WO2010139823A1 - Receptor solar de vapor sobrecalentado - Google Patents

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Abstract

Receptor solar de torre de vapor sobrecalentado con configuración definida que favorece la transferencia de calor entre la superficie del componente y el fluido de trabajo. Compuesto por al menos cuatro subpaneles que definen un circuito de circulación para el vapor mediante pasos internos. El componente es alimentado con vapor saturado para cuya producción se puede usar otra tecnología de concentración solar. La configuración propuesta minimiza los riesgos tecnológicos de la tecnología de receptores de vapor sobrecalentado en los que se presentan inconvenientes en Ia estructura del material por los ciclos térmicos a los que está sometido el componente solar.

Description

RECEPTOR SOLAR DE VAPOR SOBRECALENTADO
Sector técnico de Ia invención
Esta invención pertenece al campo de tecnologías solares de concentración para Ia producción de vapor sobrecalentado, más específicamente a Ia tecnología de re- ceptor central de torre con campo de helióstatos para aplicación en generación de electricidad.
Antecedentes de Ia invención
Dentro de las tecnologías solares de concentración, se encuentran los sistemas de receptor central de torre en los que Ia radiación solar directa es reflejada por un campo de helióstatos hacia un receptor. El receptor es el componente donde se concentra toda Ia radiación solar y a través del cual se transfiere Ia energía a un fluido de trabajo que puede alcanzar una temperatura de hasta 10000C; esta energía es usada posteriormente para Ia generación de electricidad. En Ia actualidad se cuenta con diferentes tipos de receptores en los que puede va- riar el fluido de trabajo, Ia forma en Ia que se transfiere Ia energía a éste último y Ia configuración del receptor. Así, hay receptores de tubos, volumétricos, de intercambio directo o indirecto de energía, de vapor saturado y de vapor sobrecalentado, entre otros. Los receptores de concentración solar de torre pueden ser exteriores o disponerse en una cavidad ubicada en Ia parte superior de Ia torre con el fin de disminuir las pérdidas térmicas. La configuración debe permitir que Ia potencia incidente supere en magnitud las pérdidas que se presentan por radiación y convección. En los receptores de vapor sobrecalentado, Ia temperatura alcanzada en Ia superficie es mayor que en los receptores agua/vapor, razón por Ia cual las pérdidas por radia- ción también son mayores, sin embargo, tienen Ia ventaja de aumentar Ia eficiencia del ciclo termodinámico, con Io que esas pérdidas quedan compensadas. De esta forma, Ia ventaja principal de los receptores de vapor sobrecalentado radica en que al trabajar con un fluido de mayor nivel energético, incrementan el rendimiento de Ia turbina y Ia eficiencia del ciclo termodinámico, por Io que los costes de producción de electricidad disminuyen. Se estima que Ia eficiencia del ciclo puede aumentar un 10%, y que el nivel de producción de energía eléctrica se podría elevar un 20%.
La idea del uso de receptores de vapor sobrecalentado en sistemas de concentración solar de torre fue implementada en los proyectos de Cesa-1 y Solar One en los años 80. El proyecto Cesa-1 , ubicado en Ia Plataforma Solar de Almería, contaba con un receptor de cavidad conformado por un evaporador y dos haces sobrecalen- tadores superpuestos al evaporador. El receptor de Solar One era de configuración cilindrica abierta, más fácil de construir que el de Cesa-1 pero con mayores pérdi- das térmicas.
En ambos proyectos se presentaron inconvenientes técnicos al operar las plantas, relacionados principalmente con Ia resistencia de los materiales y con el control del sistema ante estados transitorios. En Solar One, aparecieron grietas en Ia parte superior de los subpaneles del receptor, causadas por Ia diferencia de temperatura entre un panel y otro, Io que ocasionó fugas del fluido de trabajo; Ia solución planteada, fue Ia disminución del gradiente de temperatura entre paneles con algunas modificaciones estructurales. En Cesa-1 , los problemas experimentados fueron causados por Ia inercia térmica del sistema que causaban inundaciones en los colectores del sobrecalentador. Según Io expuesto anteriormente, los receptores de vapor sobrecalentado pueden presentar daños en su estructura debido a las altas temperaturas de operación, a Ia distribución del flujo incidente (no uniforme) y a las tensiones térmicas a las que está sometido el material. Los ciclos térmicos, son generados por Ia exposición de Ia superficie al ambiente, a Ia radiación reflejada por los helióstatos (con Ia que se alcanzan temperaturas cercanas a 6000C) y al gradiente de temperatura del fluido de trabajo entre Ia entrada y Ia salida del componente (se alimenta vapor entre 250- 31O0C y sale a 54O0C).
