WO2010139821A1 - Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural y método de funcionamiento - Google Patents

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solar
steam
receivers
natural draft
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Rafael Olavarria Rodriguez-Arango
Elena Garcia Ramirez
José BARRAGAN JIMENEZ
Raúl NAVIO GILABERTE
Lucia Serrano Gallar
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • the present invention relates to tower technology solar concentration plants with natural draft system and physical separation of the evaporator and superheater as well as adaptive dynamic control of the heliostat field, for electricity production, process heat production, production of solar fuels or application to thermochemical processes.
  • Background of the invention Within the systems of high solar concentration we can distinguish the Stirling discs, the parabolic trough collectors and the technology that currently occupies us, central receiver technology.
  • the central receiver systems are constituted by a field of heliostats, being these large surface mirrors (40-125 m 2 per unit) called heliostats with solar tracking, which reflect the direct solar radiation on one or several central receivers located in the part Top of a high-rise tower. These receivers are usually housed in "excavated" cavities in the tower itself. The concentrated solar radiation heats a fluid in the receiver, whose thermal energy can then be used for electricity generation.
  • water-steam technology is currently the most common, using both heat saturated and superheated steam as a heat transfer fluid. The bet is clear towards this type of fluid for two reasons: first, it can be stated with total emptiness that steam is one of the most known fluids in this area, with less technological risk. In the second place, it is the final fluid with which the turbine works for the generation of electricity, which saves on exchange equipment and eliminates the losses associated with them.
  • thermoelectric solar power tower plants therefore, a location is needed in which the existence of two resources is linked: high solar irradiance and sufficient water supply.
  • high solar irradiance and sufficient water supply are areas where the water resource is limited, which is why in the search for more efficient solar receiver plants, and with the use of the minimum amount of water possible, it arises
  • the invention that is currently being proposed, in order to recirculate and take advantage of the greatest amount of water possible with the least electrical consumption.
  • the heliostats reflect the solar radiation towards the receivers that are located in the upper part of the tower, with that energy a fluid evaporates, said steam is sent to A turbine to produce electricity and to the exit of the turbine is to recover the water from the steam, which is still at an elevated temperature. To do this they redirect the steam that leaves the turbine towards a condenser. Through this condenser circulates network water at a lower temperature than that of the steam, so that the steam gives its heat to the network water condensing and then being able to pump to recirculate it again to the receiver. The mains water that circulates through the condenser to cool the steam leaves at a higher temperature than the one that entered.
  • the filling serves to increase the time and the exchange surface between water and air. Once the contact between water and air is established, a transfer of heat from the water to said air takes place. This occurs due to two mechanisms: the transmission of heat by convection and the transfer of steam from the water to the air, with the consequent cooling of the water due to evaporation.
  • the air flow through the natural draft tower is mostly due to the difference in density between the fresh air of the inlet and the warm air of the outlet.
  • the air expelled by the column is lighter than the environment and the draft is created by the chimney effect, thereby eliminating the need for mechanical fans.
  • the difference in speeds between the wind circulating at ground level and the wind circulating through the upper part of the chimney also helps to establish the air flow.
  • the natural draft towers must be high and, in addition, they must have a large cross section to facilitate the movement of the ascending air. These towers have low maintenance costs and are very suitable for cooling large water flows.
  • the average speed of the air through the tower is usually between 1 and 2 m / s. In this type of towers of natural draft, "fillings" of great compactness are not used, because the resistance to the air flow must be as small as possible.
  • thermoelectric solar plant with a central receiver or tower with a heliostat field, in which the tower is used as a cooling tower by natural draft.
  • the solar plant that the invention poses consists of a tower surrounded by a field of heliostats that has several solar receivers installed in its upper part. They can be saturated steam receivers (with evaporators) and / or superheated steam (with superheaters).
  • the multi-field and multi-receiver concept is created in this installation because each receiver functions as a system independent from the rest of the receivers and has an associated heliostat field that is also independent of the rest of the fields.
  • each receiver-field set of heliostats has its own aiming strategy and control.
  • the reason for making the systems independent is to safeguard the integrity of the superheaters and to be able to freely dispose of the most appropriate field configuration in terms of power distribution during the year.
  • Both types of receivers are constructed from a set of planes arranged according to a specific geometry and are constituted by the tube bundle itself that forms the receiver.
  • the evaporators also take advantage of the natural circulation that is generated due to the difference in temperatures between the feed water and the boiler.
  • All receivers are physically separated and interconnected through one or more boilers.
