WO2013079744A1 - Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre - Google Patents

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José Maria MÉNDEZ MARCOS
Maite DIAGO LÓPEZ
Lucía SERRANO GALLAR
Raúl NAVÍO GILABERTE
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Abengoa Solar New Technologies, S.A.
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    • F24S20/20—Solar heat collectors for receiving concentrated solar energy, e.g. receivers for solar power plants
    • 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
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    • F01K5/02—Plants characterised by use of means for storing steam in an alkali to increase steam pressure, e.g. of Honigmann or Koenemann type used in regenerative installation
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers

Definitions

  • This invention belongs to the field of solar concentration technologies for the production of superheated steam, more specifically to central tower receiver technology with heliostat field for application in electricity generation.
  • thermoelectric solar power plants of optical concentration systems, which allow to achieve higher flow densities and thereby higher temperatures.
  • CST thermoelectric solar power plants
  • central receiver parabolic trough collectors
  • Stirling discs All of them make use only of the direct component of solar radiation, which forces them to have solar tracking devices.
  • the claimed invention pertains to the tower or central receiver (3D) systems.
  • heliostats These use large surface mirrors (40-125 m2 per unit) called heliostats, which are equipped with a control system to reflect direct solar radiation on a central receiver located at the top of a tower.
  • the concentrated solar radiation heats a fluid in the receiver at temperatures up to 1000 ° C, whose thermal energy can then be used for electricity generation.
  • medium temperature receivers and high temperature receivers. If the heat transfer fluid is water, medium temperature receivers are also called saturated steam receivers or evaporators and high temperature receivers are called superheated steam receivers. Between them a boiler is installed.
  • the solar tower concentration receivers can be exterior or arranged in a cavity located at the top of the tower in order to reduce losses thermal.
  • the configuration must allow the incident power to exceed in magnitude the losses that occur due to radiation and convection.
  • the temperature reached on the surface is higher than in saturated steam receivers, which is why radiation losses are also greater, however, they have the advantage of increasing the efficiency of the thermodynamic cycle, with what those losses are compensated.
  • the present invention aims to design a receiver configuration that brings together the advantages of using high temperature steam, solving existing risks, achieving greater control of the plant and thus favoring the stability and durability of This and its components. Description of the invention
  • the present invention relates to a configuration of the receivers in solar tower concentration plants with physical separation of the medium temperature and high temperature receivers.
  • the heat transfer fluid is water
  • a boiler or phase separator is installed that ensures that only high steam enters the high temperature receiver.
  • This system unlike the prior art, does not place the modules of the medium and high temperature receivers away from each other, but the configuration proposed in the invention comprises one or several medium temperature receivers and one or several receivers High temperature independent, located in such a way, that high temperature receivers are physically located above and slightly ahead of medium temperature receivers.
  • the proposed receiver and panel configuration is valid whether or not they are inside a cavity.
  • the thermal losses in the receiver that follows this configuration that is to say with the high temperature receiver above the medium temperature receiver, decrease with respect to other configurations with receiver in cavity in which the receptors are separated into different cavities.
  • the opening thereof (where the incident radiation enters) has its center located below the lower limit of the high temperature receiver so that the Most of the surface of the receiver faces the inner wall of the cavity.
  • This wall is generally covered with reflective insulating material.
  • the high temperature receiver having most of its surface facing the inside of the cavity and very little opening is that it allows a high percentage of the energy emitted by the high temperature receiver in the form of losses due to radiation reaches the insulating material inside the cavity and is reflected and subsequently reabsorbed by the high temperature receiver itself or by the medium temperature receiver, reducing losses and increasing plant efficiency.
  • Another feature of this configuration is the fact of placing the high temperature receiver ahead of the medium temperature receiver. Due to this configuration, a part of the rays that are reflected in the average receiver reach the rear face of the high receiver. Until now, the production of saturated steam has been successfully tested in panels in which the radiation affects only one of its faces.
  • the high temperature receivers of the invention receive radiation from both sides in the most critical area of them (area where the flow peaks are higher and there will be higher metal temperatures), since they absorb radiation from the heliostats ahead, but they also receive radiation from behind in the low zone since in that zone almost all the energy reflected by the high zone of the medium temperature receivers located just behind is affected.
  • the configuration described here therefore allows to homogenize the metal temperature of the lower zone of the high temperature receivers, with the technical advantages that this entails: much lower existing tensions and much more uniform deformations in the more critical zone of the receivers of high temperature thus achieving the prolongation of the life of the materials.
