los receptores de distintas tecnologías
4. Receptor de aire no presurizado: en dicho receptor se eleva Ia temperatura del aire mediante Ia aportación de energía solar. 5. Receptor de vapor saturado: receptor sobre el que se concentra Ia energía solar con el fin de producir vapor saturado.
6. Calderín
7. Intercambiador de calor: dispositivo para el intercambio térmico entre el aporte de aire caliente y el vapor sobrecalentado. 8. Turbina
9. Condensador
10. Bomba
I 1. Corriente de alimentación de agua al calderín que posteriormente es enviada al receptor de vapor saturado 12. Vapor saturado obtenido en el receptor de vapor saturado
13. Aire caliente proveniente del receptor de aire no presurizado
14. Aire a menor temperatura recirculado al receptor de aire no presurizado
15. Agua recuperada y condensada de Ia turbina recirculada al calderín, para su posterior derivación al receptor de vapor saturado Figura 2. Planta solar de tecnología central de torre de dos cavidades, con combinación de receptor de vapor saturado y receptor de aire, donde las referencias que difieren de Ia figura 1 representan: 2'. Torre de dos cavidades 3', 3". Cavidades 14'. Aire a menor temperatura saliente del intercambiador
Figura 3. Planta solar de tecnología central de torre de dos cavidades, con combinación de receptor de vapor saturado y receptor de aire, con sistemas de almacenamiento térmico, donde las nuevas referencias representan:
16. Sistema de almacenamiento térmico para vapor saturado 17. Sistema de almacenamiento térmico para vapor sobrecalentado
Figura 4. Planta solar de tecnología central de torre de dos cavidades, con combinación de receptor de vapor saturado y receptor de aire con economizador, donde los nuevos elementos se corresponden con las referencias:
14". Aire a menor temperatura saliente del intercambiador para precalenta- miento del agua
18. Economizador
19. Aire a baja temperatura
20. Agua precalentada para alimentación del calderín Realización preferente de Ia invención La planta solar termoeléctrica objeto de nuestra invención está constituida por una torre de altura óptima (2, 2') y un campo de helióstatos (1) (espejos de grandes dimensiones 40-120 m2) junto con los auxiliares necesarios para el funcionamiento de esta.
La torre cuenta con dos cavidades situadas en Io alto de Ia torre (3', 3"), una destinada a albergar un receptor solar de vapor saturado (5) y otra destinada a un receptor solar de aire no presurizado(4).
Para que el aporte de energía solar a los dos receptores se produzca de Ia manera más eficiente se propone llevar acabo una serie de estrategias de apunte de los helióstatos de manera que parte del campo de helióstatos al receptor solar de vapor saturado y parte al receptor de vapor sobrecalentado, es decir, se propone el uso de radiación concentrada por parte de un tanto por ciento del campo de helióstatos para Ia fase de evaporación, y Ia utilización del resto del campo para Ia concentración de radiación destinada al receptor de aire no presurizado.
El agua de alimentación (11) entra fría en el calderín (6) y desde allí se hace circular hacia el receptor solar de vapor saturado (5) donde parte del agua líquida se convierte en vapor. La mezcla agua-vapor, asciende otra vez al calderín (6) donde tiene lugar Ia separación de fases. El vapor saturado (12) abandona el calderín a una temperatura entre los 260-3500C, dicha temperatura vendrá dada por Ia presión del sistema de vapor, El aire (13) proveniente del receptor solar no presurizado (4) instalado en Ia
primera cavidad de Ia torre (3') y calentado por Ia concentración de Ia radiación solar, es introducido en un intercambiador de calor (7). En éste, se produce el intercambio térmico entre el aire a alta temperatura (13) y el vapor saturado (12) proveniente del calderín (6) del receptor solar de vapor saturado instalado en una segun- da cavidad (3") de Ia torre. La temperatura del vapor sobrecalentado será Ia requerida por Ia turbina de vapor (8), normalmente 540 0C. Por Io tanto, el diseño del receptor de aire tendrá un área y un enfoque de un número de helióstatos proporcional a Ia potencia requerida por Ia turbina (8).
El intercambiador de calor (7) se encuentra situado a pie de torre (2') para facilitar su mantenimiento y disminuir los costes asociados a su instalación.
Tras el intercambiador de aire-vapor, se cuenta con una salida de vapor sobrecalentado a turbina y una salida de aire todavía a alta temperatura (14, 14', 14") que puede emplearse como economizador (18) o sistema de precalentamiento del agua proveniente de Ia turbina (15) ,como sistema de aire caliente de entrada al receptor de aire o en el caso de plantas de gran potencia como recalentador del vapor a Ia salida de una turbina de alta presión que posteriormente alimentará una turbina de media presión.