  • the boiler receives the evaporator output and feeds the superheater. In this the water-steam separation occurs, so it is ensured that the entry into the superheater is always dry.
  • Each receiver is housed inside a hole or cavity of a module that integrates with the natural draft tower as a cantilever.
  • These cantilever modules are arranged around the external diameter of the tower, being able to completely surround it, in that case we would speak of a 360 ° multi-receiver cavity.
  • the steam that is extracted from them is taken to a turbine for the production of electricity.
  • this type of solar plant has several high-rise receivers that remain elevated on a tower in order to obtain good yields from the solar field
  • the present invention proposes to produce a natural shot that evacuates to the atmosphere the heat transferred by the system condenser through the tower, without the need to make any extra investment, since our system already has the tower that can be used as a natural draft cooling tower.
  • Said tower at its base has a series of heat exchangers, more specifically condensers, whose mission is to condense the steam that comes from the exhaust of the turbine in conditions close to saturation and evacuate the heat of condensation to the outside.
  • the fluid that will be used to perform this heat exchange will be the air at room temperature that is at the base of the tower and cools the steam that circulates through the condenser pipe. That is to say, the steam that is extracted from the high temperature turbine is cooled thanks to the current of air flowing over the condenser.
  • This vapor once it has condensed, is pumped back into the receiver so that it can be reused as a heat transfer fluid. That air at room temperature that is at the base of the tower and that is responsible for lowering the steam temperature, rises through the tower due to the natural draft of it and goes back to the atmosphere through the upper part.
  • the tower of the invention In order to further facilitate this natural draft effect of which we are talking about the tower of the invention that concerns us, it has a hyperbolic and hollow structure design so that a rising air stream for convection steam cooling occurs. natural, encouraged by having a hot spot, such as the receivers, in the upper part of the tower.
  • the tower of our heliostat field has the necessary height to be able to concentrate the solar energy reflected by the heliostat field in a focus or focus point located high in it, thus minimizing losses due to cosine effect (angle that forms the ray incident with the normal to the heliostat and that this does not see the sun in its entirety).
  • this can be made of concrete, steel or similar material.
  • the aero-cooling by natural shot through the solar tower provides greater energy efficiency of the plant due to the reduction of electricity consumption, in addition to the elimination of the use of water in cooling.
  • this tower in a hollow way for its use as a natural draft tower forces us to devise another way to house the receivers so that they do not get in the way of the air outlet, because in the existing towers in the state of the technique the receivers are located in interior cavities, which would greatly hinder the air outlet.
  • the tower of the solar plant shown here has three cavities oriented as follows:
  • the solar plant tower has four cavities oriented as follows:
  • South Cavity a cavity with several superheated steam receivers or intended as an economizer for water preheating.
  • thermoelectric solar plant that is proposed, would have three or four focus points in different orientations depending on the number of cavities chosen.
  • the design of the receivers will be done taking into account a targeting strategy by the heliostat field, so that part of these are intended to be focused on one cavity or another depending on the situation of the heliostat in the field and the requirements of thermal power and concentration for each receiver, whether it is a saturated or superheated steam receiver.
  • the number of heliostats in the field destined for the aiming of each cavity will condition the geometry of each receiver and the number of tubular planes by which they will be constituted, if that is the type of receiver chosen.
  • saturated and superheated steam receivers in the system allows us to produce steam at different temperatures, in the saturated steam receivers temperatures of approximately 300 0 C could be obtained being able to take this steam to the superheated steam receiver or receivers, thus having steam at a higher temperature (approximately 540 ° C) and achieving greater turbine efficiencies.
  • a storage system is included in the plant either by water-steam tanks or by molten salts.
  • the water-steam storage system consists of metallic, concrete or similar materials spherical or of any other configuration, properly grounded and insulated that store saturated steam under high pressure conditions (between 100 bar and 140 bar).
  • Figure 1 General scheme of a tower with natural draft cooling
  • Figure 2 Heliostat field and three cavity tower
  • Figure 3 Heliostat field and four cavity tower
  • Figure 1 shows the configuration of a solar tower with cooling by natural draft.
  • the tower or chimney (2) of hyperbolic geometry has in its upper part a series of balconies or overhangs that house the different receivers (3) to which the solar radiation reflected by the heliostats arrives.
  • Heliostats are subject to different targeting strategies to achieve the necessary thermal power and concentration requirements in each receiver.