  • heliostats with a smaller spot or projection for example heliostats closer to the tower
  • heliostats closer to the tower are focused towards the high temperature panels, in order to have lower overflow losses (since it is necessary to have a minimum number of heliostats focused on these panels to give a certain power to the receiver) and a better control of the flow peaks in the high temperature receiver.
  • the heliostats closest to the tower will then focus towards a higher point (the center of the high temperature receiver) than the rest of the heliostats so the average annual energy they are able to reflect is greater than in other configurations where the High temperature receiver is not located above the medium temperature (due to cosine effect, blockages and shadows). In this type of configuration, therefore, the gross energy that reaches the solar receivers is also increased.
  • the heat transfer fluid is water / steam as if it is oils, salts or any other fluid.
  • This configuration is such that it allows simplifying the control of the plant, reducing the power flow requirements in the plant (by increasing the efficiency of the receiver) and improving its performance before transients or during starts and stops. And superheated steam is obtained in an efficient and controlled way, in order to guarantee the continued durability and normal operation of said solar plant in its different applications: electricity production, process heat production, solar fuel production and application to thermochemical processes .
  • Figure 1 shows a diagram of a tower with three cavities, within each one a medium temperature receiver and a high temperature receiver.
  • Figure 2 shows a two-dimensional view of the proposed configuration and a basic arrangement for medium and high temperature receivers within a cavity.
  • the numerical references correspond to the following parts and elements.
  • the heat transfer fluid circulating through the installation is water, so that the medium temperature receiver (3) is called saturated steam receiver or evaporator and the high temperature receiver (4) is called superheated steam receiver.
  • the design of the configuration or location of the receivers (3, 4) at the top of the tower (1) would be the following: three saturated steam receivers (3) and three superheated steam (4), located two to two, in three different cavities (2).
  • the superheated steam receivers (4) are located above and slightly ahead of the saturated steam receivers (3).
  • the saturated steam receiver (3) is formed by vertical tubes and the superheater (4) by horizontal or vertical tubes, in both cases with manifolds at the inlet and outlet of the fluid in the receiver.
  • a receiver of each type is placed in each cavity (2), with several planes for each saturated steam receiver (3) and superheated (4) (that is, the panels form different angles with respect to a given direction).
  • cavities (2) are also considered in the same tower (1), oriented towards different places, with a boiler located above the superheated steam receiver (4) in each of the built cavities.
  • the radiation reaches the receivers from each of the orientations and while it only affects one of the faces of the saturated receivers (3), the superheat receivers (4) are illuminated by both sides when they hit the area bottom of the back side part of the radiation that reflects the saturated steam receiver (3). That zone, the lower one, is a critical zone since in it the flow peaks are higher therefore, the fact of receiving heat from both sides helps to reduce the tensions of the materials.
  • the annual gross energy received by the receiver is increased by having some heliostats a higher focus point than that estimated for other configurations.

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Abstract

Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre de las que cuentan con al menos un receptor de media temperatura (3) y un receptor de alta temperatura (4) donde cada receptor de alta temperatura (4) se sitúa encima y ligeramente por delante de cada receptor de media temperatura (3), de manera que parte de los rayos que rebotan en el receptor de media temperatura (3) calientan la parte posterior del receptor de alta temperatura (4) y donde el receptor de alta temperatura (4) se sitúa de manera que la mayor parte de su superficie está enfrentada con la pared de la cavidad (2), quedando libre solo la parte baja del receptor (4).

Description

CONFIGURACIÓN DE LOS RECEPTORES EN PLANTAS DE CONCENTRACIÓN
SOLAR DE TORRE Sector técnico de la invención
Esta invención pertenece al campo de las tecnologías solares de concentración para la producción de vapor sobrecalentado, más específicamente a tecnología de receptor central de torre con campo de helióstatos para aplicación en generación de electricidad.
Antecedentes de la invención
Si bien la radiación solar es una fuente térmica de elevada temperatura y elevada energía en origen, la utilización de la misma en las condiciones del flujo que llega a la superficie terrestre destruye prácticamente todo su potencial de convertirse en trabajo, por la drástica reducción de la temperatura disponible. Por esta razón, se hace uso en las centrales solares termoeléctricas (CST), de sistemas de concentración óptica, que permiten lograr mayores densidades de flujo y con ello temperaturas más elevadas. En la actualidad existen principalmente tres tecnologías diferentes desarrolladas para su uso en plantas solares. Estas son: de receptor central, colectores cilindro- parabólicos y discos Stirling. Todas ellas hacen uso solamente de la componente directa de la radiación solar, lo que les obliga a tener dispositivos de seguimiento solar. La invención reivindicada pertenece a los sistemas de torre o receptor central (3D). Estos utilizan espejos de gran superficie (40-125 m2 por unidad) denominados helióstatos, que están dotados de un sistema de control para reflejar la radiación solar directa sobre un receptor central situado en la parte superior de una torre. En esta tecnología, la radiación solar concentrada calienta en el receptor un fluido a temperaturas de hasta 1000°C, cuya energía térmica puede después utilizarse para la generación de electricidad.