Nuestra planta solar termoeléctrica puede contar además con un sistema de almacenamiento (16) o bien en vapor o en sales fundidas, Io que nos permite alma- cenar el vapor generado en el receptor solar con el fin de utilizarlo durante Ia noche en el caso de no existir aporte solar o durante transitorios.
Claims
1.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor, que utiliza como fluido caloportador agua/vapor y aire, caracterizada por contar con tres subsistemas: un primer subsistema de evaporación y un segundo subsistema de aire, situados físicamente de forma independiente en una misma cavidad o en cavidades distintas de una torre; y un tercer subsistema de sobrecalentamiento mediante intercambiador de calor aire-vapor independiente de los subsistemas anteriores e incluyendo un calderín a modo de conexión entre el subsistema de evaporación y el de sobrecalentamiento.
2.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 1 , caracterizada por llevar a cabo un control de estrategias de apunte del campo de helióstatos independiente para los primeros dos subsistemas.
3.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 2, caracterizada porque el intercambio de calor se produce en un elemento externo no sometido al aporte de energía solar.
4.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 2, caracterizada porque combina Ia utilización de uno o varios receptores de aire no presurizado y uno o varios receptores de vapor saturado.
5.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 4, caracterizada porque el receptor de vapor saturado es tubular o exterior.
6.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 4, caracterizada porque los receptores de aire no presurizado y los receptores de va- por saturado están situados en una misma cavidad.
7.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicación 4, caracterizada porque los receptores de aire no presurizado y los receptores de vapor saturado están situados en distintas cavidades.
8.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicaciones 6 ó 7, caracterizada porque Ia planta solar termoeléctrica cuenta con uno o varios sistemas de almacenamiento térmico.
9.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicaciones 6 ó 7 caracterizada porque se utiliza un sistema de intercambio entre el aire que sale del intercambiador y el agua de alimentación al calderín a modo de precalentamie- to.
10.- Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor según reivindicaciones 6 ó 7 caracterizada porque se utiliza un sistema de intercambio entre el aire a Ia salida del intercambiador y el vapor que sale de una turbina de alta presión para su recalentamiento y su posterior alimentación a una turbina de media presión.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES10753153.5T ES2549605T3 (es) | 2009-03-20 | 2010-03-18 | Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor |
EP10753153.5A EP2410177B1 (en) | 2009-03-20 | 2010-03-18 | Air- and steam-technology combined solar plant |
US13/257,486 US20120096859A1 (en) | 2009-03-20 | 2010-03-18 | Air- and steam-technology combined solar plant |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200900764A ES2345379B1 (es) | 2009-03-20 | 2009-03-20 | Planta solar combinada de tecnologia de aire y vapor. |
ESP200900764 | 2009-03-20 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2010106205A1 true WO2010106205A1 (es) | 2010-09-23 |
WO2010106205A4 WO2010106205A4 (es) | 2010-11-04 |
Family
ID=42697140
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/ES2010/000110 WO2010106205A1 (es) | 2009-03-20 | 2010-03-18 | Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20120096859A1 (es) |
EP (1) | EP2410177B1 (es) |
ES (2) | ES2345379B1 (es) |
WO (1) | WO2010106205A1 (es) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120204565A1 (en) * | 2011-02-15 | 2012-08-16 | Google Inc. | Natural Convection Intercooler |
WO2014026703A1 (en) | 2012-08-17 | 2014-02-20 | Solar Tower Technologies Ag | A solar receiver with a heliostat field |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2945969A1 (de) * | 1979-11-14 | 1981-05-27 | Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim | Sonnenkraftwerksanlage mit einem auf einem turm angeordneten strahlungswaermetauscher und einem den turm umgebenden kuehlturm |