  • Said receivers (3) may be saturated or superheated steam. If it is a saturated steam receiver through the evaporator tubes, the water that is heated will circulate thanks to the solar radiation. At the outlet of the evaporator, saturated steam is obtained which is taken to the boiler (4). In the boiler (4) the water-steam separation is produced so that the dry steam that is obtained there passes to the superheater which, using solar radiation, will raise its temperature even more. The superheated steam (12) obtained therefrom is introduced into the turbine (not shown in the figure) to generate electricity.
  • thermoelectric solar plant that is proposed, would have three or four focus points in different orientations depending on the number of cavities chosen.
  • the design of the receivers will be done taking into account a targeting strategy by the heliostat field, so that part of these are intended to be focused on one cavity or another depending on the situation of the heliostat in the field and the requirements of thermal power and concentration for each receiver, whether it is a saturated or superheated steam receiver.
  • a storage system (25) is included in the plant either by water-steam tanks or by molten salts.

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Abstract

Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural en Ia que ésta se emplea a su vez como sistema de refrigeración. La torre alberga receptores de vapor saturado o sobrecalentado en cavidades con distintas orientaciones contando con un control dinámico adaptativo del campo de helióstatos para el enfoque de estos hacia diferentes puntos de enfoque, para Ia producción de electricidad, producción de calor de proceso, producción de combustibles solares o aplicación a procesos termoquímicos.

Description

PLANTA DE CONCENTRACIÓN SOLAR DE TECNOLOGÍA DE TORRE CON TIRO NATURAL Y MÉTODO DE FUNCIONAMIENTO
Sector técnico de Ia invención
La presente invención se refiere a plantas de concentración solar de tecnología de torre con sistema de tiro natural y separación física del evaporador y el sobrecalentador así como control dinámico adaptativo del campo de helióstatos, para producción de electricidad, producción de calor de proceso, producción de combustibles solares o aplicación a procesos termoquímicos. Antecedentes de Ia invención Dentro de los sistemas de alta concentración solar podemos distinguir los discos Stirling, los colectores cilindro-parabólicos y Ia tecnología que actualmente nos ocupa, tecnología de receptor central.
Los sistemas de receptor central están constituidos por un campo de helióstatos, siendo estos espejos de gran superficie (40-125 m2 por unidad) denominados helióstatos con seguimiento solar, que reflejan Ia radiación solar directa sobre uno o varios receptores centrales situados en Ia parte superior de una torre de gran altura. Estos receptores se encuentran habitualmente albergados en cavidades "escavadas" en Ia propia torre. La radiación solar concentrada calienta en el receptor un fluido, cuya energía térmica puede después utilizarse para Ia generación de electricidad. En los sistemas de receptor central Ia tecnología agua-vapor es actualmente Ia más habitual, empleándose como fluido caloportador tanto vapor saturado como sobrecalentado. La apuesta es clara hacia este tipo de fluido por dos motivos: en primer lugar, puede afirmarse con total rotundidad que el vapor es uno de los fluidos más conocidos en este ámbito, con menor riesgo tecnológico. En segundo lugar, es el fluido final con el que trabaja Ia turbina para Ia generación de electricidad por Io que se ahorra en equipos de intercambio y se eliminan las pérdidas asociadas a éstos.
Para este tipo de plantas de torre de energía solar termoeléctrica se necesita por Io tanto una localización en Ia que vaya unida Ia existencia de dos recursos: alta irradiancia solar y aporte de agua suficiente. Generalmente aquellas zonas que cumplen con altos índices de irradiancia son zonas en las que el recurso de agua es limitado, es por ello que en Ia búsqueda de plantas de receptor solar más eficientes, y con Ia utilización de Ia mínima cantidad de agua posible, surge Ia invención que actualmente se plantea, con el fin de recircular y aprovechar Ia mayor cantidad de agua posible con el menor autoconsumo eléctrico. Actualmente las plantas de concentración solar para Ia producción de electricidad funcionan de Ia siguiente manera: los helióstatos reflejan Ia radiación solar hacia los receptores que se encuentran en Ia parte alta de Ia torre, con esa energía se evapora un fluido, dicho vapor se envía a una turbina para producir electricidad y a Ia salida de Ia turbina se trata de recuperar el agua del vapor, que se encuentra todavía a una temperatura elevada. Para ello reconducen el vapor que sale de Ia turbina hacia un condensador. Por este condensador circula agua de red a temperatura más baja que Ia del vapor, de manera que el vapor cede su calor al agua de red condensándose y pudiéndose a continuación bombear para recircularlo de nuevo al receptor. El agua de red que circula por el condensador para enfriar el vapor sale a una temperatura más elevada de Ia que entró.