En la actualidad, se cuenta con diferentes tipos de receptores con distintas configuraciones. Entre otros se encuentran los receptores de media temperatura y los receptores de alta temperatura. Si el fluido caloportador es agua, los receptores de media temperatura también se denominan receptores de vapor saturado o evaporadores y los receptores de alta temperatura se denominan receptores de vapor sobrecalentado. Entre ellos se instala un calderín.
Los receptores de concentración solar de torre pueden ser exteriores o disponerse en una cavidad ubicada en la parte superior de la torre con el fin de disminuir las pérdidas térmicas. La configuración debe permitir que la potencia incidente supere en magnitud las pérdidas que se presentan por radiación y convección. En los receptores de vapor sobrecalentado, la temperatura alcanzada en la superficie es mayor que en los receptores de vapor saturado, razón por la cual las pérdidas por radiación también son mayores, sin embargo, tienen la ventaja de aumentar la eficiencia del ciclo termodinámico, con lo que esas pérdidas quedan compensadas.
En la patente WO2009121030A2 se proponen distintas configuraciones de paneles y tubos con el objeto de absorber la radiación solar concentrada incidente. La mayoría de las configuraciones incluye tubos o paneles con partes transparentes que son muy distintas a la configuración propuesta en esta patente y los objetivos y ventajas que se van a describir en los apartados siguientes.
En la patente US20080G78378 se propone una configuración de paneles que consiste en situar los paneles del receptor de vapor sobrecalentado encima de los paneles del receptor de vapor saturado.
En la patente WO2011030331 A2 se reivindican varias configuraciones de calderín y receptores de vapor saturado y sobrecalentado. Configuraciones con ambos receptores situados de manera concéntrica y configuraciones en las que se separa físicamente el receptor de vapor saturado y el de vapor sobrecalentado.
Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo diseñar una configuración de receptores que aglutine las ventajas de la utilización de vapor a alta temperatura, solventando los riesgos existentes, consiguiendo un mayor control de la planta y favoreciendo de esta manera la estabilidad y durabilidad de ésta y sus componentes. Descripción de la invención
La presente invención se refiere a una configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre con separación física de ios receptores de media temperatura y de alta temperatura.
En los casos en los que el fluido caloportador es agua, en el receptor de media temperatura es donde se produce la evaporación del fluido caloportador obteniéndose vapor saturado a la salida y en el receptor de alta temperatura se lleva a cabo un sobrecalentamiento de dicho vapor. Entre ambos receptores se instala un calderín o separador de fases que asegura que en el receptor de alta temperatura entra sólo vapor.
El hecho de separar la etapa de evaporación de la de sobrecalentamiento reduce el riesgo tecnológico ya que al no existir cambio de fase en el mismo receptor, tampoco existen los problemas de altos gradientes térmicos derivados de los diferentes coeficientes de película de ambas fases. Además los problemas de control asociados a la variabilidad del recurso solar se reducen también drásticamente.
Este sistema, a diferencia del estado de la técnica conocido, no ubica los módulos de los receptores de media y alta temperatura alejados entre sí, si no que la configuración propuesta en la invención comprende uno o varios receptores de media temperatura y uno o varios receptores de alta temperatura independientes, ubicados de tal manera, que los receptores de alta temperatura se sitúan físicamente encima y ligeramente por delante de los receptores de media temperatura.
Entre ellos, se colocan una serie de calderines o separadores que hacen que el fluido bifásico que sale de los receptores de media temperatura llegue únicamente como vapor a los receptores de alta temperatura.
La configuración de receptores y paneles propuesta es válida tanto si se encuentran dentro de una cavidad o no. En el caso de que se utilice el diseño de receptor en cavidad, las pérdidas térmicas en el receptor que sigue esta configuración, es decir con el receptor de alta temperatura por encima del receptor de media temperatura, disminuyen con respecto a otras configuraciones con receptor en cavidad en las que se separan los receptores en cavidades distintas.