Los mencionados inconvenientes de los receptores de vapor sobrecalentado, pueden reducirse eliminando Ia coexistencia de fases líquido-vapor en el interior de los tubos y mediante una configuración adecuada de los elementos que conforman el componente solar. Es aquí donde radica Ia importancia del diseño y configuración del receptor, a través de Ia que se pueda operar correctamente, con Ia que se facilite el control del sistema y se garantice Ia integridad de Ia estructura y su durabilidad. Descripción de Ia invención
Esta invención propone el diseño de un receptor central de torre de vapor sobrecalentado, con una configuración definida que facilita el funcionamiento de los componentes y el control de su operación en plantas solares. La principal ventaja del diseño objeto de esta invención, es que su implementación permite aumentar Ia vida útil del receptor, puesto que el fluido de trabajo se hace circular por un circuito definido a través de los subpaneles que conforman el receptor, por Io que se logra disminuir Ia diferencia de temperaturas entre paneles adya- centes y las tensiones térmicas experimentadas por el material causantes de daños en Ia estructura, como fracturas y agrietamientos.
Este receptor, de tipo cavidad, es alimentado por una corriente de vapor saturado, que se sobrecalienta a medida que avanza en su recorrido, por acción de Ia radiación solar reflejada por los helióstatos y concentrada en el receptor. El vapor satu- rado de alimentación puede provenir de cualquier otra fuente, incluso de aquellas que utilizan tecnologías de concentración solar para su producción, por Io que el diseño del receptor propuesto puede usarse en combinación con otro tipo de plantas solares. Así mismo, este receptor permite plantear Ia posibilidad de implementar un sistema de almacenamiento de energía en forma de agua-vapor o almacena- miento en sales.
La configuración propuesta de receptor, está formada por una serie de subpaneles en los que se concentra Ia radiación solar. Los subpaneles se encuentran adyacentes unos de otros con una disposición geométrica semicilíndrica, de manera que gracias a esta configuración se consigue recoger toda Ia energía solar proveniente del campo de helióstatos.
Cada subpanel está compuesto por un haz de tubos verticales por cuyo interior circula el fluido de trabajo que es alimentado por Ia parte superior de los subpaneles centrales. Así mismo, cada subpanel está compuesto por al menos dos pasos, entendiendo como pasos aquella zona del subpanel constituida por un conjunto de tubos en los que Ia circulación del vapor se produce en el mismo sentido (de arriba abajo o al revés), siendo Ia corriente saliente del último paso de cada subpanel Ia que alimenta el subpanel adyacente. Las ventajas que proporciona el uso de pasos en cada subpanel son que favorece Ia transferencia de calor entre Ia superficie del receptor y el fluido y además, permite aumentar el caudal del fluido que circula por el receptor.
Esta configuración hace que los gradientes en Ia superficie del receptor sean mínimos, gracias a que se consigue Ia refrigeración de las zonas de máximo flujo de potencia irradiante incidente, iniciando el paso del vapor a menor temperatura por las zonas centrales del receptor. Por tanto el recorrido del vapor se ha definido en relación a Ia distribución del flujo radiante incidente.
El receptor descrito, hace posible el aumento de Ia eficiencia del ciclo termodinámi- co, superior a Ia obtenida con receptores de vapor saturado gracias a que, al usar vapor sobrecalentado como fluido de trabajo, se aumenta el rendimiento de Ia turbina. La configuración propuesta minimiza los riesgos tecnológicos que se presentan en otros receptores de igual aplicación, en los que los ciclos térmicos que debe soportar el material son más fuertes y por tanto tienen un mayor impacto en el material. Este dispositivo permite entonces solventar los inconvenientes que presenta Ia tecnología de receptores de vapor sobrecalentado y proporciona ventajas por su utilización, tales como Ia disminución del riesgo de daños en Ia estructura y el material del receptor, aumento de Ia eficiencia del ciclo termodinámico, facilidad de control del sistema y reducción de costes de mantenimiento y de generación de electrici- dad.