Con el fin de reutilizar de nuevo este agua en el circuito del condensador, debemos bajar Ia temperatura de ésta. Para ello se utilizan actualmente torres de refrigeración de circulación forzada mediante grandes ventiladores que permiten Ia circulación de aire y el intercambio de calor entre éste y el agua. En estas torres de enfriamiento se consigue disminuir Ia temperatura del agua caliente que proviene del circuito de condensación mediante Ia transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de Ia torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado "relleno". El agua entra en Ia torre por Ia parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.
El relleno sirve para aumentar el tiempo y Ia superficie de intercambio entre el agua y el aire. Una vez establecido el contacto entre el agua y el aire, tiene lugar una cesión de calor del agua hacia dicho aire. Ésta se produce debido a dos mecanismos: Ia transmisión de calor por convección y Ia transferencia de vapor desde el agua al aire, con el consiguiente enfriamiento del agua debido a Ia evaporación.
En Ia transmisión de calor por convección, se produce un flujo de calor en dirección al aire que rodea el agua a causa de Ia diferencia de temperaturas entre ambos fluidos. La tasa de enfriamiento por evaporación es de gran magnitud en las torres de enfriamiento; alrededor del 90 % es debida al fenómeno difusivo. Al entrar en contacto el aire con el agua se forma una fina película de aire húmedo saturado sobre Ia lámina de agua que desciende por el relleno. Esto es debido a que Ia presión parcial de vapor de agua en Ia película de aire es superior a Ia del aire húmedo que circula por Ia torre, produciéndose una cesión de vapor de agua (evaporación). Esta masa de agua evaporada extrae el calor latente de vaporización del propio líquido. Este calor latente es cedido al aire, obteniéndose un enfriamiento del agua y un aumento de Ia temperatura del aire.
Estos sistemas anteriormente planteados presentan varios inconvenientes como son los autoconsumos eléctricos que generan Ia utilización de ventiladores en las torres de refrigeración y el alto consumo de agua que se requiere.
Estos autoconsumos están formados por el conjunto de equipos de Ia instalación que necesitan de un consumo eléctrico para su funcionamiento, por Io que este consumo debe ser restado del producido de forma bruta por Ia instalación. Si se avanza en pro de equipos con autoconsumos cada vez menores, se estará igualmente trabajando en el aumento de Ia rentabilidad de Ia instalación.
Con el fin de reducir el autoconsumo eléctrico en las plantas térmicas convencionales se utiliza Io que se denomina torres de tiro natural o de tiro hiperbólico.
El flujo de aire a través de Ia torre de tiro natural se debe en su mayor parte a Ia diferencia de densidad entre el aire fresco de Ia entrada y el aire tibio de Ia salida. El aire expulsado por Ia columna es más ligero que el ambiente y el tiro se crea por el efecto chimenea, eliminando con ello Ia necesidad de ventiladores mecánicos.
La diferencia de velocidades entre el viento circulante a nivel del suelo y el viento que circula por Ia parte superior de Ia chimenea también ayuda a establecer el flujo de aire. Por ambos motivos, las torres de tiro natural han de ser altas y, además, deben tener una sección transversal grande para facilitar el movimiento del aire ascendente. Estas torres tienen bajos costos de mantenimiento y son muy indicadas para enfriar grandes caudales de agua. La velocidad media del aire a través de Ia torre suele estar comprendida entre 1 y 2 m/s. En este tipo de torres de tiro natural no se utilizan "rellenos" de gran compacidad, debido a que Ia resistencia al flujo de aire debe ser Io más pequeña posible. Como ya hemos comentado, estas torres son muy utilizadas en centrales térmicas; en las que a pesar de que Ia construcción de Ia torre supone una fuerte inversión Ia creación de este se compensa con el menor gasto eléctrico. Descripción de Ia invención La invención que actualmente se plantea es Ia de una planta solar termoeléctrica de alta concentración, de receptor central o torre con campo de heliostatos, en Ia que Ia torre se emplea como torre de refrigeración mediante tiro natural.