Esto se debe a que, en la configuración reivindicada y con los receptores dentro de una cavidad, la apertura de la misma (por donde entra la radiación incidente) tiene su centro situado por debajo del límite inferior del receptor de alta temperatura de manera que la mayor parte de la superficie del receptor queda enfrentada con la pared interior de la cavidad. Esta pared generalmente se encuentra revestida de material aislante reflectante. Gracias a que el receptor se encuentra situado en lo alto de la torre, los rayos solares que reflejan los helióstatos inciden sin problemas en toda la superficie del receptor, ya que entran desde abajo con una trayectoria tal que, a pesar de no estar el receptor de alta temperatura enfrentado con la apertura de la cavidad, la radiación entra por la apertura alcanzando el receptor de alta temperatura y sin impactar en las paredes exteriores de la cavidad.
La consecuencia de que el receptor de alta temperatura tenga la mayor parte de su superficie enfrentada al interior de la cavidad y muy poco a la apertura es que permite que un alto porcentaje de la energía emitida por el receptor de alta temperatura en forma de pérdidas por radiación llegue al material aislante del interior de la cavidad y sea reflejada y posteriormente reabsorbida por el propio receptor de alta temperatura o por el receptor de media temperatura, disminuyendo las pérdidas y aumentando la eficiencia de la planta. Otra característica de esta configuración es el hecho de colocar el receptor de alta temperatura adelantado respecto al receptor de media temperatura. Debido a esta configuración, una parte de los rayos que se reflejan en el receptor de media alcanzan la cara trasera del receptor de alta. Hasta ahora se ha probado con éxito la producción de vapor saturado en paneles en los que la radiación incide sólo en una de sus caras. En estos casos, el coeficiente de convección de los enormes caudales de líquido saturado de recirculación y las temperaturas relativamente bajas del fluido que circula por los receptores de media temperatura evitan tener temperaturas de metal demasiado altas. Sin embargo, para los receptores de alta temperatura por los que sólo incide radiación por una sola cara y por los que circula vapor a muy alta temperatura, se esperan temperaturas de metal mayores a 600 °C en algunas zonas, lo que conlleva a la creación de tensiones en los materiales.
En el caso de los receptores de alta temperatura de la invención reciben radiación por ambas caras en la zona más crítica de los mismos (zona donde los picos de flujo son mayores y habrá mayores temperaturas de metal), puesto que absorben la radiación procedente de los helióstatos por delante, pero también reciben radiación por detrás en la zona baja ya que en esa zona incide casi toda la energía reflejada por la zona alta de los receptores de media temperatura situados justo detrás.
La configuración aquí descrita permite por tanto homogeneizar la temperatura de metal de la zona inferior de los receptores de alta temperatura, con las ventajas técnicas que eso supone: tensiones existentes mucho más bajas y deformaciones mucho más uniformes en la zona más crítica de los receptores de alta temperatura consiguiendo así la prolongación de la vida de los materiales.
En una configuración como la propuesta en esta patente es conveniente que los helióstatos con una mancha o proyección más pequeña (por ejemplo helióstatos más cercanos a la torre) se enfoquen hacia los paneles de alta temperatura, con el fin de tener menores pérdidas por desborde (puesto que es necesario tener un mínimo número de helióstatos enfocados hacia estos paneles para dar una potencia determinada al receptor) y un mejor control de los picos de flujo en el receptor de alta temperatura. Los helióstatos más cercanos a la torre se enfocarán entonces hacia un punto más alto (el centro del receptor de alta temperatura) que el resto de los helióstatos por lo que la energía media anual que son capaces de reflejar es mayor que en otras configuraciones donde el receptor de alta temperatura no esté situado encima del de media temperatura (por efecto coseno, de los bloqueos y las sombras). En este tipo de configuraciones, por tanto, se incrementa también la energía bruta que llega a los receptores solares.
Las ventajas anteriormente mencionadas son válidas tanto para el caso en el que el fluido caloportador sea agua/vapor como si se trata de aceites, sales o cualquier otro fluido.
Esta configuración es tal que permite simplificar el control de la planta, disminuir los requerimientos de flujo de potencia en ésta (al aumentar la eficiencia del receptor) y mejorar el rendimiento de la misma ante transitorios o durante los arranques y las paradas. Y se obtiene vapor sobrecalentado de forma eficiente y controlada, para poder garantizar así la durabilidad y la operación normal continuadas de dicha planta solar en sus diferentes aplicaciones: producción de electricidad, producción de calor de proceso, producción de combustibles solares y aplicación a procesos termoquímicos.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida, en base a un juego de dibujos que se acompañan a esta memoria descriptiva y en donde con carácter meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un esquema de una torre con tres cavidades, dentro de cada una un receptor de media temperatura y otro de alta temperatura.