US4394859A (en) * | 1981-10-27 | 1983-07-26 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Central solar energy receiver |
US4421102A (en) * | 1978-05-02 | 1983-12-20 | Mario Posnansky | Process and apparatus for heating a transparent, gaseous medium by means of concentrated solar radiation |
ES2222838A1 (es) * | 2002-08-29 | 2005-02-01 | Deutsches Zentrum Fuer Luft-Und Raumfahrt E.V. | Receptor de radiacion solar para central termica solar. |
US20080302314A1 (en) * | 2007-06-07 | 2008-12-11 | Abengoa Solar New Technologies, S.A. | Solar concentration plant for the production of superheated steam |
WO2008153922A1 (en) * | 2007-06-06 | 2008-12-18 | Ausra, Inc. | Integrated solar energy receiver-storage unit |
Family Cites Families (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3927659A (en) * | 1973-09-21 | 1975-12-23 | Martin Marietta Corp | Peak efficiency solar energy powered boiler and superheater |
US3924604A (en) * | 1974-05-31 | 1975-12-09 | Schjeldahl Co G T | Solar energy conversion system |
US4121564A (en) * | 1977-02-04 | 1978-10-24 | Sanders Associates, Inc. | Solar energy receiver |
US4263895A (en) * | 1977-10-17 | 1981-04-28 | Sanders Associates, Inc. | Solar energy receiver |
US4312324A (en) * | 1978-08-09 | 1982-01-26 | Sanders Associates, Inc. | Wind loss prevention for open cavity solar receivers |
US4289114A (en) * | 1978-09-12 | 1981-09-15 | The Babcock & Wilcox Company | Control system for a solar steam generator |
DE3017699A1 (de) * | 1980-05-08 | 1981-11-12 | Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim | Sonnenkraftwerk mit einem auf einem turm angeordnetem solarerhitzer |
US4485803A (en) * | 1982-10-14 | 1984-12-04 | The Babcock & Wilcox Company | Solar receiver with interspersed panels |
JPS60122865A (ja) * | 1983-12-07 | 1985-07-01 | Hitachi Ltd | 太陽熱発電装置 |
DE4447591C2 (de) * | 1994-05-20 | 1998-04-09 | Steinmueller Gmbh L & C | Solaranlage zur Erzeugung von Dampf mittels konzentrierter Sonnenstrahlung |
US6510687B1 (en) * | 1996-06-14 | 2003-01-28 | Sharav Sluices Ltd. | Renewable resource hydro/aero-power generation plant and method of generating hydro/aero-power |
US6981377B2 (en) * | 2002-02-25 | 2006-01-03 | Outfitter Energy Inc | System and method for generation of electricity and power from waste heat and solar sources |
DE10248068B4 (de) * | 2002-10-11 | 2007-09-27 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Anlage zur solarthermischen Dampferzeugung und Verfahren zur solarthermischen Erzeugung von Dampf |
DE10346255A1 (de) * | 2003-09-25 | 2005-04-28 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Verfahren zur Erzeugung von überhitztem Dampf, Dampferzeugungsstufe für ein Kraftwerk und Kraftwerk |
US20080127647A1 (en) * | 2006-09-15 | 2008-06-05 | Skyfuel, Inc. | Solar-Generated Steam Retrofit for Supplementing Natural-Gas Combustion at Combined Cycle Power Plants |
JP4786504B2 (ja) * | 2006-11-10 | 2011-10-05 | 川崎重工業株式会社 | 熱媒体供給設備および太陽熱複合発電設備ならびにこれらの制御方法 |
US7836695B2 (en) * | 2007-03-06 | 2010-11-23 | Solar and Environmental Technologies Corporation | Solar energy system |
US20100191378A1 (en) * | 2007-03-26 | 2010-07-29 | Brightsource Industries (Israel) Ltd. | Distributed power towers with differentiated functionalities |
AU2008262309A1 (en) * | 2007-06-06 | 2008-12-18 | Areva Solar, Inc. | Combined cycle power plant |
US8378280B2 (en) * | 2007-06-06 | 2013-02-19 | Areva Solar, Inc. | Integrated solar energy receiver-storage unit |
US8001960B2 (en) * | 2007-11-12 | 2011-08-23 | Brightsource Industries (Israel) Ltd. | Method and control system for operating a solar power tower system |
DE102008048096A1 (de) * | 2008-09-19 | 2010-07-15 | Ecoenergy Gesellschaft Für Energie- Und Umwelttechnik Mbh | Verfahren zur Überhitzung von Dampf |
AU2010219892A1 (en) * | 2009-03-06 | 2010-09-10 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Solar thermal receiver and solar thermal power generation facility |
JP5404374B2 (ja) * | 2009-12-24 | 2014-01-29 | 三菱重工業株式会社 | 太陽光受熱器及び太陽光集光受熱システム |
JP2012202556A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-10-22 | Toshiba Corp | 太陽熱集熱装置及び太陽熱発電システム |
-
2009
- 2009-03-20 ES ES200900764A patent/ES2345379B1/es not_active Expired - Fee Related
-
2010
- 2010-03-18 US US13/257,486 patent/US20120096859A1/en not_active Abandoned
- 2010-03-18 ES ES10753153.5T patent/ES2549605T3/es active Active