Con esta planta se logrará reducir tanto el autoconsumo eléctrico como el consumo de agua, de manera que se podrá instalar en lugares áridos, como pueden ser los desiertos, que son zonas tremendamente favorables para Ia energía solar, pero en las que hasta ahora ha sido imposible su instalación porque el recurso del agua es muy limitado. La planta solar que Ia invención plantea consiste en una torre rodeada de un campo de helióstatos que tiene instalados en su parte alta varios receptores solares. Pueden ser receptores de vapor saturado (con evaporadores) y/o de vapor sobrecalentado (con sobrecalentadores). El concepto de multi-campo y multi-receptor se crea en esta instalación porque cada receptor funciona como un sistema independiente al resto de receptores y tiene un campo de helióstatos asociado que es, así mismo, independiente del resto de campos.
De este modo cada conjunto receptor-campo de helióstatos tiene una estrategia de apunte y un control propios. El motivo de independizar los sistemas es el de salvaguardar Ia integridad de los sobrecalentadores y el de poder disponer libremente de Ia configuración de campo más apropiada en cuanto a reparto de potencias durante el año.
Así, es conveniente que los sobrecalentadores tengan una posición que permita una variación de flujos mínima durante el año, debido a que son equipos mucho más delicados que los evaporadores. Ambos tipos de receptores se construyen a partir de un conjunto de planos dispuestos según una geometría concreta y están constituidos por el propio haz de tubos que forma el receptor.
Los evaporadores además aprovechan Ia circulación natural que se genera debido a Ia diferencia de temperaturas entre el agua de alimentación y el calderín.
Todos los receptores están separados físicamente y se interconectan a través de uno o varios calderines. En general, el calderín recibe Ia salida del evaporador y alimenta al sobrecalentador. En este se produce Ia separación agua-vapor, por Io que se asegura que Ia entrada en el sobrecalentador sea siempre seca.
Cada receptor se encuentra albergado en el interior de un hueco o cavidad de un módulo que se integra con Ia torre de tiro natural a modo de voladizo. Estos módulos en voladizo se disponen alrededor del diámetro externo de Ia torre, pudiendo llegar a rodearlo por completo, en ese caso se hablaría de un multi-receptor de cavidad de 360°.
El vapor que de ellos se extrae es conducido a una turbina para Ia producción de electricidad.
Tras Ia turbina, el vapor que sigue a temperatura elevada hay que condensarlo y bombearlo para poder reutilizarlo en los receptores de nuevo como fluido caloportador. Para refrigerar ese vapor se ha ideado un sistema con el que se salvan los dos inconvenientes que se describían anteriormente: el alto consumo eléctrico (causado por Ia utilización de ventiladores en torres de refrigeración forzada) y Ia gran cantidad de agua requerida.
Como se ha comentado anteriormente, este tipo de planta solar tiene varios receptores a gran altura que se mantienen elevados sobre una torre para así obtener buenos rendimientos del campo solar. De este modo, Ia presente invención plantea producir un tiro natural que evacué a Ia atmósfera el calor cedido por el condensador del sistema a través de Ia torre, sin necesidad de hacer ninguna inversión extra, ya que nuestro sistema ya cuenta con Ia torre que podrá ser aprovechada como torre de refrigeración de tiro natural. Dicha torre en su base cuenta con una serie de intercambiadores de calor, más concretamente condensadores, cuya misión es Ia de condensar el vapor que proviene del escape de Ia turbina en condiciones próximas a Ia saturación y evacuar el calor de condensación al exterior. El fluido que se utilizará para realizar ese intercambio de calor será el aire a temperatura ambiente que se encuentra en Ia base de Ia torre y enfría el vapor que circula por Ia tubería del condensador. Es decir, el vapor que se extrae de Ia turbina a alta temperatura se refrigera gracias a Ia corriente de aire que fluye sobre el condensador.
Este vapor, una vez que se ha condensado se bombea de nuevo hacia el receptor para poder ser reutilizado como fluido caloportador. Ese aire a temperatura ambiente que se encuentra en Ia base de Ia torre y que se encarga de bajar Ia temperatura del vapor, se eleva por Ia torre debido al tiro natural de Ia misma y sale de nuevo a Ia atmósfera por Ia parte alta.
Con el fin de facilitar además este efecto de tiro natural del que hablamos Ia torre de Ia invención que nos ocupa cuenta con un diseño de estructura hiperbólica y hueca de manera que se produzca por ella una corriente de aire de ascenso para enfriamiento del vapor por convección natural, incentivada por tener un foco caliente, como son los receptores, en Ia parte alta de Ia torre.
Empleando Ia torre solar como torre de refrigeración, se Ie da a esta doble función: Ia de albergar los receptores a Ia altura necesaria para Ia concentración de radiación y Ia de utilizarla como torre de refrigeración.