La figura 2 muestra una vista bidimensional de la configuración propuesta y una disposición básica para receptores de media y alta temperatura dentro de una cavidad. En las anteriores figuras, las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos.
1. - Torre central.
2. - Cavidades.
3. - Receptor media temperatura (receptor de vapor saturado o evaporador)
4. - Receptor de alta temperatura (sobrecalentado^
5.- Aislamiento
6.- Apertura
Realización preferente de la invención
Para facilitar la comprensión de la invención a continuación se expone de manera detallada y en base a las figuras, una realización preferente. En esta realización preferente el fluido caloportador que circula por la instalación es agua, de manera que el receptor de media temperatura (3) se denomina receptor de vapor saturado o evaporador y el receptor de alta temperatura (4) se denomina receptor de vapor sobrecalentado.
Tal y como se observa en la figura 1 , en una realización preferente el diseño de la configuración o ubicación de los receptores (3, 4) en lo alto de la torre (1) sería el siguiente: tres receptores de vapor saturado (3) y tres de vapor sobrecalentado (4), ubicados dos a dos, en tres cavidades (2) diferentes. Los receptores de vapor sobrecalentado (4) están situados encima y ligeramente por delante de los de vapor saturado (3).
En la realización preferente el receptor de vapor saturado (3) está formado por tubos verticales y el sobrecalentador (4) por tubos horizontales o verticales, en ambos casos con colectores a la entrada y salida del fluido en el receptor. Se coloca un receptor de cada tipo en cada cavidad (2), con varios planos por cada receptor de vapor saturado (3) y sobrecalentado (4) (es decir, los paneles forman ángulos distintos con respecto a una dirección dada).
También se consideran varias cavidades (2) en una misma torre (1), orientadas hacia diferentes lugares, con un calderín situado encima del receptor de vapor sobrecalentado (4) en cada una de las cavidades construidas.
La eficiencia global del receptor solar se eleva con esta configuración dado que se reducen las pérdidas térmicas por estar el receptor de vapor sobrecalentado (4) (que tiene las temperaturas de pared más altas) enfrentado en su mayor parte con la pared de la cavidad (2) y en consecuencia del aislamiento (5) que posee dicha pared, tal y como se observa en la figura 2.
La radiación llega a los receptores desde cada una de las orientaciones y mientras que ésta sólo incide en una de las caras de los receptores de saturado (3), los receptores de sobrecalentado (4) son iluminados por las dos caras al incidir sobre la zona inferior de la cara de atrás parte de la radiación que refleja el receptor de vapor saturado (3). Esa zona, la inferior, es una zona crítica ya que en ella los picos de flujo son más altos por tanto, el hecho de recibir calor por las dos caras ayuda a que se disminuyan las tensiones de los materiales.
Además, la energía bruta anual recibida por el receptor se incrementa por tener algunos helióstatos un punto de enfoque más elevado que el estimado para otras configuraciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre de las que cuentan con una serie de helióstatos alrededor de su base que reflejan la radiación solar hacia al menos un receptor de media temperatura (3) y un receptor de alta temperatura (4) instalados en cavidades (2) caracterizado porque cada receptor de alta temperatura (4) se sitúa encima y ligeramente por delante de cada receptor de media temperatura (3), de manera que parte de los rayos que rebotan en el receptor de media temperatura (3) calientan la parte posterior del receptor de alta temperatura.
2. Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque el receptor de alta temperatura (4) se sitúa de tal forma que la apertura (6) de la cavidad (2) en la que se encuentra instalado tiene su centro situado por debajo del límite inferior del receptor de alta temperatura (4) de manera que la mayor parte de la superficie del receptor (4) queda enfrentada con la pared interior de la cavidad (2).
3. Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque el fluido caloportador es agua y el receptor de media temperatura (3) es el evaporador o receptor de vapor saturado y el receptor de alta temperatura (4) es el sobrecalentador.
4. Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre según reivindicación 3 caracterizado porque el receptor de vapor saturado (3) está formado por tubos verticales y el de vapor sobrecalentado (4) por tubos horizontales o verticales, en ambos casos con colectores a la entrada y salida del fluido en el receptor.
5. Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque la torre comprende tres receptores de vapor saturado (3) y tres de vapor sobrecalentado (4), ubicados dos a dos, en tres cavidades (2) diferentes.
6. Configuración de los receptores en plantas de concentración solar de torre según reivindicación 1 caracterizado porque los helióstatos con una mancha o proyección más pequeña (por ejemplo helióstatos más cercanos a la torre) se enfocan hacia un punto más alto que el resto de los helióstatos pues apuntan a los paneles del receptor de alta temperatura (4).
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