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. Geometría de un receptor de vapor sobrecalentado de 6 subpaneles Figura 2. Geometría de un receptor de vapor sobrecalentado de 4 subpaneles Figura 3. Configuración posible de subpaneles del receptor central de torre propuesto, para Ia producción de vapor sobrecalentado. Recorrido del vapor. A continuación se proporciona un listado con las referencias utilizadas en las figuras:
(1) Subpanel 1 oriental
(2) Subpanel 2 oriental
(3) Subpanel 3 oriental (4) Subpanel 1 occidental
(5) Subpanel 2 occidental
(6) Subpanel 3 occidental
(7) Punto de enfoque de los helióstatos
(8) Paso 1 del subpanel (9) Paso 2 del subpanel (10) Corriente de alimentación de vapor saturado al receptor, que se realiza por los subpaneles centrales
(11) Corriente de vapor entrante del paso 1 al paso 2
(12) Corriente de vapor que alimenta el paso 1 del subpanel contiguo (13) Corriente de vapor sobrecalentado que sale del receptor
Realización preferente de Ia invención
Para lograr una mayor comprensión de Ia invención a continuación se va a describir el sistema y funcionamiento del receptor de central de torre solar de vapor sobrecalentado. Como se observa en las figuras 1 y 2, el receptor de vapor sobrecalentado está formado por una serie de subpaneles, seis en el caso de Ia figura 1 (1 , 2, 3, 4, 5, 6) y cuatro en el caso de Ia figura 2 (1 , 2, 4, 5) en los que se concentra Ia radiación solar. Los subpaneles (1, 2, 3, 4, 5, 6) se encuentran adyacentes unos de otros con una disposición geométrica semicilíndrica, de manera que gracias a ésta configura- ción se consigue recoger toda Ia energía solar proveniente del campo de helióstatos que reflejan Ia radiación solar y Ia orientan hacia el punto de enfoque (7). La configuración de un receptor de cuatro subpaneles como el mostrado en Ia figura 2 se puede observar en Ia figura 3, donde también se muestra el circuito del fluido de trabajo a través de cuatro subpaneles (1, 2, 4, 5) del receptor de vapor sobreca- lentado.
Cada subpanel (1 , 2, 4, 5) está compuesto por un haz de tubos verticales agrupados en al menos dos pasos o zonas, el paso 1 (8) y el paso 2 (9). El fluido de trabajo se hace circular por un circuito definido a través de los subpaneles (1 , 2, 4, 5) que conforman el receptor. El vapor saturado de alimentación puede provenir de cualquier otra fuente y se introduce en el receptor por una vía de alimentación (10) situada en Ia parte superior de los subpaneles centrales (1 , 4). Este vapor saturado es sobrecalentado a medida que avanza en su recorrido por acción de Ia radiación solar reflejada por los helióstatos y concentrada en el receptor. El vapor recorre el paso 1 (8) del primer subpanel y se hace circular (11) hacia el paso 2 (9). Una vez que sale del primer subpanel se introduce (12) en el subpanel adyacente y recorre de Ia misma forma los pasos 1 (8) y 2 (9) de este segundo subpanel. Una vez que ha terminado de recorrer todos los subpaneles que conforman el receptor, sale como vapor sobrecalentado (13). Este receptor permite plantear Ia posibilidad de implementar un sistema de almace- namiento de energía en forma de agua-vapor o almacenamiento en sales.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre caracterizado por ser alimentado con vapor saturado y estar constituido por una serie de subpaneles co- nectados en serie a través de los que circula el vapor, comprendiendo cada uno de ellos al menos dos pasos o zonas del subpanel constituidas por un conjunto de tubos verticales en los que Ia circulación del vapor se produce en el mismo sentido; los subpaneles se encuentran adyacentes unos de otros con una disposición geométrica semicilíndrica orientada hacia el lugar de apunte de los helióstatos y Ia alimentación de corriente de vapor sobrecalentado se realiza por
Ia parte alta de los subpaneles centrales que conforman el receptor y va circulando a través de los dos pasos del primer subpanel y siguientes, hasta que sale como vapor sobrecalentado.
2. Receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre según reivindicación 1 ca- racterizado porque funciona en combinación con otro tipo de tecnología de concentración solar para Ia producción del vapor saturado que alimenta el receptor.
3. Receptor solar de vapor sobrecalentado de tipo torre según reivindicación 1 caracterizado porque cuenta con un sistema de almacenamiento de energía en forma de agua-vapor o almacenamiento en sales.
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