De esta manera se consigue reducir el consumo de agua pues se elimina Ia necesaria para el circuito de refrigeración, que refrigera con aire y no con agua, y se evita así Ia construcción de torres adicionales de refrigeración disminuyendo el coste global de Ia planta. La torre de nuestro campo de heliostatos tiene Ia altura necesaria para poder concentrar Ia energía solar reflejada por el campo de heliostatos en un foco o punto de enfoque situado en Io alto de Ia misma, minimizando así las perdidas por efecto coseno (ángulo que forma el rayo incidente con Ia normal al helióstato y que hace que éste no vea al sol en su totalidad). Con respecto a los materiales de construcción de Ia torre de tiro natural, cabe destacar que esta puede ser de hormigón, de acero o de material similar. Estamos hablando de alturas de torre superiores a 10O m, siendo esta altura suficiente para facilitar el empleo de Ia torre para este efecto de tiro natural.
De no existir este tiro natural, debería hacerse uso bien de las convencionales torres de refrigeración por agua, bien de las torres de refrigeración por aire impulsado por grandes ventiladores. La primera de estas alternativas conllevaría además de un autoconsumo no despreciable, un consumo de agua que supondría aproximadamente un 40% del total de Ia instalación solar (incluida el agua de limpieza del campo solar). La segunda de las opciones llevaría asociado un autoconsumo excesivo.
Así, Ia aero-refrigeración mediante tiro natural mediante Ia torre solar aporta una mayor eficiencia energética de Ia planta debida a Ia reducción del consumo eléctrico, además de Ia eliminación del uso de agua en Ia refrigeración.
El hecho de diseñar esta torre de manera hueca para su aprovechamiento como torre de tiro natural nos obliga a idear otra manera de albergar los receptores para que estos no se interpongan en el camino de Ia salida del aire, pues en las torres existentes en el estado de Ia técnica los receptores se ubican en cavidades interiores, Io que dificultaría en gran medida Ia salida del aire.
Para ello se idea Ia utilización de balcones o voladizos que incluyan las distintas cavidades o receptores, de manera que no se interpongan los equipos al efecto de tiro natural para refrigeración que se logra con Ia torre. Estos receptores podrán ser receptores de vapor saturado y de vapor sobrecalentado situados de manera independiente en los distintos balcones o voladizos.
Además, con el fin de ir a una planta de potencias altas interesantes a nivel comercial, (aproximadamente 50 MWe), el campo de helióstatos necesario para este tipo de plantas de gran potencia tiende a configuraciones de campo con un gran número de helióstatos.
Si Ia orientación de este campo es Norte Ia torre de Ia planta solar que aquí se expone cuenta con tres cavidades orientadas de Ia siguiente manera:
• Orientación Sureste: cavidad con uno o varios receptores de vapor saturado.
• Orientación Suroeste: cavidad con uno o varios receptores de vapor saturado. • Orientación Norte: cavidad con uno varios receptores de vapor sobrecalentado.
Si Ia elección es un campo de configuración circular, Ia torre de Ia planta solar cuenta con cuatro cavidades orientadas de Ia siguiente manera:
• Cavidad Este: cavidad con uno o varios receptores de vapor saturado. • Cavidad Oeste: cavidad con uno o varios receptores de vapor saturado. • Cavidad Norte: cavidad con uno varios receptores de vapor sobrecalentado.
• Cavidad Sur: cavidad con uno varios receptores de vapor sobrecalentado o bien destinada como economizador para el precalentamiento de agua.
De esta manera, Ia planta solar termoeléctrica que se propone, tendría tres o cuatro puntos de enfoque en diferentes orientaciones dependiendo del número de cavidades elegidas.
Además, en cualquiera de las dos configuraciones de campo de heliostatos descritas (Norte o circular), el diseño de los receptores se hará teniendo en cuenta una estrategia de apunte por parte del campo de heliostatos, de manera que parte de estos se destinen a ser enfocados a una cavidad u a otra dependiendo de Ia situación del helióstato en el campo y de los requerimientos de potencia térmica y concentración para cada receptor, bien se trate de receptor de vapor saturado o sobrecalentado. El número de heliostatos del campo destinado al apunte de cada cavidad condicionará Ia geometría de cada receptor y el número de planos tubulares por los que estos estarán constituidos, si es ese el tipo de receptor elegido. La combinación de receptores de vapor saturado y sobrecalentado en el sistema nos permite producir vapor a diferentes temperaturas, en los receptores de vapor saturado se obtendría temperaturas de aproximadamente 300 0C pudiéndose llevar este vapor al receptor o receptores de vapor sobrecalentado, contando así con vapor a mayor temperatura (aproximadamente 540 ° C) y consiguiéndose mayores eficiencias de turbina. Además, con el fin de gestionar el vapor producido y contar con aporte de éste cuando no tenemos horas de sol, se incluye en Ia planta un sistema de almacenamiento o bien mediante tanques de agua-vapor o bien mediante sales fundidas.