- 2010-03-18 WO PCT/ES2010/000110 patent/WO2010106205A1/es active Application Filing
- 2010-03-18 EP EP10753153.5A patent/EP2410177B1/en not_active Not-in-force
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4421102A (en) * | 1978-05-02 | 1983-12-20 | Mario Posnansky | Process and apparatus for heating a transparent, gaseous medium by means of concentrated solar radiation |
DE2945969A1 (de) * | 1979-11-14 | 1981-05-27 | Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim | Sonnenkraftwerksanlage mit einem auf einem turm angeordneten strahlungswaermetauscher und einem den turm umgebenden kuehlturm |
US4394859A (en) * | 1981-10-27 | 1983-07-26 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Central solar energy receiver |
ES2222838A1 (es) * | 2002-08-29 | 2005-02-01 | Deutsches Zentrum Fuer Luft-Und Raumfahrt E.V. | Receptor de radiacion solar para central termica solar. |
WO2008153922A1 (en) * | 2007-06-06 | 2008-12-18 | Ausra, Inc. | Integrated solar energy receiver-storage unit |
US20080302314A1 (en) * | 2007-06-07 | 2008-12-11 | Abengoa Solar New Technologies, S.A. | Solar concentration plant for the production of superheated steam |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DATABASE WPI Derwent World Patents Index; AN 1981-F1441D * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
ES2345379B1 (es) | 2011-09-16 |
US20120096859A1 (en) | 2012-04-26 |
EP2410177A4 (en) | 2014-05-28 |
ES2345379A1 (es) | 2010-09-21 |
ES2549605T3 (es) | 2015-10-29 |
WO2010106205A4 (es) | 2010-11-04 |
EP2410177A1 (en) | 2012-01-25 |
EP2410177B1 (en) | 2015-07-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
ES2547359T3 (es) | Planta de concentración solar para producción de vapor sobrecalentado | |
ES2608490T3 (es) | Centrales termoeléctricas solares | |
ES2731134T3 (es) | Central eléctrica de gas y vapor operada en forma híbrida solar | |
ES2646926T3 (es) | Colector solar para caldera de calor solar, y caldera de calor solar de tipo torre equipada con el mismo | |
US20120274069A1 (en) | Dual fluid circuit system for generating a vaporous working fluid using solar energy | |
ES2544467T3 (es) | Central térmica solar con evaporación indirecta y procedimiento para operar una tal central térmica solar | |
AU2011311739B2 (en) | Continuous flow steam generator having an integrated reheater | |
ES2502745T3 (es) | Sistema de energía solar y método de funcionamiento | |
WO2011067773A1 (en) | Thermal generation systems | |
BR112013007036B1 (pt) | Aparelho para produzir vapor superaquecido de uma planta de energia solar de concentração e processo para produzir vapor superaquecido de uma planta de energia solar de concentração | |
JPWO2013002054A1 (ja) | 太陽熱ボイラおよびそれを用いた太陽熱発電プラント | |
WO2013087949A1 (es) | Sistema híbrido de generación eléctrica a partir de energía solar y biomasa | |
ES2350991B1 (es) | Planta de concentracion solar de tecnologia de torre con tiro natural. | |
JP6033405B2 (ja) | 太陽熱集熱システム | |
ES2775004T3 (es) | Una planta de energía solar térmica y un método para operar una planta de energía solar térmica | |
ES2365286B1 (es) | Economizador en planta solar de torre y método de funcionamiento de dicha planta. | |
ES2549605T3 (es) | Planta solar combinada de tecnología de aire y vapor | |
WO2010139823A1 (es) | Receptor solar de vapor sobrecalentado | |
ES2370552B1 (es) | Procedimiento de refrigeración por tiro natural de una planta de concentración solar. | |
ES2677498T3 (es) | Método de calentamiento controlado de un fluido de proceso a través de una planta solar térmica de concentración y un sistema y equipo de caloportador | |
ES2382707B1 (es) | Configuración de receptor de torre para altas potencias. | |
ES2312275B1 (es) | Planta de concentracion solar para produccion de vapor sobrecalentado. | |
WO2010116010A1 (es) | Receptor solar con circulación natural para generación de vapor saturado | |
ES2434665B2 (es) | Central termosolar de concentración con dos fluidos en el receptor y en el almacenamiento | |
ES2360992B1 (es) | Mejoras a la patente principal n. p200701577 por: "planta de concentración solar para producción de vapor sobrecalentado". |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10753153 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2010753153 Country of ref document: EP |
|
WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 13257486 Country of ref document: US |