El sistema de almacenamiento mediante agua-vapor está constituido por tanques metálicos, de hormigón o materiales similares de forma esférica o de cualquier otra configuración, debidamente cimentados y aislados que almacenan vapor saturado en condiciones de alta presión (entre 100 bar y 140 bar).
Con el sistema de almacenamiento se consiguen varios objetivos: prolonga Ia producción durante los períodos nocturnos, permite un funcionamiento continuo de Ia turbina durante los períodos de nubes y posibilita una producción interrumpida durante Ia noche durante un gran número de días, de modo que se reducen las tensiones térmicas asociadas a los ciclos de arranque y parada.
Breve descripción de los dibujos
Para completar 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: Figura 1 : Esquema general de una torre con refrigeración por tiro natural Figura 2: Campo de helióstatos y torre de tres cavidades Figura 3: Campo de helióstatos y torre de cuatro cavidades
Donde las referencias representan: 1. Condensador
2. Chimenea Solar
3. Receptor Solar
4. Calderín
5. Bomba de alimentación a Ia turbina 6. Entrada de aire
7. Flujo de aire en circulación natural
8. Salida de Aire
9. Vapor de salida de turbina
10. Agua de alimentación a precalentadores 11. Agua de alimentación a calderín
12. Vapor de entrada a turbina
13. Cavidad Norte
14. Cavidad Sureste
15. Cavidad Suroeste 16. Helióstatos con foco Norte
17. Helióstatos con foco Sureste
18. Helióstatos con foco Suroeste
19. Cavidad Este
20. Cavidad Oeste 21. Cavidad Sur
22. Helióstatos con foco Este
23. Helióstatos con foco Oeste
24. Helióstatos con foco Sur
25. Sistema de almacenamiento de energía térmica Realización preferente de Ia invención
Para lograr una mayor comprensión de Ia invención a continuación se va a describir el funcionamiento de Ia torre así como las distintas ubicaciones de los helióstatos.
En Ia figura 1 se observa Ia configuración de una torre solar con refrigeración por tiro natural. La torre o chimenea (2) de geometría hiperbólica cuenta en su parte alta con una serie de balcones o voladizos que albergan los distintos receptores (3) a los que les llega Ia radiación solar reflejada por los helióstatos. Los helióstatos están sometidos a diferentes estrategias de apunte para lograr los requerimientos de potencia térmica y concentración necesarios en cada receptor.
Dichos receptores (3) podrán ser de vapor saturado o sobrecalentado. Si se trata de receptor de vapor saturado por los tubos del evaporador circulará el agua que se calienta gracias a Ia radiación solar. A Ia salida del evaporador se obtiene vapor saturado que se lleva al calderín (4). En el calderín (4) se produce Ia separación agua-vapor de manera que el vapor seco que de allí se obtiene pasa al sobrecalentador que, valiéndose de Ia radiación solar, elevará aún más su temperatura. El vapor sobrecalentado (12) que de allí se obtiene se introduce en Ia turbina (no representada en Ia figura) para generar electricidad.
Una vez que el vapor ha pasado por Ia turbina se recupera (θ) para volver a introducirlo en el circuito y que pueda ser usado como fluido caloportador de nuevo. Para ello es necesario condensarlo y así poder bombear el agua de nuevo al receptor (3).
Así pues, se hace circular al vapor (9) por las tuberías del condensador (1) refrigerándose gracias a Ia corriente de aire (6) que fluye sobre dichas tuberías. Al subir Ia temperatura del aire (6) este se eleva (7) por acción del tiro natural de Ia chimenea (2) y sale por Ia parte alta de Ia misma (8). El vapor condensado y convertido ya en agua (10) a Ia salida del condensador (1) es bombeado (5) hasta los receptores (3) que se encuentran en Ia parte alta de Ia torre, para comenzar de nuevo el ciclo.
En relación al campo de helióstatos, para este tipo de plantas de gran potencia, se requieren configuraciones de campo con un gran número de helióstatos y distintas orientaciones, tal y como se representa en las figuras 2 y 3. Si Ia orientación de este campo es Norte Ia torre de Ia planta solar que aquí se expone cuenta con tres cavidades orientadas de Ia siguiente manera y que se muestran en Ia figura 2:
• Cavidad Sureste (14) con uno o varios receptores de vapor saturado.
• Cavidad Suroeste (15) con uno o varios receptores de vapor saturado.
• Cavidad Norte (13) con uno varios receptores de vapor sobrecalentado. Si Ia elección es un campo de configuración circular, Ia torre de Ia planta solar cuenta con cuatro cavidades orientadas de Ia siguiente manera y que se muestran en Ia figura 3:
• Cavidad Este (19) con uno o varios receptores de vapor saturado.
• Cavidad Oeste (20) con uno o varios receptores de vapor saturado.
• Cavidad Norte (13) con uno varios receptores de vapor sobrecalentado. • Cavidad Sur (21 ) con uno varios receptores de vapor sobrecalentado o bien destinada como economizador para el precalentamiento de agua.
De esta manera, Ia planta solar termoeléctrica que se propone, tendría tres o cuatro puntos de enfoque en diferentes orientaciones dependiendo del número de cavidades elegidas. Además, en cualquiera de las dos configuraciones de campo de heliostatos descritas (Norte o circular), el diseño de los receptores se hará teniendo en cuenta una estrategia de apunte por parte del campo de heliostatos, de manera que parte de estos se destinen a ser enfocados a una cavidad u a otra dependiendo de Ia situación del helióstato en el campo y de los requerimientos de potencia térmica y concentración para cada receptor, bien se trate de receptor de vapor saturado o sobrecalentado.
Así pues, existirán campos de heliostatos con orientación Norte (16), orientación Sureste (17), orientación Suroeste (18), orientación Sur (24), orientación Este (22) y orientación Oeste (23). Además con el fin de gestionar el vapor producido y contar con aporte de éste cuando no tenemos horas de sol, se incluye en Ia planta un sistema de almacenamiento (25) o bien mediante tanques de agua-vapor o bien mediante sales fundidas.

Claims

Reivindicaciones
1. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural formada por un campo de helióstatos que reflejan Ia radiación solar hacia varios receptores situados en Ia parte alta de Ia torre y en los que se calienta un fluido caloportador, caracterizada porque comprende una torre (2) hueca de estructura hiperboloide y de altura suficiente para minimizar el efecto coseno y que cuenta en su tramo final superior con varios balcones o voladizos exteriores en los que se ubican los distintos receptores solares (3) y en su base al menos un intercambiador de calor o condensador (1) por el que circula el vapor (9) que se pretende refrigerar, estando dicho condensador rodeado por aire a temperatura ambiente (6).
2. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 1 caracterizada porque se combina Ia utilización de receptores de vapor saturado y vapor sobrecalentado situados de manera independiente en los distintos balcones o voladizos e incluyendo un calderín (4) a modo de conexión entre ellos.
3. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 1 caracterizada porque los balcones o voladizos que albergan los receptores presentan distintas orientaciones.
4. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 3 caracterizada porque Ia configuración del campo de helióstatos es de orientación Norte y Ia torre solar cuenta con tres cavidades de distintas orientaciones.
5. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 3 caracterizada porque Ia configuración del campo de helióstatos es de orientación circular y Ia torre solar cuenta con cuatro o más cavidades con distintas orientaciones.
6. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 3 caracterizada porque se lleva a cabo un control de estrategias de apunte del campo de helióstatos independiente para las distintas cavidades contando por tanto con varios puntos de enfoque.
7. Planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural según reivindicación 1 caracterizada porque cuenta con un sistema de almacenamiento (25) en agua-vapor en tanques esféricos o de cualquier tipo de configuración o mediante sales fundidas en tanques esféricos.
8. Método de funcionamiento de Ia planta de concentración solar de tecnología de torre con tiro natural como Ia descrita en reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se hace circular al vapor que ha pasado por Ia turbina (9) por las tuberías del condensador (1) refrigerándose gracias a Ia corriente de aire (6) que fluye sobre dichas tuberías y dicho aire (6), al subir su temperatura, se eleva (7) por acción del tiro natural de Ia chimenea (2) y sale por Ia parte alta de Ia misma (8) y el vapor condensado y convertido ya en agua (10) a Ia salida del condensador (1) es bombeado (5) hasta los receptores (3) que se encuentran en Ia parte alta de Ia torre, para comenzar de nuevo el ciclo.
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